大气CO2浓度和气温升高对玉米灌浆期碳氮代谢的影响*

王 娇, 李 萍, 宗毓铮, 张东升, 史鑫蕊, 杨 净, 郝兴宇

(山西农业大学农学院 太谷 030801)

自工业革命后, 由于人为因素的影响, 温室气体的排放量急剧上升, 造成了全球的气候剧变。据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)报道, 到2100年大气CO2浓度将从目前的约400 μmol·mol-1(SSP1-1.9)上 升 到1100 μmol·mol-1(SSP5-8.5)以 上,全球地表温度可能会上升1.5～2 ℃[1]。大量研究表明, CO2浓度升高使作物的叶绿素含量和光合能力提高[2], 增加生物量[3], 提高作物产量[4], 改变作物营养品质[5-6]。此外, CO2浓度升高会影响作物蔗糖代谢、三羧酸循环等物质代谢和能量循环, 进而影响作物生长发育[7-8]。气温升高会对作物生理生化、植物体内相关酶活性产生影响。Wang等[9]通过研究发现,40 ℃的高温抑制了水稻(Oryza sativa)中糖酵解和三羧酸循环相关酶的活性。气温升高会加快作物的生长速率, 缩短作物的生育期, 从而导致产量下降。有研究结果表明, 气温升高使冬小麦(Triticum aestivum)抽穗期和开花期提前[10], 玉米(Zea mays)抽穗期和成熟期提前[11], 生育期缩短。在高温条件下,CO2浓度升高会提高玉米的净光合速率[12]。张秀云等[13]通过研究发现在CO2浓度和气温均升高处理下马铃薯(Solanum tuberosum)的平均单株薯块重量显著升高。但也有研究表明气温升高会降低CO2浓度增加对作物产量的正效应[14]。

玉米是典型的C4作物, 营养丰富, 用途广泛(粮、经、果、饲、能)[15]。近年来, 国内外学者在玉米对CO2浓度升高或温度升高的单一因子效应方面进行了较多的研究。有学者发现, CO2浓度升高下玉米叶片的碳同化物和总碳质量明显提高, 而氮同化物质量明显下降[16]。Huang等[17]研究发现, 升高温度会影响玉米氮代谢途径。但玉米对CO2浓度升高、气温升高等因素综合作用下的生长效应还少有报道。灌浆期是玉米干物质积累及碳氮代谢的关键时期, 与玉米产量形成密切相关。因此, 本研究在人工控制气室内, 进行了CO2浓度升高、气温升高及其交互作用对灌浆期玉米的光合作用、蔗糖代谢、糖酵解、三羧酸循环、氮代谢及生物量影响的研究, 旨在为全球气候变化下我国玉米生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试玉米品种为‘先玉335’, 由铁岭先锋种子研究有限公司培育。试验地点位于山西省晋中市太谷区山西农业大学小麦研究所(37°25′12″N, 112°34′48″E)。人工气候室为铝合金框架玻璃结构, 共4个气室, 每个气室长8 m, 宽3 m, 高3.2 m, 自然采光, 透光率85%左右。采用自动控制系统(邯郸冀南新区盛炎电子科技有限公司)对玉米整个生育期内CO2浓度和气温进行控制。CO2浓度控制由控制系统CO2传感器感知气室内CO2浓度, 并将采集到的数据发送到主控计算机, 由计算机控制各气室电磁阀的开闭,使每个气室的CO2浓度达到预定浓度来实现。气温控制由主控计算机根据室内外气温差控制空调使每个气室的气温达到预定气温来实现。试验共设4个处理: CK (目前CO2浓度400 μmol·mol-1, 气温为环境温度)、EC [CO2浓度600 μmol·mol-1(预计2050年左右的大气CO2浓度, IPCC, 2013年), 气温为环境温度]、ET (目前CO2浓度400 μmol·mol-1, 气温为环境温度+2 ℃)、ECT (CO2浓度600 μmol·mol-1, 气温为环境温度+2 ℃)。2021年玉米出苗后, 全生育期进行气温和CO2浓度处理。生育期人工气候室内CO2浓度变化见图1, 其中EC和ECT处理93%的时间内CO2浓度为(600±50) μmol·mol-1, CK和ET处理90%的时间内CO2浓度为(400±40) μmol·mol-1, 气温变化见图2。

