康華靖，段世華，安 婷，葉子飄

(1.溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,浙江溫州 325006; 2.浙南作物育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325001；3.井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江西吉安 343009; 4.井岡山大學(xué)數(shù)理學(xué)院,江西吉安 343009)

在1980年，F(xiàn)arquhar、von Caemmerer、Berry以及其他學(xué)者根據(jù)核酮糖-1,5-雙磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)酶動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和核酮糖-1,5-雙磷酸(RuBP)再生反應(yīng)化學(xué)計(jì)量學(xué)，提出C3植物的光合生化模型(以下簡(jiǎn)稱FvCB模型)[1-4]。該模型可以模擬葉片內(nèi)部的光合生化反應(yīng)，并通過分析不同環(huán)境條件下的CO2響應(yīng)曲線獲得光合參數(shù)，預(yù)測(cè)葉片活體光合系統(tǒng)的內(nèi)在變化狀況，從而促進(jìn)了對(duì)植物光合生理機(jī)制的理解[4-6]。C3植物碳同化過程包括三個(gè)階段：(1)在Rubisco的催化下，RuBP與CO2發(fā)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(gè)TP中有1個(gè)輸出到細(xì)胞液中，用于蔗糖或者淀粉的合成，剩下的5個(gè)TP在ATP的作用下再生為3個(gè)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(gè)過程的子模型構(gòu)成。利用該模型擬合光合作用對(duì)CO2的響應(yīng)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(xì)胞導(dǎo)度(gm)等重要的生物化學(xué)參數(shù)[7-10]。然而，當(dāng)前尚沒有直接證據(jù)證明由FvCB模型得到的Vcmax、Vp和gm這3個(gè)隱性參數(shù)是否正確。另外，雖然Jmax和Rday是顯性參數(shù)，但在用FvCB模型擬合A-Ci曲線時(shí)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(shù)就只有Jmax。

在FvCB模型中估算C3植物葉片Jmax的子模型有2個(gè)，即當(dāng)光合作用受RuBP再生速率限制時(shí)的模型表達(dá)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(bǔ)償點(diǎn)(經(jīng)驗(yàn)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(gè)估算C3植物葉片Jmax的子模型是常用的非直角雙曲線經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚2]，即

(2)

式中，θ為光相應(yīng)光響應(yīng)曲線的曲率，α為光合電子傳遞速率對(duì)光響應(yīng)曲線的初始斜率，I為光照強(qiáng)度。

式(1)和式(2)均是FvCB模型的2個(gè)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(duì)光的響應(yīng)曲線(J-I曲線)將高估Jmax[15-16]。Buckley等[15]認(rèn)為其中的一個(gè)最好解決辦法是提出一個(gè)新的模型替代式(2)，且認(rèn)為即使提出了一個(gè)這樣的模型，也需要較長(zhǎng)時(shí)間被人們所接受。

在FvCB模型的實(shí)際應(yīng)用過程，要確定光合作用受RuBP再生速率限制時(shí)的Aj并估算J，就必須測(cè)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(cè)量植物葉片的J-I曲線。前者是在一定光強(qiáng)條件下(如1 800 μmol·m-2·s-1)測(cè)量?jī)艄夂纤俾蕦?duì)CO2的響應(yīng)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(duì)光的響應(yīng)曲線。前者是CO2濃度保持不變，變量是光照強(qiáng)度；后者是光強(qiáng)保持不變，變量是CO2濃度，因而這2個(gè)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(yīng)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(bào)道。此外，在飽和光強(qiáng)條件下測(cè)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(cè)值之間是否相同也鮮見報(bào)道。

