不同CO2濃度下大豆葉片的水分利用效率比較

葉子飄 段世華 康華靖

(1 井岡山大學數理學院, 江西 吉安 343009；2 井岡山大學生命科學學院, 江西 吉安 343009；3 溫州市農業科學研究院, 浙江 溫州 325006)

水是生態系統組成的最基本環境要素之一，對陸生植物的熱量調節和能量代謝具有重要意義[1]。水分利用效率(water use efficiency，WUE)是反映植物物質積累與耗水量之間關系的重要生理生態參數[2-6]，也是耦合植物葉片光合作用和蒸騰作用的重要指標[7]，對研究生態系統水循環和碳循環相互作用等具有重要影響，已成為農業領域研究的熱點[8-10]。人們可以利用氣體交換技術或同位素工具[2, 5-7]，在不同空間尺度或不同時間尺度上對該參數進行測量[11-13]。在葉片尺度上，水分利用效率分為內稟水分利用效率(WUEi)和瞬時水分利用效率(WUEinst)，其中內稟水分利用效率被定義為葉片凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)與氣孔導度(stomatal conductance，Gs)之比[14]，用于評估基因對植物的影響；瞬時水分利用效率被定義為葉片Pn與蒸騰速率(transpiration rate，Tr)之比[14]，用于估算環境因素對植物的影響。因此，葉片的水分利用效率可以作為一種簡單方法用于評價限制植物生長因素[7, 15-16]。

目前，人們只能定性的描述植物葉片水分利用效率的變化趨勢，并估算植物葉片的最大水分利用效率(WUEmax)、內稟水分利用效率相對應的飽和光合有效輻射(PARi-sat)和瞬時水分利用效率相對應的飽和光合有效輻射(PARinst-sat)[17-20]。研究表明，大多數植物葉片的WUE在低光合有效輻射(photosynthetically acture radiation, PAR, μmd·m-2·s-1)時會隨著PAR的增加而增加，超過某個PAR后，隨著PAR的增加呈非線性下降[17-19, 21-23]。然而，植物葉片WUE對PAR響應遵循的變化規律，以及如何計算植物葉片WUEmax和飽和光合有效輻射(photosynthetically active radiation，PARw-sat)尚未見報道。這是由于尚未有合適的水分利用效率模型可用于植物葉片水分利用效率變化規律的研究，并獲得準確的WUEmax和PARw-sat值。而上述問題的探索對正確評價不同環境下植物葉片的水分利用能力具有重要意義。本研究以光響應機理模型[24]為基礎，構建植物葉片的水分利用效率模型，利用構建的水分利用效率模型分別擬合不同CO2濃度下大豆(GlycinemaxL.)葉片的水分利用效率數據，并與實測數據進行比較，同時比較WUEi和WUEinst之間的差異，評價不同CO2濃度對大豆葉片水分利用效率的影響，得到不同CO2濃度下大豆葉片水分利用效率的變化規律，以及WUEmax和PARw-sat值，以期為探究植物葉片水分利用效率的變化規律提供數學工具。

1 材料與方法

1.1 模型的構建

植物葉片的水分利用效率由植物光合作用對光響應的機理模型[24]得到，即：

(1)

式中，α：光響應曲線的初始斜率；β、γ分別為抑制系數、飽和系數，Rd：暗呼吸速率。其中，植物的飽和PAR(PARsat)和最大凈光合速率(Pnmax)分別按照如下公式計算：

(2)

(3)。

根據WUEi的定義，利用公式(1)可以得到植物葉片的內稟水分利用效率(WUEi)：

(4)

式中，Ki：殘存內稟水分利用效率，由Ki=Rd/Gs計算得到；α1：內稟水分利用效率光響應曲線的初始斜率；β1、γ1均為與光強無關的系數。如果用PARi-sat表示與葉片最大水分利用效率相對應的飽和PAR，那么可以由公式(5)得到，即：

(5)。

采用WUEi-max表示葉片的最大內稟水分利用效率，將公式(5)代入公式(4)可以得到WUEi-max(單位：μmol CO2·mol-1H2O)：

(6)。

根據WUEinst的定義，利用公式(1)還可以得到植物葉片的瞬時水分利用效率(WUEinst)[25]：

(7)

