基于FvCB模型估算小麥的最大電子傳遞速率

康華靖，段世華，安 婷，葉子飄

(1.溫州市農業科學研究院,浙江溫州 325006; 2.浙南作物育種重點實驗室，浙江溫州 325001；3.井岡山大學生命科學學院,江西吉安 343009; 4.井岡山大學數理學院,江西吉安 343009)

在1980年，Farquhar、von Caemmerer、Berry以及其他學者根據核酮糖-1,5-雙磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)酶動力學反應和核酮糖-1,5-雙磷酸(RuBP)再生反應化學計量學，提出C3植物的光合生化模型(以下簡稱FvCB模型)[1-4]。該模型可以模擬葉片內部的光合生化反應，并通過分析不同環境條件下的CO2響應曲線獲得光合參數，預測葉片活體光合系統的內在變化狀況，從而促進了對植物光合生理機制的理解[4-6]。C3植物碳同化過程包括三個階段：(1)在Rubisco的催化下，RuBP與CO2發生羧化作用，生成3-磷酸甘油酸(PGA)；(2)在腺苷三磷酸(ATP)和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的作用下，PGA被還原成磷酸丙糖(TP)；(3)每6個TP中有1個輸出到細胞液中，用于蔗糖或者淀粉的合成，剩下的5個TP在ATP的作用下再生為3個RuBP。一部分再生的RuBP在Rubisco的催化下被氧化成PGA和2-磷酸乙醇酸，2-磷酸乙醇酸在ATP的作用下形成PGA，并且釋放CO2(光呼吸)[4,6]。生化模型由描述Rubisco活性限制、RuBP再生限制和TP限制3個過程的子模型構成。利用該模型擬合光合作用對CO2的響應曲線(A-Ci曲線)就可以估算植物的最大羧化速率(Vcmax)、最大電子傳遞速率(Jmax)、TP利用速率(Vp)、光下暗呼吸速率(Rday)、葉肉細胞導度(gm)等重要的生物化學參數[7-10]。然而，當前尚沒有直接證據證明由FvCB模型得到的Vcmax、Vp和gm這3個隱性參數是否正確。另外，雖然Jmax和Rday是顯性參數，但在用FvCB模型擬合A-Ci曲線時假定Rday= 0.001Vcmax[2]，因而通過這種方式獲得的Rday具有較大的不確定性。由此可見，能直接證明FvCB模型是否合理的唯一參數就只有Jmax。

在FvCB模型中估算C3植物葉片Jmax的子模型有2個，即當光合作用受RuBP再生速率限制時的模型表達式為：

(1)

式中，Aj為凈光合速率，Γ*為缺乏暗呼吸的葉綠體CO2補償點(經驗值為3.743 Pa)[8]，Ci為胞間CO2濃度，Rday為光下暗呼吸速率。

另一個估算C3植物葉片Jmax的子模型是常用的非直角雙曲線經驗模型[2]，即

(2)

式中，θ為光相應光響應曲線的曲率，α為光合電子傳遞速率對光響應曲線的初始斜率，I為光照強度。

式(1)和式(2)均是FvCB模型的2個主要子模型[6,11-14]。然而，研究表明，由式(2)擬合植物葉片的光合電子傳遞速率對光的響應曲線(J-I曲線)將高估Jmax[15-16]。Buckley等[15]認為其中的一個最好解決辦法是提出一個新的模型替代式(2)，且認為即使提出了一個這樣的模型，也需要較長時間被人們所接受。

