大气CO2 浓度升高对大豆光合生理的影响

大气CO2 浓度升高对大豆光合生理的影响

全球大气CO2浓度日益升高，IPCC（Intergovermental Panel on Climate Change）第4次评估报告（IPCCAR4）指出，目前全球大气CO2浓度已从18世纪60年代的280 μmol/mol上升到379 μmol/mol，预计到21世纪中叶全球大气CO2浓度将达到约550 μmol/mol[1]。大气中的CO2作为植物进行光合作用的原料，CO2浓度的变化将会直接影响到绿色植物的光合生理生化过程[2-4]，对C3植物光合作用的影响尤其明显[5]。所以，人们非常关注大气CO2浓度升高对C3植物光合作用的影响。光合特性是作物的重要参数，叶绿素荧光、光合作用、能量转换和热量耗散三者源于同一激发态，因此，叶绿素荧光动力学技术被称为是测定叶片光合功能快速、灵敏和无损伤的探针[6-10]。大豆（Glycine max（Linn.）Merr.）原产于我国，全国各地均有栽培，以东北最为著名，亦广泛栽培于世界各地，是世界第四大作物，是我国重要粮食作物之一，已有5 000 a的栽培历史，其通常被认为是由（豆劳）豆Glycine soja Sieb.et Zucc.驯化而来，现知约有1 000个栽培品种[11]。全球大气CO2浓度日益升高将如何影响大豆生长发育有待深入研究。

本研究在开顶式气室（Open top chamber）对山农早4号大豆进行了相关试验，分析大气CO2浓度升高对大豆光合作用和叶绿素荧光动力学参数的影响，旨在为大豆生产应对未来大气CO2浓度升高的响应机制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试大豆品种为山农早4号，由中国农业科学院作物科学研究所培育。

1.2 设施构成与系统控制

整个系统主要由控制系统和2个开顶式气室（Open top chamber，OTC）组成。气室结构为钢结构，外罩塑料薄膜，面积为4 m×4 m，高3.5 m，顶部开放面积4.0 m×1.5 m。2个气室大小面积均一致。为控制系统通过气室内的CO2传感器采集室内的CO2浓度，并将此数据传输到主控电脑，按照控制程序控制各气室的电磁阀的开闭，将对照气室和处理气室的CO2浓度控制在目标浓度[12]。对照气室的CO2浓度与外界CO2浓度一致（360～400μmol/mol），处理气室目标浓度为对照气室的CO2浓度＋200 μmol/mol，实际控制误差为±30 μmol/mol，系统还进行空气湿度和土壤湿度的监测。

1.3 试验设计

试验在山西农业大学试验基地进行。该地位于山西省晋中市太谷县（37.42°N，112.58°E）。本试验为盆栽裂区试验，CO2为主处理，分别为当前大气CO2浓度（CK）和高CO2浓度（CK＋200 μmol/mol）（ECO2）2个水平。供试土壤为褐潮土，播前有机质含量2.37%，全N含量1.12g/kg，速效N含量45.28mg/kg，速效P含量25.65 mg/kg，速效K含量280.5 mg/kg，装箱前过筛并混匀。大豆播种于长×宽×高为55 cm×40 cm×35 cm的塑料整理箱中，箱底部打5个孔用于排水，箱内装土28cm深。每箱种8穴，每穴播3粒种子，长出后每穴留苗1株。8次重复,一箱8株，共16箱。定期浇水，保证无干旱胁迫。

1.4 生育时期确定

2013年6月13日，大豆播种；2013年10月8日，大豆收获，全生育时期118 d。各生育时期标准：开花期，当大豆全田50%植株开出白色小花，播种后36 d。鼓粒期，当大豆全田50%植株鼓荚，播种后74 d。2013年大豆生长季月平均温度为22.4℃。

1.5 测定内容及方法

1.5.1 光合作用的测定在大豆主要的生育时期开花期和鼓粒期，每个处理选取有代表性的大豆植株8株（每箱随机选1株），每株选取倒数第1片完全展开的叶片（中间复叶）。用便携式光合气体分析系统（Li 6400，Li-CorInc，Lincoln NE，USA）进行光合生理的测定，其中包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr），然后通过公式（WUE＝Pn/Tr）计算出水分利用效率（WUE）。测定时间为9：00—11：30。