图 1 玉米生长季各处理的CO2浓度变化Fig.1 CO2 concentrations of different treatments in maize growing season

图 2 玉米生长季各处理气温变化Fig.2 Temperature of different treatments in maize growing season

供试土壤取自邻近农田表层土, 过筛混匀风干后装入塑料桶(直径37 cm高34 cm)内约30 cm, 桶底部打3个小孔。土壤类型为褐潮土, pH 8.1, 有机质含量23.1 g·kg-1, 全氮含量1.0 g·kg-1。于2021年5月4日播种, 播种时施肥105 kg(N)·hm-2、65 kg(P2O5)·hm-2,大喇叭口期追施105 kg(N)·hm-2。每个处理种植6桶, 每桶播种1穴, 每穴3粒, 播种深度3 cm, 玉米出苗后每穴留苗1株。播种后浇水约1 L以保证玉米苗发芽, 苗期每周浇水1 L, 四叶期至抽雄开花期每2 d浇水2 L, 灌浆期每2 d浇水2 L, 确保无干旱胁迫。于2021年10月11日收获。

1.2 项目测定与方法

1.2.1 光合生理的测定

在玉米灌浆期(吐丝后14 d, ET和ECT处理较CK和EC处理提前7 d测定), 选择晴朗天气上午9:00-11:30, 各处理随机选取3株(每盆1株)长势一致的玉米, 使用便携式气体交换系统(Li-6400XT,Li-COR, USA), 对旗叶(倒一叶)进行基本光合参数测定, 包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr), 并计算水分利用效率(WUE), WUE=Pn/Tr。

在玉米灌浆期(吐丝后14 d, ET和ECT处理较CK和EC处理提前7 d取样), 各处理选取长势一致的玉米, 从旗叶(倒一叶)叶鞘处剪下, 装锡纸袋放入存有液氮的泡沫箱中, 带回实验室-80 ℃冰箱保存,用于碳氮代谢各项生理指标的测定。叶绿素含量测定采用直接浸提法[18]。

1.2.2 糖代谢关键酶活性及相关代谢物含量

淀粉含量测定参考高俊凤[18]的方法。蔗糖含量及蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性测定参考郭茜茜[19]的方法。丙酮酸激酶、α-酮戊二酸脱氢酶和琥玻酸脱氢酶活性利用试剂盒进行测定, 试剂盒由索莱宝公司提供。各指标测定均3次重复。

1.2.3 氮代谢关键酶活性

硝酸还原酶活性测定采用离体法[18]; 谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性利用试剂盒进行测定, 试剂盒由索莱宝公司提供。各指标测定均3次重复。

1.2.4 形态指标及生物量的测定

玉米完全成熟后收获地上部分, 自然风干, 测定株高、茎粗、节数、穗位节(从玉米茎秆基部节起,玉米最上面果穗着生节节数)、茎干重、叶干重、穗干重和地上部分生物量。

1.3 数据分析

运用Excel 2019进行数据处理和图表绘制, 运用SPSS 24.0进行单双因素方差分析和相关性分析。图表中数据为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 大气CO2浓度和气温升高对玉米光合生理的影响

2.1.1 对玉米叶片光合色素含量的影响

CO2浓度升高(EC)使玉米叶片叶绿素a、b和总叶绿素(a+b)含量显著升高(P＜0.05), 较CK分别升高13.3%、40.0%和15.6%; 对类胡萝卜素含量影响不显著。与CK相比, 气温升高(ET)使玉米叶片叶绿素b含量显著升高26.7% (P＜0.05), 对叶绿素a、类胡萝卜素和总叶绿素(a+b)含量无显著影响。CO2浓度和气温均升高(ECT)条件下, 叶绿素a、类胡萝卜素和总叶绿素(a+b)含量较CK显著降低21.9%、23.9%和21.0% (P＜0.05), 对叶绿素b含量无显著影响。两因素交互作用对叶片光合色素含量影响显著。CO2浓度升高降低了温度升高对玉米叶片光合色素含量的正效应, CO2浓度和温度的交互作用小于CO2浓度和温度的单独效应之和(表1)。

