基于FvCB模型估算小麦的最大电子传递速率

康华靖，段世华，安 婷，叶子飘

(1.温州市农业科学研究院,浙江温州 325006; 2.浙南作物育种重点实验室，浙江温州 325001；3.井冈山大学生命科学学院,江西吉安 343009; 4.井冈山大学数理学院,江西吉安 343009)

在1980年，Farquhar、von Caemmerer、Berry以及其他学者根据核酮糖-1,5-双磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)酶动力学反应和核酮糖-1,5-双磷酸(RuBP)再生反应化学计量学，提出C3植物的光合生化模型(以下简称FvCB模型)[1-4]。该模型可以模拟叶片内部的光合生化反应，并通过分析不同环境条件下的CO2响应曲线获得光合参数，预测叶片活体光合系统的内在变化状况，从而促进了对植物光合生理机制的理解[4-6]。C3植物碳同化过程包括三个阶段：(1)在Rubisco的催化下，RuBP与CO2发生羧化作用，生成3-磷酸甘油酸(PGA)；(2)在腺苷三磷酸(ATP)和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的作用下，PGA被还原成磷酸丙糖(TP)；(3)每6个TP中有1个输出到细胞液中，用于蔗糖或者淀粉的合成，剩下的5个TP在ATP的作用下再生为3个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，并且释放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个过程的子模型构成。利用该模型拟合光合作用对CO2的响应曲线(A-Ci曲线)就可以估算植物的最大羧化速率(Vcmax)、最大电子传递速率(Jmax)、TP利用速率(Vp)、光下暗呼吸速率(Rday)、叶肉细胞导度(gm)等重要的生物化学参数[7-10]。然而，当前尚没有直接证据证明由FvCB模型得到的Vcmax、Vp和gm这3个隐性参数是否正确。另外，虽然Jmax和Rday是显性参数，但在用FvCB模型拟合A-Ci曲线时假定Rday= 0.001Vcmax[2]，因而通过这种方式获得的Rday具有较大的不确定性。由此可见，能直接证明FvCB模型是否合理的唯一参数就只有Jmax。

在FvCB模型中估算C3植物叶片Jmax的子模型有2个，即当光合作用受RuBP再生速率限制时的模型表达式为：

(1)

式中，Aj为净光合速率，Γ*为缺乏暗呼吸的叶绿体CO2补偿点(经验值为3.743 Pa)[8]，Ci为胞间CO2浓度，Rday为光下暗呼吸速率。

另一个估算C3植物叶片Jmax的子模型是常用的非直角双曲线经验模型[2]，即

(2)

式中，θ为光相应光响应曲线的曲率，α为光合电子传递速率对光响应曲线的初始斜率，I为光照强度。

式(1)和式(2)均是FvCB模型的2个主要子模型[6,11-14]。然而，研究表明，由式(2)拟合植物叶片的光合电子传递速率对光的响应曲线(J-I曲线)将高估Jmax[15-16]。Buckley等[15]认为其中的一个最好解决办法是提出一个新的模型替代式(2)，且认为即使提出了一个这样的模型，也需要较长时间被人们所接受。

在FvCB模型的实际应用过程，要确定光合作用受RuBP再生速率限制时的Aj并估算J，就必须测量植物叶片的A-Ci曲线，并用式(1)拟合这些曲线；而要用式(2)估算Jmax就必须测量植物叶片的J-I曲线。前者是在一定光强条件下(如1 800 μmol·m-2·s-1)测量净光合速率对CO2的响应曲线；后者是在一定CO2浓度条件下(如400 μmol·mol-1)电子传递速率对光的响应曲线。前者是CO2浓度保持不变，变量是光照强度；后者是光强保持不变，变量是CO2浓度，因而这2个光合过程并不完全相同的。因此，由式(1)和式(2)分别拟合相应的A-Ci曲线和J-I曲线确定植物叶片的Jmax是否合理尚不清楚，也未见报道。此外，在饱和光强条件下测量植物的A-Ci曲线，且由式(1)拟合这些A-Ci曲线得到的Jmax与观测值之间是否相同也鲜见报道。