高CO2浓度气室内大豆叶片叶室大气CO2浓度设定在600 μmol/mol，对照气室内大豆叶片叶室大气CO2浓度设定在400 μmol/mol。测定时使用光合仪的内置红蓝光源，光量子通量密度（PPFD）为1 400 μmol/（m2·s），叶室温度设定在28℃[13]。

1.5.2 叶绿素荧光参数的测定在大豆主要的生育时期开花期和鼓粒期，每个小区分别选取有代表性的大豆植株6株，测定倒数第1片完全展开的叶片。将便携式光合气体分析系统（Li 6400，Li-Cor Inc，Lincoln NE，USA）换为叶绿素荧光叶室后测定叶绿素荧光参数，8：00—12：00测定光反应并做好标记，用锡纸对做好标记的叶片进行暗处理30～60 min，然后测定暗反应（光反应和暗反应均使用选好的6株大豆叶片进行测定）。测定参数包括叶绿素初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、光下最小荧光（F'o）、光下最大荧光（F'm），并计算Fv/Fm，ΦPSⅡ，qP和NPQ等叶绿素荧光参数[14]。

1.6 数据处理

研究全部数据的整理及图表的绘制均用Excel完成，采用SPSS软件中的方差分析法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 大气CO2浓度升高对大豆叶片净光合速率的影响

由图1可知，开花期，大气CO2浓度升高对大豆净光合速率没有显著影响；鼓粒期，大气CO2浓度升高使大豆净光合速率显著增加11.25%。

2.2 大气CO2浓度升高对大豆叶片气孔导度的影响由图2可知，开花期，大气CO2浓度升高使大豆气孔导度下降38.12%，与对照间差异达到极显著水平；鼓粒期，大气CO2浓度升高对大豆气孔导度无显著影响。

2.3 大气CO2浓度升高对大豆叶片蒸腾速率的影响

从图3可以看出，开花期，大气CO2浓度升高使大豆蒸腾速率减少40.1%，与对照间差异达极显著水平；鼓粒期，大气CO2浓度升高对大豆蒸腾速率无显著影响。

2.4 大气CO2浓度升高对大豆水分利用效率的影响

从图4可以看出，开花期，大气CO2浓度升高使大豆水分利用率增加50.77%，与对照间差异达显著水平；鼓粒期，大气CO2浓度升高使大豆水分利用率增加11.84%，与对照间差异达显著水平。

2.5 大气CO2浓度升高对大豆叶片叶绿素荧光参数的影响

从表1可以看出，开花期，大气CO2浓度升高，大豆叶片光系统Ⅱ最大光化学量子产量（Fv/Fm）、光系统Ⅱ实际光化学量子产量（ΦPSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（NPQ）均无显著变化；在鼓粒期，大豆叶片光系统Ⅱ最大光化学量子产量（Fv/Fm）平均比对照显著降低了7.70%，光化学淬灭系数（qP）平均比对照显著增加了23.75%，非光化学淬灭系数（NPQ）平均比对照显著降低了20.70%，光系统Ⅱ实际光化学量子产量（ΦPSⅡ）显著增加7.50%。

表1 CO2浓度升高对大豆叶片荧光参数的影响

3 结论与讨论

大气CO2是植物进行光合作用的原材料，植物三大生理过程（光合作用、呼吸作用和蒸腾作用）都受到CO2浓度升高的影响[15-16]。大气CO2浓度升高能够从2个方面对C3植物的光合作用产生影响，一是因为外界大气CO2浓度升高，使得叶绿体基质中CO2对Rubisco酶结合位点的竞争增加，从而提高了羧化速度；二是大气CO2浓度升高会在一定程度上抑制植物的光呼吸，从而提高净光合效率[17]。许多学者已对大豆和棉花进行了深入细致的研究，为大气CO2浓度升高必然有利于光合作用，使植物的光合速率提高这一结论提供了一定的数据支撑[18-22]。大气CO2浓度的升高也会影响到植物叶片的气孔运动，低浓度大气CO2会促进气孔张开，高浓度的CO2能够使气孔迅速关闭[23]。大气CO2浓度升高后植物叶片的气孔导度平均下降22%[24]。气孔关闭后植物蒸腾作用将减少20%～27%[25-26]。由于蒸腾速率和净光合速率增加，植物水分利用效率将升高[27-28]。研究表明，短时间增加大气CO2浓度，植物的光合作用会因种类的不同而出现不同的响应，即使是同一植物，在不同生长发育阶段，光合作用对CO2的响应也存在一定的差异[29]。