在FvCB模型的實際應用過程，要確定光合作用受RuBP再生速率限制時的Aj并估算J，就必須測量植物葉片的A-Ci曲線，并用式(1)擬合這些曲線；而要用式(2)估算Jmax就必須測量植物葉片的J-I曲線。前者是在一定光強條件下(如1 800 μmol·m-2·s-1)測量凈光合速率對CO2的響應曲線；后者是在一定CO2濃度條件下(如400 μmol·mol-1)電子傳遞速率對光的響應曲線。前者是CO2濃度保持不變，變量是光照強度；后者是光強保持不變，變量是CO2濃度，因而這2個光合過程并不完全相同的。因此，由式(1)和式(2)分別擬合相應的A-Ci曲線和J-I曲線確定植物葉片的Jmax是否合理尚不清楚，也未見報道。此外，在飽和光強條件下測量植物的A-Ci曲線，且由式(1)擬合這些A-Ci曲線得到的Jmax與觀測值之間是否相同也鮮見報道。

針對以上的問題，本研究以小麥(TriticumaestivumL.)為供試材料，利用便攜式光合作用-熒光測量系統(LI-6400-40，LI-COR INC.，USA)分別測量小麥在2%和21%O2濃度條件下的光合速率對光的響應(A-I)和J-I曲線，用Ye等[17]構建的模型確定其飽和光強，然后在飽和光強下分別測量小麥在2%和21% O2濃度條件下的A-Ci曲線和光合電子傳遞對CO2的響應(J-Ci)曲線。具體研究目標為:(i)用式(1)擬合小麥的A/Ci曲線得到相應的Jmax，并與觀測值進行比較；(ii)用式(2)擬合小麥的J-I曲線數據得到小麥的Jmax，并與觀測值進行比較，判斷這2個子模型的合理性，以期為更好地理解和應用FvCB模型提供參考。

1 材料與方法

1.1 模型簡介

1.1.1 電子傳遞速率對光的響應模型

當CO2濃度確定時，植物葉片的電子傳遞速率對光的響應模型[17]的具體表達式為：

(3)

式中，J為植物葉片的總電子傳遞速率；I為光照強度；αe為電子傳遞速率對光響應曲線的初始斜率；βe為光系統II(PSII)動力學下調系數，γe為飽和系數。利用式(3)，可得到植物葉片與Jmax相對應的飽和光強(PARsat)和最大電子傳遞速率(Jmax)，即

(4)

(5)

1.1.2 電子傳遞速率對CO2的響應模型

當光強確定時，植物葉片的電子傳遞速率對CO2的響應模型[18]為：

(6)

式中，Jec為植物葉片的總電子傳遞速率；Ci為胞間CO2濃度；αec為電子傳遞速率對CO2響應曲線的初始斜率；βec和γec為系數；J0為葉室CO2濃度等于0 μmol·mol-1(由于光呼吸和暗呼吸的正常進行，Ci不可能為0)時的電子傳遞速率，簡稱為零點電子傳遞速率。利用式(6)，可得到與Jec-max相對應的飽和CO2濃度(Cie-sat)和最大電子傳遞速率(Jmax)，即

(7)

(8)

1.1.3 光呼吸速率對光和CO2的響應模型

當CO2濃度確定時，植物葉片的光呼吸速率對光的響應模型[19]的具體表達式為：

(9)

式中，R1為植物葉片的光呼吸速率；αp為光呼吸速率對光響應曲線的初始斜率；βp和γp為兩個與光強無關的系數。由式(6)可以給出植物葉片的飽和光強(Ip-sat)和最大光呼吸速率(R1-max)，即：

(11)

當光強確定時，植物葉片的光呼吸速率(Rlc)對CO2響應模型[19]的具體表達式為：

(12)

式中，R1c為植物葉片的光呼吸速率；αpc為光呼吸速率對CO2響應曲線的初始斜率；βpc和γpc為兩個與CO2無關的系數；Rlc0為植物在葉室CO2等于0 μmol·mol-1時的光呼吸速率。由式(12)可以給出植物葉片的飽和CO2濃度(Cipc-sat)和最大光呼吸速率(R1c-max)，即

(13)

(14)