針對(duì)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(cè)量系統(tǒng)(LI-6400-40，LI-COR INC.，USA)分別測(cè)量小麥在2%和21%O2濃度條件下的光合速率對(duì)光的響應(yīng)(A-I)和J-I曲線，用Ye等[17]構(gòu)建的模型確定其飽和光強(qiáng)，然后在飽和光強(qiáng)下分別測(cè)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(duì)CO2的響應(yīng)(J-Ci)曲線。具體研究目標(biāo)為:(i)用式(1)擬合小麥的A/Ci曲線得到相應(yīng)的Jmax，并與觀測(cè)值進(jìn)行比較；(ii)用式(2)擬合小麥的J-I曲線數(shù)據(jù)得到小麥的Jmax，并與觀測(cè)值進(jìn)行比較，判斷這2個(gè)子模型的合理性，以期為更好地理解和應(yīng)用FvCB模型提供參考。

1 材料與方法

1.1 模型簡(jiǎn)介

1.1.1 電子傳遞速率對(duì)光的響應(yīng)模型

當(dāng)CO2濃度確定時(shí)，植物葉片的電子傳遞速率對(duì)光的響應(yīng)模型[17]的具體表達(dá)式為：

(3)

式中，J為植物葉片的總電子傳遞速率；I為光照強(qiáng)度；αe為電子傳遞速率對(duì)光響應(yīng)曲線的初始斜率；βe為光系統(tǒng)II(PSII)動(dòng)力學(xué)下調(diào)系數(shù)，γe為飽和系數(shù)。利用式(3)，可得到植物葉片與Jmax相對(duì)應(yīng)的飽和光強(qiáng)(PARsat)和最大電子傳遞速率(Jmax)，即

(4)

(5)

1.1.2 電子傳遞速率對(duì)CO2的響應(yīng)模型

當(dāng)光強(qiáng)確定時(shí)，植物葉片的電子傳遞速率對(duì)CO2的響應(yīng)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(duì)CO2響應(yīng)曲線的初始斜率；βec和γec為系數(shù)；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(jìn)行，Ci不可能為0)時(shí)的電子傳遞速率，簡(jiǎn)稱為零點(diǎn)電子傳遞速率。利用式(6)，可得到與Jec-max相對(duì)應(yīng)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(duì)光和CO2的響應(yīng)模型

當(dāng)CO2濃度確定時(shí)，植物葉片的光呼吸速率對(duì)光的響應(yīng)模型[19]的具體表達(dá)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(duì)光響應(yīng)曲線的初始斜率；βp和γp為兩個(gè)與光強(qiáng)無關(guān)的系數(shù)。由式(6)可以給出植物葉片的飽和光強(qiáng)(Ip-sat)和最大光呼吸速率(R1-max)，即：

(11)

當(dāng)光強(qiáng)確定時(shí)，植物葉片的光呼吸速率(Rlc)對(duì)CO2響應(yīng)模型[19]的具體表達(dá)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(duì)CO2響應(yīng)曲線的初始斜率；βpc和γpc為兩個(gè)與CO2無關(guān)的系數(shù)；Rlc0為植物在葉室CO2等于0 μmol·mol-1時(shí)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(yǎng)及數(shù)據(jù)測(cè)量