式中，Kinst：殘存瞬時水分利用效率，由Kinst=Rd/Tr計算得到；α2：瞬時水分利用效率光響應曲線的初始斜率；β2、γ2均為與光強無關的系數。如果用PARinst-sat表示與葉片最大瞬時水分利用效率相對應的飽和PAR，那么其計算公式如下：

(8)。

如果用WUEinst-max表示葉片的最大瞬時水分利用效率，則把式(8)代入式(7)即可以得到WUEinst-max(單位：μmolCO2·mmol-1H2O)的計算公式：

(9)。

1.2 材料培養與數據測量

浙鮮豆7號大豆種子，購自溫州市場。栽培基質為草炭和珍珠巖5∶1混合，放入少許緩釋肥。拌勻后分別裝入直徑為25 cm塑料花盆中。于2016年5月4日催芽，5月15日定植，每盆2株，置于大棚外常規管理。測量時間為5月28日-6月8日，此時大豆株高約40 cm。測量時，選取生長較為一致的大豆植株，對自下而上第4復葉的頂葉進行掛牌標記。共選5～7株待測。

利用LI-6400便攜式光合儀(美國LI-COR公司)在晴天9: 00-11: 00進行光合參數的測定。測量時，葉室溫度設置為35℃、流速為500 μmol·s-1，CO2濃度分別設置為300、400、500和600 μmol·mol-1， PAR分別設置為2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、700、400、200、150、100、50和0 μmol·m-2·s-1，由LI-6400內置程序自動完成測量不同PAR水平下的光合速率，即光響應曲線。

1.3 數據處理

測量曲線分別用公式(1)、公式(4)和公式(7)進行擬合，所得擬合值與測量值進行比較，其中測量值為實際測量曲線對應的數值(即儀器顯示值)，5次重復，結果取平均值。根據測量數值確定Pnmax、PARsat、Rd，運用 SPSS 12.5軟件進行差異顯著性分析；Origin7.0作圖；Adobe Illustrator CS5進行圖形處理。

2 結果與分析

2.1 光合作用對光的響應曲線

由圖1可知， 4種CO2濃度條件下大豆葉片光合作用對光的響應曲線是典型的C3光響應曲線。PAR<1 000 μmol·m-2·s-1時，Pn隨著PAR的增加快速升高；PAR>1 000 μmol·m-2·s-1后，Pn隨著PAR的增加緩慢升高；超過1 800 μmol·m-2·s-1后，CO2濃度為400、600 μmol·mol-1大豆葉片Pn隨著PAR的增加略有下降，而在CO2濃度為300、500 μmol·mol-1時大豆葉片的Pn隨著PAR的增加趨于平穩，處于平臺期。由表1中決定系數(R2)可知，光響應機理模型的簡化模型可以較好地擬合4種CO2濃度條件下大豆的光合作用對光的響應曲線。

由表1可知，大豆葉片的Pnmax隨著CO2濃度的增加而增加，而PARsat則無明顯的變化規律。400和600 μmol·mol-1CO2的PARsat與300和500 μmol·mol-1CO2的PARsat均存在顯著差異。此外，由公式(1)擬合4種CO2濃度條件下的光合參數與實測值相符，表明在本研究中可以用公式(1)研究4種CO2濃度條件下大豆的光合特性。

2.2 內稟水分利用效率的光響應曲線

由圖2可知，在PAR<400 μmol·m-2·s-1時，WUEi隨著PAR的增加快速升高；在PAR>400 μmol·m-2·s-1后，WUEi隨著PAR的增加而緩慢升高；超過飽和PAR后，400、500和600 μmol·mol-1CO2條件下的大豆葉片WUEi隨著PAR的增加呈明顯的下降趨勢，而300 μmol·mol-1CO2下的大豆葉片的WUEi隨著PAR的增加趨于平穩，處于平臺期。由表2中R2可知，公式(4)可以較好地擬合4種CO2濃度條件下大豆的內稟水分利用效率對光的響應曲線。