本研究发现，当CO2浓度升高后，大豆叶片的气孔导度和蒸腾速率均下降，且在开花期达到极显著水平，这是因为高浓度CO2会降低植物叶片气孔的开张度，使气孔导度降低，阻力增大，甚至部分气孔关闭，因而蒸腾速率减小[30]。当大气CO2浓度升高后，净光合速率在鼓粒期相比开花期增长幅度更大，即出现了长期高CO2环境下的光合适应现象。其可能是由于随着大气CO2浓度的增加，光合速率提高使光合产物合成超过植物运输和利用能力时，其源库关系发生变化，造成光合产物的反馈抑制[31]。当大气CO2浓度升高后，水分利用效率在整个生育期均显著增加。这与其他作物的研究基本一致[28，32-34]。这是由于高浓度CO2增加了叶片净光合速率并降低了蒸腾速率的共同结果[35]。气孔导度的下降会减少作物水分的消耗，提高水分利用率，减轻土壤水分胁迫的不利影响，这可能会提高大豆的抗旱能力[36]。

叶绿素荧光与光合作用中各反应过程密切相关，任何环境因子对植物光合作用的影响都可以通过叶片叶绿素荧光动力学反映出来[37]，PSⅡ是植物光合作用受到抑制最初影响的位点，所以，PSⅡ的响应机制被认为是植株光合作用适应环境最重要的生存策略。光合速率下降必然会影响植物对光能的吸收、传递和转化，最主要的表现是光化学活性下降，即引起荧光参数的变化[38-40]。

光系统Ⅱ最大光化学量子产量（Fv/Fm）是研究作物光合及逆境胁迫应用最多的一个指标，它反映了植物潜在的最大光合能力,即植物对光能的利用效率，是反映在各种胁迫下植物光合作用受抑制程度的理想指标[41]。本试验结果表明，CO2浓度升高后大豆叶片的Fv/Fm在开花期时无显著变化，鼓粒期平均比对照显著降低7.70%。光系统Ⅱ的实际量子产量（ΦPSⅡ）反映了被用于光化学途径激发能占进入光系统Ⅱ总激发能的比例，是植物光合能力的一个重要指标。本研究发现，大气CO2浓度升高后，大豆叶片ΦPSⅡ在开花期无显著变化，鼓粒期增加7.50%。光化学淬灭系数（qP）反映PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学反应电子传递的份额，也在一定程度上反映了PSⅡ反应中心的开放程度，其高低能反映出电子传递活性的大小。非光化学淬灭系数（NPQ）反映的是光系统Ⅱ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热量的形式耗散出去的光能部分[42]，当光系统Ⅱ反应中心天线色素吸收了过量的光能时，如不能及时地耗散将对光合机构造成破坏，所以非光化学淬灭是一种自我保护机制，对光合机构起一定的保护作用[41]。本试验结果表明，大气CO2浓度升高后，大豆叶片qP在开花期和鼓粒期均显著增长，NPQ开花期无显著变化，鼓粒期呈现下降。证明大气CO2浓度升高后只是减少了用于光化学电子传递的比例，热耗散增多，原因可能是由于光系统Ⅱ反应中心受到破坏。

综上所述，大气CO2浓度升高后，大豆净光合速率增加，气孔导度和蒸腾速率下降，水分利用效率提高。大气CO2浓度升高有利于积累更多的有机物，有助于大豆生物量和产量的提高，气孔导度下降使作物蒸腾作用减弱，有利于作物水分利用效率的提高，水分利用率的增高可减少土壤水分对作物的胁迫作用，有助于增强大豆的抗旱性。