1.2 材料培養及數據測量

以小麥品種濟麥22為供試材料。小麥播種于2011年10月，大田常規管理。數據測量于2012年5月2至5月5日的晴天進行。小麥處于開花期。隨機選5～7株長勢較為一致的健壯植株，以其旗葉作為測量對象。此時所選葉片已完全展開，葉色深綠，葉形完整。

利用便攜式光合儀(LI-6400-40，LI-COR INC.，USA)于晴天的9:00-16:30進行數據測量。數據測量前進行開機檢查及預熱。采用開放式氣路，流速為400 μmol·s-1。根據預測量儀器中葉室溫度(Tblock)的動態變化，設定葉室溫度為33 ℃(大氣溫度為33 ℃左右)，空氣相對濕度控制在45%～70%；CO2濃度設置為380 μmol·mol-1，由內置CO2小鋼瓶提供，經校對后使用。在光合有效輻射強度(PAR)為2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50和0 μmol·m-2·s-1下同時測定小麥葉片的A-I曲線和J-I曲線。應用自動測量程序(FlrA-Icurve)進行數據測量。同時記錄葉片2%和21% O2濃度下的氣體交換、葉綠素熒光等參數。每次程序記錄最小等待時間為2 min，最大等待時間為3 min，數據記錄前儀器均自動進行參比室和樣品室之間的匹配。測完之后用Ye等[17]構建的光合電子傳遞速率對光的響應模型擬合J-I曲線，確定21% O2濃度條件下小麥的飽和光強(Isat)和Jmax。同時，用式(2)和式(3)擬合此時小麥的J-I曲線，得到其Jmax。

在確定小麥的Isat后，接著同時測量2%和21% O2濃度條件下小麥的的A-Ci曲線和J-Ci曲線。同樣地，在自然光下誘導1.5～2 h后，采用開放式氣路，設定葉室里的溫度為33 ℃(大氣溫度為33 ℃左右)，流速為400 μmol·s-1，葉室的空氣相對濕度控制在45%～70%，應用CO2注入系統提供不同的外界CO2梯度(Ca)：1 400、1 200、1 000、800、600、400、380、200、150、100、80、50和0 μmol·mol-1，應用LI-6400-40熒光探頭提供1 800 μmol·m-2·s-1的PAR，采用自動測量程序(FlrA-Cicurve)，同時記錄葉片2%和21% O2濃度下的氣體交換和葉綠素熒光等參數。自動測量時，每次記錄最小等待時間為2 min，最大等待時間為3 min，數據記錄之前儀器均自動進行參比室和樣品室之間的匹配。測完之后分別用式(1)擬合小麥的A-Ci曲線得到其Jmax，用式(2)和式(6)擬合其J-Ci曲線得到Jmax。用“Photosynthesis”軟件擬合小麥21% O2下A-Ci曲線得到Jmax。

此外，采用國內外常用的方法得到小麥的光呼吸速率[20-23]，即利用2%和21% O2濃度下的凈光合速率之差作為植物葉片的光呼吸速率。用式(9)擬合小麥葉片的光呼吸對光的響應曲線獲得小麥葉片的最大光呼吸速率(Rl-max)和對應的飽和光強(Il-sat)。用式(12)擬合小麥葉片的光呼吸對CO2的響應曲線獲得小麥葉片的最大光呼吸速率(Rlc-max)和對應的飽和胞間CO2濃度(Cilc-sat)。

1.3 數據處理

曲線均選取5個重復，取其平均值。應用SPSS18.5軟件對數據進行統計分析。利用單因素方差分析(one-way ANOVA)分析擬合得到的Jmax與觀測點之間的差異。作圖由Origin8.5軟件完成，然后用Adobe Illustrator CS 5進行圖形處理。用確定系數(R2)表示模型擬合與觀測點的符合程度。