由表2可知，400 μmol·mol-1CO2條件下的α1最大，為1.187 μmol CO2·μmol-1·mol-1H2O，600 μmol·mol-1CO2時α1值最小，為0.428 μmol CO2·μmol-1·mol-1H2O；600 μmol·mol-1CO2條件下的WUEi-max最大，為108.40 μmol CO2·mol-1H2O，300 μmol·mol-1CO2條件下的WUEi-max最小，為55.89 μmol CO2·mol-1H2O。由公式(4)擬合4種CO2濃度條件下的內稟水分利用效率對光的響應曲線得到的WUEi-max和PARi-sat與實測值高度符合，表明在本研究中可以用公式(4)研究4種CO2濃度條件下大豆的內稟水分利用效率對光的響應問題。

圖1 4種CO2濃度條件下大豆葉片光合作用對光的響應曲線Fig.1 Light-response curves of photosynthesis for soybean at four kinds of CO2 concentration

圖2 4種CO2濃度條件下大豆葉片內稟水分利用效率對光的響應曲線Fig.2 Light-response curves of intrinsic water-use efficiency for soybean at four kinds of CO2 concentration

2.3 瞬時水分利用效率的光響應曲線

由圖3可知，與WUEi變化趨勢相似，PAR<400 μmol·m-2·s-1時，WUEinst隨著PAR的增加而快速升高；PAR>400 μmol·m-2·s-1后，WUEinst隨著PAR的增加而緩慢升高；超過飽和PAR后，在CO2濃度為400、500和600 μmol·mol-1時大豆葉片的WUEinst隨著PAR的增加略有下降，其中CO2濃度為300 μmol·mol-1時大豆葉片的WUEinst隨著PAR的增加趨于平穩，處于平臺期。而CO2濃度為500、600 μmol·mol-1時大豆葉片的WUEinst對光的響應曲線存在明顯的不同。PAR<400 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為500 μmol·mol-1CO2條件下WUEinst高于600 μmol·mol-1CO2，PAR>400 μmol·m-2·s-1后則相反。由表3中R2可知，公式(7)可以較好地擬合4種CO2濃度條件下大豆的瞬時水分利用效率對光的響應曲線。

表1 用公式(1)擬合4種CO2濃度條件下大豆葉片光合作用對光的響應曲線結果 (n=4)Table 1 Results of Pn-PAR curves fitted by Eqn.(1) for four kinds of CO2 concentration (n=4)

注：數值均以平均值±標誤表示。“—”表示儀器不能直接測量而獲得的數據。不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。下同。

Note: All values indicate the Mean ±SE. ‘—’ means the data could not be measured directly by the instrument. Different lowercases indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.

表2 用公式(4)擬合4種CO2濃度條件下大豆葉片內稟水分利用效率對光的響應曲線結果(n=4)Table 2 Results of WUEi-PAR curves fitted by Eqn. (4) for soybean at four CO2 concentration (n=4)

注：α1為初始斜率；WUEi-max為最大內稟水分利用效率；PARi-sat為飽和PAR。

Note:α1means the initial slope. WUEi-maxmeans the maximum intrinsic water use efficiency. PARi-satmeans the saturation PAR of WUEi-max.

表3 用公式(7)擬合4種CO2濃度條件下大豆葉片瞬時水分利用效率對光的響應曲線結果(n=4)Table 3 Results of WUEinst-PAR curves fitted by Eqn.(7) for 4 CO2 concentration (n=4)

由表3可知，CO2濃度為400 μmol·mol-1時α2最大，為0.041 μmol CO2·μmol-1·mmol-1H2O，CO2濃度為600 μmol·mol-1時其值最小，為0.024 μmol CO2·μmol-1·mmol-1H2O；CO2濃度為600 μmol·mol-1時的WUEinst-max最大，為6.15 μmol CO2·mmol-1H2O，CO2濃度為300 μmol·mol-1時的WUEinst-max最小，為2.18 μmol CO2·mmol-1H2O；4種CO2濃度條件下大豆葉片的PARinst-sat無顯著差異。由公式(7)擬合4種CO2濃度條件下的瞬時水分利用效率對光的響應曲線得到的WUEinst-max和PARinst-sat與實測值高度符合，表明在研究中可以用公式(7)研究4種CO2濃度條件下大豆的瞬時水分利用效率對光的響應問題。