针对以上的问题，本研究以小麦(TriticumaestivumL.)为供试材料，利用便携式光合作用-荧光测量系统(LI-6400-40，LI-COR INC.，USA)分别测量小麦在2%和21%O2浓度条件下的光合速率对光的响应(A-I)和J-I曲线，用Ye等[17]构建的模型确定其饱和光强，然后在饱和光强下分别测量小麦在2%和21% O2浓度条件下的A-Ci曲线和光合电子传递对CO2的响应(J-Ci)曲线。具体研究目标为:(i)用式(1)拟合小麦的A/Ci曲线得到相应的Jmax，并与观测值进行比较；(ii)用式(2)拟合小麦的J-I曲线数据得到小麦的Jmax，并与观测值进行比较，判断这2个子模型的合理性，以期为更好地理解和应用FvCB模型提供参考。

1 材料与方法

1.1 模型简介

1.1.1 电子传递速率对光的响应模型

当CO2浓度确定时，植物叶片的电子传递速率对光的响应模型[17]的具体表达式为：

(3)

式中，J为植物叶片的总电子传递速率；I为光照强度；αe为电子传递速率对光响应曲线的初始斜率；βe为光系统II(PSII)动力学下调系数，γe为饱和系数。利用式(3)，可得到植物叶片与Jmax相对应的饱和光强(PARsat)和最大电子传递速率(Jmax)，即

(4)

(5)

1.1.2 电子传递速率对CO2的响应模型

当光强确定时，植物叶片的电子传递速率对CO2的响应模型[18]为：

(6)

式中，Jec为植物叶片的总电子传递速率；Ci为胞间CO2浓度；αec为电子传递速率对CO2响应曲线的初始斜率；βec和γec为系数；J0为叶室CO2浓度等于0 μmol·mol-1(由于光呼吸和暗呼吸的正常进行，Ci不可能为0)时的电子传递速率，简称为零点电子传递速率。利用式(6)，可得到与Jec-max相对应的饱和CO2浓度(Cie-sat)和最大电子传递速率(Jmax)，即

(7)

(8)

1.1.3 光呼吸速率对光和CO2的响应模型

当CO2浓度确定时，植物叶片的光呼吸速率对光的响应模型[19]的具体表达式为：

(9)

式中，R1为植物叶片的光呼吸速率；αp为光呼吸速率对光响应曲线的初始斜率；βp和γp为两个与光强无关的系数。由式(6)可以给出植物叶片的饱和光强(Ip-sat)和最大光呼吸速率(R1-max)，即：

(11)

当光强确定时，植物叶片的光呼吸速率(Rlc)对CO2响应模型[19]的具体表达式为：

(12)

式中，R1c为植物叶片的光呼吸速率；αpc为光呼吸速率对CO2响应曲线的初始斜率；βpc和γpc为两个与CO2无关的系数；Rlc0为植物在叶室CO2等于0 μmol·mol-1时的光呼吸速率。由式(12)可以给出植物叶片的饱和CO2浓度(Cipc-sat)和最大光呼吸速率(R1c-max)，即

(13)

(14)

1.2 材料培养及数据测量

以小麦品种济麦22为供试材料。小麦播种于2011年10月，大田常规管理。数据测量于2012年5月2至5月5日的晴天进行。小麦处于开花期。随机选5～7株长势较为一致的健壮植株，以其旗叶作为测量对象。此时所选叶片已完全展开，叶色深绿，叶形完整。

利用便携式光合仪(LI-6400-40，LI-COR INC.，USA)于晴天的9:00-16:30进行数据测量。数据测量前进行开机检查及预热。采用开放式气路，流速为400 μmol·s-1。根据预测量仪器中叶室温度(Tblock)的动态变化，设定叶室温度为33 ℃(大气温度为33 ℃左右)，空气相对湿度控制在45%～70%；CO2浓度设置为380 μmol·mol-1，由内置CO2小钢瓶提供，经校对后使用。在光合有效辐射强度(PAR)为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下同时测定小麦叶片的A-I曲线和J-I曲线。应用自动测量程序(FlrA-Icurve)进行数据测量。同时记录叶片2%和21% O2浓度下的气体交换、叶绿素荧光等参数。每次程序记录最小等待时间为2 min，最大等待时间为3 min，数据记录前仪器均自动进行参比室和样品室之间的匹配。测完之后用Ye等[17]构建的光合电子传递速率对光的响应模型拟合J-I曲线，确定21% O2浓度条件下小麦的饱和光强(Isat)和Jmax。同时，用式(2)和式(3)拟合此时小麦的J-I曲线，得到其Jmax。