2 結果與分析

2.1 光合作用和電子傳遞速率對光的響應

小麥葉片的凈光合速率先隨光強的增加而快速增大，在較高光強(>1 000 μmol·m-2·s-1)時凈光合速率隨光強的增加而緩慢上升，達到飽和光強(約為1 800 μmol·m-2·s-1)之后，凈光合速率隨光強增加而略有下降(圖1a)。在低光強處，小麥的電子傳遞速率對光的響應曲線與碳同化的光響應曲線相似，同樣在光強約為1 800 μmol·m-2·s-1時電子傳遞速率達到最大值，然后隨光強的增加而略有下降(圖1b)。

用式(2)擬合小麥的電子傳遞速率對光的響應曲線得到的Jmax為254.86 μmol·m-2·s-1，與觀測值(236.37 μmol·m-2·s-1)之間差異顯著(P<0.05)；由式(3)擬合同樣的數據得到的Jmax為233.07 μmol·m-2·s-1，與觀測值 (236.37 μmol·m-2·s-1)之間差異不顯著(P>0.05)。

Rd：暗呼吸速率。Rd:dark respiration.

2.2 光合作用和電子傳遞速率對CO2的響應

小麥凈光合速率(Aj)隨Ci的增大而逐漸增加，最后趨于平緩，達到飽和。由圖2a可知，21%O2濃度下，隨Ci的增大，Aj最初幾乎呈線性增加，說明光合作用受Rubisco 酶活性的限制；之后，隨Ci的增大，Aj的增加趨緩，說明光合作用受RuBP再生速率的限制；最后，隨Ci的增大，Aj達到飽和，說明光合作用受到磷酸丙糖轉運速率限制，其對應的飽和胞間CO2濃度約為1 046 μmol·mol-1。而電子傳遞速率對CO2的響應曲線與碳同化對CO2的響應曲線略有差異，在飽和胞間CO2濃度(約為780 μmol·mol-1)時電子傳遞速率達到最大值，此后隨CO2濃度的增加而下降(圖2b)。

Rp為光下呼吸速率(包括光呼吸和光下暗呼吸)。

Rpmeans respiration in the light(including photorespiration and dark respiration in the light).

圖2 21%O2條件下小麥葉片的光合作用和電子傳遞速率對CO2的響應曲線(n=5)

Fig.2 CO2-response of photosynthesis and electron transport rate for leaves of wheat at 21% O2(n=5).

由式(1)擬合小麥葉片的J-Ci曲線得到的Jmax值為260.58 μmol·m-2·s-1，經配對t檢驗，其與觀測值(298.05 μmol·m-2·s-1)之間存在顯著差異(P<0.05)。而由式(6)擬合同樣的J-Ci曲線得到的Jmax值為294.80 μmol·m-2·s-1)，與觀測值的數據高度符合(P>0.05)。此外，當葉室CO2濃度等于0 μmol·mol-1時，小麥的電子傳遞速率(J0)為92.73 μmol·m-2·s-1。

2.3 光呼吸速率對光和CO2的響應

由圖3可知，光呼吸速率對光的響應曲線與其對CO2的響應曲線差異較大。小麥的光呼吸速率隨著光強的升高而逐漸增大，且在本試驗設定的光強范圍內光呼吸速率尚沒有達到飽和(圖3a)；小麥的光呼吸速率則隨著CO2濃度的升高而增加，達到飽和后又較快下降(圖3b)。

通過利用式(9)和式(12)分別進行擬合，在光呼吸速率對光的響應中，小麥的最大光呼吸速率為14.85 μmol·m-2·s-1，對應的飽和光強約為2 000 μmol·m-2·s-1；在光呼吸速率對CO2的響應中，小麥的最大光呼吸速率為11.94 μmol·m-2·s-1，對應的飽和CO2濃度約為406 μmol·mol-1。

圖3 小麥葉片的光呼吸速率對光和CO2的響應曲線(n=5)