以小麥品種濟(jì)麥22為供試材料。小麥播種于2011年10月，大田常規(guī)管理。數(shù)據(jù)測(cè)量于2012年5月2至5月5日的晴天進(jìn)行。小麥處于開花期。隨機(jī)選5～7株長(zhǎng)勢(shì)較為一致的健壯植株，以其旗葉作為測(cè)量對(duì)象。此時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。數(shù)據(jù)測(cè)量前進(jìn)行開機(jī)檢查及預(yù)熱。采用開放式氣路，流速為400 μmol·s-1。根據(jù)預(yù)測(cè)量?jī)x器中葉室溫度(Tblock)的動(dòng)態(tài)變化，設(shè)定葉室溫度為33 ℃(大氣溫度為33 ℃左右)，空氣相對(duì)濕度控制在45%～70%；CO2濃度設(shè)置為380 μmol·mol-1，由內(nèi)置CO2小鋼瓶提供，經(jīng)校對(duì)后使用。在光合有效輻射強(qiáng)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(shí)測(cè)定小麥葉片的A-I曲線和J-I曲線。應(yīng)用自動(dòng)測(cè)量程序(FlrA-Icurve)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。同時(shí)記錄葉片2%和21% O2濃度下的氣體交換、葉綠素?zé)晒獾葏?shù)。每次程序記錄最小等待時(shí)間為2 min，最大等待時(shí)間為3 min，數(shù)據(jù)記錄前儀器均自動(dòng)進(jìn)行參比室和樣品室之間的匹配。測(cè)完之后用Ye等[17]構(gòu)建的光合電子傳遞速率對(duì)光的響應(yīng)模型擬合J-I曲線，確定21% O2濃度條件下小麥的飽和光強(qiáng)(Isat)和Jmax。同時(shí)，用式(2)和式(3)擬合此時(shí)小麥的J-I曲線，得到其Jmax。

在確定小麥的Isat后，接著同時(shí)測(cè)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(dǎo)1.5～2 h后，采用開放式氣路，設(shè)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(duì)濕度控制在45%～70%，應(yīng)用CO2注入系統(tǒng)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(yīng)用LI-6400-40熒光探頭提供1 800 μmol·m-2·s-1的PAR，采用自動(dòng)測(cè)量程序(FlrA-Cicurve)，同時(shí)記錄葉片2%和21% O2濃度下的氣體交換和葉綠素?zé)晒獾葏?shù)。自動(dòng)測(cè)量時(shí)，每次記錄最小等待時(shí)間為2 min，最大等待時(shí)間為3 min，數(shù)據(jù)記錄之前儀器均自動(dòng)進(jìn)行參比室和樣品室之間的匹配。測(cè)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(nèi)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(duì)光的響應(yīng)曲線獲得小麥葉片的最大光呼吸速率(Rl-max)和對(duì)應(yīng)的飽和光強(qiáng)(Il-sat)。用式(12)擬合小麥葉片的光呼吸對(duì)CO2的響應(yīng)曲線獲得小麥葉片的最大光呼吸速率(Rlc-max)和對(duì)應(yīng)的飽和胞間CO2濃度(Cilc-sat)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

曲線均選取5個(gè)重復(fù)，取其平均值。應(yīng)用SPSS18.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(cè)點(diǎn)之間的差異。作圖由Origin8.5軟件完成，然后用Adobe Illustrator CS 5進(jìn)行圖形處理。用確定系數(shù)(R2)表示模型擬合與觀測(cè)點(diǎn)的符合程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合作用和電子傳遞速率對(duì)光的響應(yīng)

小麥葉片的凈光合速率先隨光強(qiáng)的增加而快速增大，在較高光強(qiáng)(>1 000 μmol·m-2·s-1)時(shí)凈光合速率隨光強(qiáng)的增加而緩慢上升，達(dá)到飽和光強(qiáng)(約為1 800 μmol·m-2·s-1)之后，凈光合速率隨光強(qiáng)增加而略有下降(圖1a)。在低光強(qiáng)處，小麥的電子傳遞速率對(duì)光的響應(yīng)曲線與碳同化的光響應(yīng)曲線相似，同樣在光強(qiáng)約為1 800 μmol·m-2·s-1時(shí)電子傳遞速率達(dá)到最大值，然后隨光強(qiáng)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(duì)光的響應(yīng)曲線得到的Jmax為254.86 μmol·m-2·s-1，與觀測(cè)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(shù)據(jù)得到的Jmax為233.07 μmol·m-2·s-1，與觀測(cè)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(duì)CO2的響應(yīng)