在确定小麦的Isat后，接着同时测量2%和21% O2浓度条件下小麦的的A-Ci曲线和J-Ci曲线。同样地，在自然光下诱导1.5～2 h后，采用开放式气路，设定叶室里的温度为33 ℃(大气温度为33 ℃左右)，流速为400 μmol·s-1，叶室的空气相对湿度控制在45%～70%，应用CO2注入系统提供不同的外界CO2梯度(Ca)：1 400、1 200、1 000、800、600、400、380、200、150、100、80、50和0 μmol·mol-1，应用LI-6400-40荧光探头提供1 800 μmol·m-2·s-1的PAR，采用自动测量程序(FlrA-Cicurve)，同时记录叶片2%和21% O2浓度下的气体交换和叶绿素荧光等参数。自动测量时，每次记录最小等待时间为2 min，最大等待时间为3 min，数据记录之前仪器均自动进行参比室和样品室之间的匹配。测完之后分别用式(1)拟合小麦的A-Ci曲线得到其Jmax，用式(2)和式(6)拟合其J-Ci曲线得到Jmax。用“Photosynthesis”软件拟合小麦21% O2下A-Ci曲线得到Jmax。

此外，采用国内外常用的方法得到小麦的光呼吸速率[20-23]，即利用2%和21% O2浓度下的净光合速率之差作为植物叶片的光呼吸速率。用式(9)拟合小麦叶片的光呼吸对光的响应曲线获得小麦叶片的最大光呼吸速率(Rl-max)和对应的饱和光强(Il-sat)。用式(12)拟合小麦叶片的光呼吸对CO2的响应曲线获得小麦叶片的最大光呼吸速率(Rlc-max)和对应的饱和胞间CO2浓度(Cilc-sat)。

1.3 数据处理

曲线均选取5个重复，取其平均值。应用SPSS18.5软件对数据进行统计分析。利用单因素方差分析(one-way ANOVA)分析拟合得到的Jmax与观测点之间的差异。作图由Origin8.5软件完成，然后用Adobe Illustrator CS 5进行图形处理。用确定系数(R2)表示模型拟合与观测点的符合程度。

2 结果与分析

2.1 光合作用和电子传递速率对光的响应

小麦叶片的净光合速率先随光强的增加而快速增大，在较高光强(>1 000 μmol·m-2·s-1)时净光合速率随光强的增加而缓慢上升，达到饱和光强(约为1 800 μmol·m-2·s-1)之后，净光合速率随光强增加而略有下降(图1a)。在低光强处，小麦的电子传递速率对光的响应曲线与碳同化的光响应曲线相似，同样在光强约为1 800 μmol·m-2·s-1时电子传递速率达到最大值，然后随光强的增加而略有下降(图1b)。

用式(2)拟合小麦的电子传递速率对光的响应曲线得到的Jmax为254.86 μmol·m-2·s-1，与观测值(236.37 μmol·m-2·s-1)之间差异显著(P<0.05)；由式(3)拟合同样的数据得到的Jmax为233.07 μmol·m-2·s-1，与观测值 (236.37 μmol·m-2·s-1)之间差异不显著(P>0.05)。

Rd：暗呼吸速率。Rd:dark respiration.

2.2 光合作用和电子传递速率对CO2的响应

小麦净光合速率(Aj)随Ci的增大而逐渐增加，最后趋于平缓，达到饱和。由图2a可知，21%O2浓度下，随Ci的增大，Aj最初几乎呈线性增加，说明光合作用受Rubisco 酶活性的限制；之后，随Ci的增大，Aj的增加趋缓，说明光合作用受RuBP再生速率的限制；最后，随Ci的增大，Aj达到饱和，说明光合作用受到磷酸丙糖转运速率限制，其对应的饱和胞间CO2浓度约为1 046 μmol·mol-1。而电子传递速率对CO2的响应曲线与碳同化对CO2的响应曲线略有差异，在饱和胞间CO2浓度(约为780 μmol·mol-1)时电子传递速率达到最大值，此后随CO2浓度的增加而下降(图2b)。

Rp为光下呼吸速率(包括光呼吸和光下暗呼吸)。

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

图2 21%O2条件下小麦叶片的光合作用和电子传递速率对CO2的响应曲线(n=5)

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

由式(1)拟合小麦叶片的J-Ci曲线得到的Jmax值为260.58 μmol·m-2·s-1，经配对t检验，其与观测值(298.05 μmol·m-2·s-1)之间存在显著差异(P<0.05)。而由式(6)拟合同样的J-Ci曲线得到的Jmax值为294.80 μmol·m-2·s-1)，与观测值的数据高度符合(P>0.05)。此外，当叶室CO2浓度等于0 μmol·mol-1时，小麦的电子传递速率(J0)为92.73 μmol·m-2·s-1。