3 討 論

在光合作用對光的響應過程中，當CO2濃度保持不變的情況下，光合作用的原料CO2的供應是限制植物光合作用的主要因素。由圖1a的光合參數可知，此時小麥的最大凈光合速率(Amax)為28.59 μmol·m-2·s-1，飽和光強(Isat)為 1 808.44 μmol·m-2·s-1，光補償點(Ic)約為 45.85 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率(Rd)約為 3.14 μmol·m-2·s-1。由圖2a可知，此時小麥的Amax為66.18 μmol·m-2·s-1，飽和胞間CO2濃度(Ci-sat)約為1 046.59 μmol·mol-1，CO2補償點(I)為70.89 μmol·mol-1，光下呼吸速率約為7.79 μmol·m-2·s-1。后者的Amax(66.18 μmol·m-2·s-1)是前者Amax(28.59 μmol·m-2·s-1)的2.31倍；后者的Jmax(298.05 μmol·m-2·s-1)是前者的Jmax(236.37 μmol·m-2·s-1)的1.26倍。由此可見，植物光合作用對光和CO2的響應過程并不完全相同。

在FvCB模型中，估算Jmax時需要借助式(2)擬合植物葉片的電子傳遞速率對光的響應曲線(J-I)[2-3,12,15,24-25]。但本研究用式(2)擬合小麥J-I曲線得到的Jmax為254.86 μmol·m-2·s-1，與觀測值(236.37 μmol·m-2·s-1)之間存在顯著差異(P<0.05)。此外，從所測量的電子傳遞速率對CO2的響應曲線(J-Ci)可知，其Jmax為298.05 μmol·m-2·s-1，該值遠大于由式(2)擬合小麥的J-I曲線得到的Jmax(254.86 μmol·m-2·s-1)，且兩者之間存在顯著差異(P< 0.05)。這與Buckley等[15]研究的結果一致。所以，用式(2)擬合光合作用過程中的J-I響應曲線得到Jmax，然后把該值用于植物光合作用對CO2的響應，并討論RuBP再生速率限制過程是不合理的。

另一方面，在本研究中，當植物葉片的光合作用受RuBP再生速率限制時，利用式(1)擬合小麥的A-Ci曲線得到的Jmax為260.58 μmol·m-2·s-1，遠小于觀測值(298.05 μmol·m-2·s-1)。此外，已有的研究結果認為植物葉片光合作用受RuBP再生速率限制時的胞間CO2濃度為400～800 μmol·mol-1[1,25,27-29]。在本研究中，以小麥Ci等于738.01 μmol·mol-1(圖2a中的倒數第三個測量點)這個數據點為例，此時的凈光合速率為61.16 μmol·m-2·s-1，其對應的光呼吸速率為8.55 μmol·m-2·s-1，光下暗呼吸為1.25 μmol·m-2·s-1。如果同化一個碳最少需要4個光合電子，光呼吸釋放一個CO2分子需要8個光合電子[12]。在不考慮小麥其他路徑消耗光合電子的情況下，按照Long等[12]給出計算碳同化所需要的總光合電子流的公式(即Jt= 4(Aj+Rl+Rday)+8Rl，其中Jt為總的光合電子流)，小麥在該Ci處時至少需要的光合電子流為352.24 μmol·m-2·s-1，遠高于由RuBP再生速率限制子模型(式(1))給出的 260.58 μmol·m-2·s-1。即由式(1)擬合小麥的A-Ci曲線得到的Jmax尚不夠其僅僅同化碳所需要的光合電子數，這與測量數據符合。

總之，FvCB模型中的子模型——非直角雙曲線模型會高估小麥J-I曲線中的Jmax；而由FvCB模型中的子模型，估算的Jmax則小于觀測值，且估算的Jmax尚不能滿足碳同化所需要的最低量，其原因尚有待于進一步研究。然而，公式(3)和公式(6)可以很好地擬合小麥的J-I曲線和J-Ci曲線，且分別得到的Jmax與觀測值高度 符合。