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(dá)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(dá)到飽和，說明光合作用受到磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)速率限制，其對(duì)應(yīng)的飽和胞間CO2濃度約為1 046 μmol·mol-1。而電子傳遞速率對(duì)CO2的響應(yīng)曲線與碳同化對(duì)CO2的響應(yīng)曲線略有差異，在飽和胞間CO2濃度(約為780 μmol·mol-1)時(shí)電子傳遞速率達(dá)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(duì)CO2的響應(yīng)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(jīng)配對(duì)t檢驗(yàn)，其與觀測(cè)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(cè)值的數(shù)據(jù)高度符合(P>0.05)。此外，當(dāng)葉室CO2濃度等于0 μmol·mol-1時(shí)，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(duì)光和CO2的響應(yīng)

由圖3可知，光呼吸速率對(duì)光的響應(yīng)曲線與其對(duì)CO2的響應(yīng)曲線差異較大。小麥的光呼吸速率隨著光強(qiáng)的升高而逐漸增大，且在本試驗(yàn)設(shè)定的光強(qiáng)范圍內(nèi)光呼吸速率尚沒有達(dá)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(dá)到飽和后又較快下降(圖3b)。

通過利用式(9)和式(12)分別進(jìn)行擬合，在光呼吸速率對(duì)光的響應(yīng)中，小麥的最大光呼吸速率為14.85 μmol·m-2·s-1，對(duì)應(yīng)的飽和光強(qiáng)約為2 000 μmol·m-2·s-1；在光呼吸速率對(duì)CO2的響應(yīng)中，小麥的最大光呼吸速率為11.94 μmol·m-2·s-1，對(duì)應(yīng)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(duì)光和CO2的響應(yīng)曲線(n=5)

3 討 論

在光合作用對(duì)光的響應(yīng)過程中，當(dāng)CO2濃度保持不變的情況下，光合作用的原料CO2的供應(yīng)是限制植物光合作用的主要因素。由圖1a的光合參數(shù)可知，此時(shí)小麥的最大凈光合速率(Amax)為28.59 μmol·m-2·s-1，飽和光強(qiáng)(Isat)為 1 808.44 μmol·m-2·s-1，光補(bǔ)償點(diǎn)(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(shí)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(bǔ)償點(diǎn)(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(duì)光和CO2的響應(yīng)過程并不完全相同。

在FvCB模型中，估算Jmax時(shí)需要借助式(2)擬合植物葉片的電子傳遞速率對(duì)光的響應(yīng)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(cè)值(236.37 μmol·m-2·s-1)之間存在顯著差異(P<0.05)。此外，從所測(cè)量的電子傳遞速率對(duì)CO2的響應(yīng)曲線(J-Ci)可知，其Jmax為298.05 μmol·m-2·s-1，該值遠(yuǎn)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(jié)果一致。所以，用式(2)擬合光合作用過程中的J-I響應(yīng)曲線得到Jmax，然后把該值用于植物光合作用對(duì)CO2的響應(yīng)，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(dāng)植物葉片的光合作用受RuBP再生速率限制時(shí)，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(yuǎn)小于觀測(cè)值(298.05 μmol·m-2·s-1)。此外，已有的研究結(jié)果認(rèn)為植物葉片光合作用受RuBP再生速率限制時(shí)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(shù)第三個(gè)測(cè)量點(diǎn))這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為例，此時(shí)的凈光合速率為61.16 μmol·m-2·s-1，其對(duì)應(yīng)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(gè)碳最少需要4個(gè)光合電子，光呼吸釋放一個(gè)CO2分子需要8個(gè)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(jì)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(shí)至少需要的光合電子流為352.24 μmol·m-2·s-1，遠(yuǎn)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(shù)，這與測(cè)量數(shù)據(jù)符合。

總之，F(xiàn)vCB模型中的子模型——非直角雙曲線模型會(huì)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(cè)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(jìn)一步研究。然而，公式(3)和公式(6)可以很好地?cái)M合小麥的J-I曲線和J-Ci曲線，且分別得到的Jmax與觀測(cè)值高度 符合。