2.3 光呼吸速率对光和CO2的响应

由图3可知，光呼吸速率对光的响应曲线与其对CO2的响应曲线差异较大。小麦的光呼吸速率随着光强的升高而逐渐增大，且在本试验设定的光强范围内光呼吸速率尚没有达到饱和(图3a)；小麦的光呼吸速率则随着CO2浓度的升高而增加，达到饱和后又较快下降(图3b)。

通过利用式(9)和式(12)分别进行拟合，在光呼吸速率对光的响应中，小麦的最大光呼吸速率为14.85 μmol·m-2·s-1，对应的饱和光强约为2 000 μmol·m-2·s-1；在光呼吸速率对CO2的响应中，小麦的最大光呼吸速率为11.94 μmol·m-2·s-1，对应的饱和CO2浓度约为406 μmol·mol-1。

图3 小麦叶片的光呼吸速率对光和CO2的响应曲线(n=5)

3 讨 论

在光合作用对光的响应过程中，当CO2浓度保持不变的情况下，光合作用的原料CO2的供应是限制植物光合作用的主要因素。由图1a的光合参数可知，此时小麦的最大净光合速率(Amax)为28.59 μmol·m-2·s-1，饱和光强(Isat)为 1 808.44 μmol·m-2·s-1，光补偿点(Ic)约为 45.85 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率(Rd)约为 3.14 μmol·m-2·s-1。由图2a可知，此时小麦的Amax为66.18 μmol·m-2·s-1，饱和胞间CO2浓度(Ci-sat)约为1 046.59 μmol·mol-1，CO2补偿点(I)为70.89 μmol·mol-1，光下呼吸速率约为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。由此可见，植物光合作用对光和CO2的响应过程并不完全相同。

在FvCB模型中，估算Jmax时需要借助式(2)拟合植物叶片的电子传递速率对光的响应曲线(J-I)[2-3,12,15,24-25]。但本研究用式(2)拟合小麦J-I曲线得到的Jmax为254.86 μmol·m-2·s-1，与观测值(236.37 μmol·m-2·s-1)之间存在显著差异(P<0.05)。此外，从所测量的电子传递速率对CO2的响应曲线(J-Ci)可知，其Jmax为298.05 μmol·m-2·s-1，该值远大于由式(2)拟合小麦的J-I曲线得到的Jmax(254.86 μmol·m-2·s-1)，且两者之间存在显著差异(P< 0.05)。这与Buckley等[15]研究的结果一致。所以，用式(2)拟合光合作用过程中的J-I响应曲线得到Jmax，然后把该值用于植物光合作用对CO2的响应，并讨论RuBP再生速率限制过程是不合理的。

另一方面，在本研究中，当植物叶片的光合作用受RuBP再生速率限制时，利用式(1)拟合小麦的A-Ci曲线得到的Jmax为260.58 μmol·m-2·s-1，远小于观测值(298.05 μmol·m-2·s-1)。此外，已有的研究结果认为植物叶片光合作用受RuBP再生速率限制时的胞间CO2浓度为400～800 μmol·mol-1[1,25,27-29]。在本研究中，以小麦Ci等于738.01 μmol·mol-1(图2a中的倒数第三个测量点)这个数据点为例，此时的净光合速率为61.16 μmol·m-2·s-1，其对应的光呼吸速率为8.55 μmol·m-2·s-1，光下暗呼吸为1.25 μmol·m-2·s-1。如果同化一个碳最少需要4个光合电子，光呼吸释放一个CO2分子需要8个光合电子[12]。在不考虑小麦其他路径消耗光合电子的情况下，按照Long等[12]给出计算碳同化所需要的总光合电子流的公式(即Jt= 4(Aj+Rl+Rday)+8Rl，其中Jt为总的光合电子流)，小麦在该Ci处时至少需要的光合电子流为352.24 μmol·m-2·s-1，远高于由RuBP再生速率限制子模型(式(1))给出的 260.58 μmol·m-2·s-1。即由式(1)拟合小麦的A-Ci曲线得到的Jmax尚不够其仅仅同化碳所需要的光合电子数，这与测量数据符合。

总之，FvCB模型中的子模型——非直角双曲线模型会高估小麦J-I曲线中的Jmax；而由FvCB模型中的子模型，估算的Jmax则小于观测值，且估算的Jmax尚不能满足碳同化所需要的最低量，其原因尚有待于进一步研究。然而，公式(3)和公式(6)可以很好地拟合小麦的J-I曲线和J-Ci曲线，且分别得到的Jmax与观测值高度 符合。