圖3 4種CO2濃度條件下大豆葉片瞬時水分利用效率對光的響應曲線Fig.3 Light-response curves of instantaneous water-use efficiency for soybean at four kinds of CO2 concentrations

3 討論

3.1 光合作用對光的響應模型

光合作用主要由原初反應、光合能力形成和碳同化 3個主要過程組成，且彼此相互影響。植物的光合特性能夠在一定程度上反映植物對環境的適應情況。人們常采用Pnmax、PARsat、Ic、Rd、WUEi和羧化效率等參數表征植物的光合特性，而用光響應模型擬合植物葉片的光響應曲線得到這些光合參數是研究植物光合特性常用的方法之一[25-28]。目前常采用直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和光響應機理模型擬合植物葉片的光響應曲線。由直角雙曲線模型和非直角雙曲線擬合植物葉片光響應曲線可以估算Pnmax、Ic和Rd等光合參數，同時利用其他方法[29]可以估算植物的PARsat，因此這2個模型已得到廣泛的應用和引用。但這2個模型也存在一定的缺陷，即對于正常條件下生長的植物，雖然擬合曲線與實測點高度符合，但會高估植物的Pnmax[26, 30-33]；如植物發生較為嚴重的光抑制，擬合曲線將嚴重偏離實測點，且該模型將低估植物的Pnmax[34]；植物發生光抑制程度較弱，其擬合曲線與實測點符合程度較差，但估算的Pnmax與實測值較接近[31, 35-36]。此外，由這2個模型并結合其他方法[29]估算的飽和PAR遠低于實測值[32-34, 37]。如果把用這種方法估算得到的飽和PAR用于研究植物光合作用對CO2的響應曲線，那么用Farquhar等[38]的生化模型或其修正模型擬合植物的CO2響應曲線得到的最大核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶(Rubisco)羧化速率、最大電子傳遞速率和磷酸丙糖的利用速率就無法真實反映植物的生化特性。因此，由直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型擬合植物葉片的光響應曲線獲得的Pnmax值并不能真實反映出植物葉片的光合能力，也難以用該模型真實地評價植物葉片的光合特性。而大量研究表明，本研究中的公式(1)可以用于研究不同植物在不同環境下的光合特性，且得到的光合參數與實測值之間高度符合[24-27, 37, 39-43]。

3.2 水分利用效率對光的響應

在葉片層面上，植物葉片的水分利用效率分為內稟水分利用效率和瞬時水分利用效率。研究表明，水分利用效率(即內稟水分利用效率或瞬時水分利用效率)隨著PAR的增加而增加直到最大值，此后隨著PAR的增加而下降[23, 44]。但由于尚未有合適的模型擬合植物葉片的水分利用效率對光的響應曲線，所以，人們只能定性地描述植物葉片的水分利用效率隨PAR的變化情況[44-47]。本研究中，由公式(1)推導描述內稟水分利用效率的公式(4)不僅能真實地描述大豆葉片的內稟水分利用效率對PAR的響應曲線，還可以獲得描述大豆葉片水分利用效率最重要的2個參數，即WUEi-max和PARi-sat。同樣，由公式(4)得到的WUEi-max和PARi-sat與實測值非常接近。與內稟水分利用效率相似，由公式(1)推導描述瞬時水分利用效率的公式(7)不僅能真實地描述不同CO2濃度條件下大豆葉片的瞬時水分利用效率對PAR的響應過程和趨勢，而且還可以獲得描述大豆葉片水分利用效率最重要的2個參數，即WUEinst-max和PARinst-sat。同樣，由公式(7)得到的WUEinst-max和PARinst-sat與實測值也非常接近。因此，由公式(1)推導的內稟水分利用效率公式(4)和瞬時水分利用效率公式(7)可以分別定量研究不同CO2濃度條件下大豆葉片的水分利用效率問題。