大气CO2浓度升高后，开花期，大豆叶片NPQ，Fv/Fm，ΦPSⅡ无显著变化，qP呈现增加趋势；鼓粒期，NPQ显著降低，qP显著增强，说明CO2浓度升高后，大豆的光合能力增强。鼓粒期Fv/Fm呈下降趋势，可能此时遭到某种胁迫或损伤，叶片光系统Ⅱ潜在活性受到抑制。综合分析，高浓度CO2对大豆叶片叶绿素荧光参数的影响因生育期不同而有所差异，结合2个时期数据看出，高CO2浓度可能会减弱大豆叶片光系统Ⅱ的活性，抑制光化学反应，尤其对生长后期的影响较大，原因可能是由于后期叶片衰老，产生光适应，其还有待今后继续深入研究和探讨。

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张仟雨，宗毓铮，董琦，胡晓雪，郝兴宇

（山西农业大学农学院，山西太谷030801）

绿色植物进行光合作用离不开CO2，其浓度的高低对植物的生长发育会产生一定的影响。大豆是我国及世界主要的粮食作物之一，开展大气CO2浓度升高对大豆影响的研究，将为CO2浓度升高条件下，大豆生产如何响应高浓度CO2提供理论依据。利用开顶式气室（OTC）进行了CO2浓度升高对大豆主要发育期叶片光合及叶绿素荧光影响的研究。结果表明，大气CO2浓度升高使大豆净光合速率增加，气孔导度和蒸腾速率均下降，水分利用效率增加。大气CO2浓度升高对大豆的叶绿素荧光参数的影响因生育期不同而有所差异，开花期，大豆叶片光系统Ⅱ最大光化学量子产量（Fv/Fm）、光系统Ⅱ实际光化学量子产量（ΦPSⅡ）、非光化学淬灭系数（NPQ）和光化学淬灭系统（qP）均无显著变化；在鼓粒期，大豆叶片光系统Ⅱ最大光化学量子产量（Fv/Fm）和非光化学淬灭系数（NPQ）均比对照明显降低，光系统Ⅱ实际光化学量子产量（ΦPSⅡ）和光化学淬灭系数（qP）均比对照显著增加。

CO2浓度升高；大豆；光合作用；叶绿素荧光参数

Effects of Elevated Atmospheric CO2Concentration on Soybean Photosynthesis

ZHANGQianyu，ZONGYuzheng，DONGQi，HUXiaoxue，HAOXingyu
（College ofAgronomy，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

CO2concentration has important impact on the growth and development of plants.Soybean is one of China's and the world's major food crops.The student of elevated atmospheric CO2concentration effect on soybean will provide the theoretical basis for the soybean production in future high CO2concentrations.In this study,open top chambers（OTC）was used to study elevated atmospheric CO2concentration effect on soybean leaf photosynthesis and chlorophy Ⅱ fluorescence.The results showed that elevated atmospheric CO2concentration increased net photosynthetic rate and water use efficiency,decreased stomatal conductance and transpiration rate.At flowering stage,soybean leaves photosystem II maximum quantum yield（Fv/Fm）,actual photosystem II quantum yield（ΦPSⅡ）;the non-photochemical quenching（NPQ）and photochemical quenching（qP）had no significant change at elevated atmospheric CO2concentration.At seed filling stage,elevated atmospheric CO2concentration decreased Fv/Fm,NPQ,but ΦPSⅡ and qP increased.

elevated atmospheric CO2concentration;soybean;photosynthesis;chlorophyll fluorescence parameters

S162.5＋3

A

1002-2481（2016）11-1675-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.23

2016-06-22

国家“973”计划课题（2012CB955904）；国家科技支撑计划项目（2013BAD11B03-8）；现代农业产业技术体系建设专项经费（CARS-03-01-24）；农业部公益性行业专项（201303104）；山西省科技攻关项目（20150311006-2）

张仟雨（1992-），女，山西柳林人，在读硕士，研究方向：植物生理生态。郝兴宇为通信作者。