此外，本研究還發現不同CO2濃度條件下大豆葉片的WUEi和WUEinst對PAR的響應存在一定的相似性和差異，在較低PAR(PAR<400 μmol·m-2·s-1)時，WUEi和WUEinst均隨著PAR的增加而快速增大，隨后進入緩慢增長區域(除CO2濃度為300 μmol·mol-1外)超過飽和PAR后，大豆葉片的WUEi和WUEinst隨著PAR的增加而下降，這與前人研究結果[17, 46, 47]類似。孫景寬等[17]發現不同濃度鹽分脅迫下二色補血草(Limoniumbicolor)的WUEi達到最大值(WUEi-max)所對應的PARi-sat皆約為800 μmol·m-2·s-1；孫偉等[48]發現狗尾草(Setariaviridis)的WUEi達到最大值所對應的PARi-sat超過1 200 μmol·m-2·s-1; 孟凡超等[49]研究表明，東北玉米(Zeamays)的WUEinst在PARW-sat約為400 μmol·m-2·s-1時達到最大值。本研究中，4種CO2濃度條件下大豆葉片的WUEi-max所對應的飽和PAR存在一定的差異，但不顯著；4種CO2濃度條件下大豆葉片的WUEinst-max所對應的飽和PAR無顯著差異。

3.3 內稟水分利用效率和瞬時水分利用效率之間的差異

由植物葉片水分利用效率的定義可知，WUEi和WUEinst均能用于研究植物葉片的水分利用效率問題。本研究表明，WUEi和WUEinst之間存在明顯的差異：首先，WUEinst隨著CO2濃度的增加而增大；WUEi則并不存在明顯的變化規律；其次，CO2濃度為600 μmol·mol-1時的WUEinst-max是CO2濃度為300 μmol·mol-1的2.82倍，而CO2濃度為600 μmol·mol-1時的WUEi-max是CO2濃度為300 μmol·mol-1的1.94倍；再者，WUEi的單位為μmol CO2·mol-1H2O，WUEinst的單位為μmol CO2·mmol-1H2O，將WUEi和WUEinst的單位都換算為μmol CO2·mol-1H2O或μmol CO2·mmol-1H2O，則WUEinst-max是WUEi-max的39倍，甚至更多(表4)。由WUEinst的定義和計算公式(WUEinst=Pn/Tr)可知，WUEinst能更真實地反映出大豆葉片的水分利用效率。

表4 4種CO2濃度條件下大豆葉片WUEi和WUEinst的比率(n=4)Table 4 Ratio of WUEi and WUEinst of soybean leaves in the condition of kinds of 4 CO2 concentration (n=4)

3.4 CO2濃度對大豆葉片水分利用效率的影響

WUE能反映葉片蒸騰作用耗散所形成的光合產物量[6-7, 50]。本試驗結果表明，大豆葉片的WUEinst隨著CO2濃度的增加而顯著增大，但4種CO2濃度下WUEinst對光的響應曲線并不相同，且與WUEinst-max相對應的飽和PAR無顯著差異；大豆葉片的WUEi隨著CO2濃度的增加而增大，除了CO2濃度為300 μmol·mol-1外，其他3種CO2濃度下的WUEi存在一定差異。4種CO2濃度下，植物的WUEi對PAR的響應表現出先快速增加，除CO2濃度為300 μmol·mol-1時WUEi達到最大值后處于平臺期外，其他3種CO2濃度下大豆葉片的WUEi則逐漸下降。CO2濃度500 μmol·mol-1時，大豆葉片WUEi在最大值后表現出較大程度的下降。常宗強等[51]在研究CO2升高對多枝檉柳(Tamarixramosissima)葉片WUEinst的影響時，也觀察到同樣的現象。這主要是由于較高的CO2濃度誘導了氣孔關閉，降低了葉片的Gs和Tr[52]，而Pn隨著CO2濃度升高不斷增加，使得葉片的WUEi和WUEinst增加。但在強光下，葉片溫度升高Tr增大，高CO2濃度下Pn的增幅變緩，導致葉片的WUEi和WUEinst出現一定程度的下降。

4 結論

本研究結果表明，以光響應機理模型為基礎構建的植物葉片的水分利用效率模型可以定量研究植物的水分利用效率對光響應的變化規律，并得到WUEi-max和WUEinst-max以及對應的飽和光強。相同的CO2濃度下，大豆葉片的WUEi-max和WUEinst-max間存在顯著差異，從WUEi和WUEinst的定義推測，這可能與所得的Gs值是通過計算得到的，而非儀器直接測量有關。本研究結果為定量研究植物葉片的水分利用效率的變化規律提供了數學工具。