2.1.2 对玉米叶片光合参数的影响

CO2浓度升高(EC)使玉米叶片Pn、Gs、Tr和WUE显著升高(P＜0.05), 较CK分别升高43.1%、8.3%、6.7%和34.0%。与CK相比, 气温升高(ET)使玉米叶片Pn、Gs、Tr和WUE分别显著升高48.4%、16.7%、13.4%和30.7% (P＜0.05)。CO2浓度和气温均升高(ECT)条件下, 玉米叶片Pn、Gs和Tr较CK显著升高14.4%、25.0%和21.1% (P＜0.05), WUE显著降低5.5% (P＜0.05)。两因素交互作用对Pn和WUE影响显著。CO2浓度升高抑制了温度升高对玉米叶片Pn和WUE的正效应, CO2浓度和温度的交互作用小于CO2浓度和温度的单独效应之和(表2)。

2.2 大气CO2浓度和气温升高对玉米糖代谢的影响

2.2.1 对玉米叶片蔗糖和淀粉合成的影响

CO2浓度升高(EC)使玉米叶片蔗糖含量和蔗糖合成酶活性显著升高(P＜0.05), 较CK分别升高440.0%和44.0%, 对蔗糖磷酸合成酶活性和淀粉含量无显著影响。与CK相比, 气温升高(ET)使玉米叶片蔗糖合成酶活性显著升高41.6% (P＜0.05), 对蔗糖含量、蔗糖磷酸合成酶活性和淀粉含量无显著影响。CO2浓度和气温均升高(ECT)条件下, 玉米叶片蔗糖和淀粉含量、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性较CK均无显著变化。CO2浓度升高缓解了温度升高对玉米叶片蔗糖含量的负效应, CO2浓度和温度的交互作用小于CO2浓度和温度的单独效应之和。CO2浓度升高抑制了温度升高对玉米叶片蔗糖合成酶的正效应, CO2浓度和温度的交互作用小于CO2浓度和温度的单独效应之和(表3)。

表 1 CO2浓度和气温升高对玉米灌浆期叶片光合色素含量的影响Table 1 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on photosynthetic pigment content of maize leaves at grain filling stage mg·g-1(FW)

表 2 CO2浓度和气温升高对玉米灌浆期叶片光合参数的影响Table 2 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on photosynthetic parameters of maize leaves at grain filling stage

2.2.2 对玉米叶片糖酵解和三羧酸循环关键酶活性的影响

CO2浓度升高(EC)使玉米叶片丙酮酸激酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性显著升高(P＜0.05), 较CK分别升高167.1%和32.2%, 对琥珀酸脱氢酶活性无显著影响。与CK相比, 气温升高(ET)使玉米叶片丙酮酸激酶活性显著升高93.9% (P＜0.05), α-酮戊二酸脱氢酶活性显著降低76.1% (P＜0.05), 对琥珀酸脱氢酶活性无显著影响。CO2浓度和气温均升高(ECT)条件下, 玉米叶片丙酮酸激酶活性较CK显著升高28.2% (P＜0.05), α-酮戊二酸脱氢酶活性显著降低79.3% (P＜0.05), 对琥珀酸脱氢酶活性无显著影响。两因素交互作用对丙酮酸激酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性影响显著。CO2浓度升高抑制了温度升高对玉米叶片丙酮酸激酶活性的正效应, CO2浓度和温度的交互作用小于CO2浓度和温度的单独效应之和。CO2浓度升高增加了温度升高对玉米叶片α-酮戊二酸脱氢酶活性的负效应, CO2浓度和温度的交互作用小于CO2浓度和温度的单独效应之和(表4)。

2.3 大气CO2浓度和气温升高对玉米氮代谢的影响

与CK相比, CO2浓度升高(EC)使玉米叶片谷氨酸合成酶活性显著降低73.7% (P＜0.05), 对硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性无显著影响。与CK相比, 气温升高(ET)使玉米叶片谷氨酸合成酶活性显著降低66.4% (P＜0.05), 对硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性无显著影响。CO2浓度和气温均升高(ECT)条件下, 玉米叶片谷氨酸合成酶活性较CK显著降低71.0% (P＜0.05), 硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性无显著影响。两因素交互作用对玉米叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性均无显著影响(表5)。

表 3 CO2浓度和气温升高对玉米灌浆期叶片蔗糖和淀粉含量、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性的影响Table 3 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on the contents of sucrose and starch, the activities of sucrose synthase and sucrose phosphate synthase in maize leaves at grain filling stage

表 4 CO2浓度和气温升高对玉米灌浆期叶片丙酮酸激酶、α-酮戊二酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶活性的影响Table 4 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on the activities of pyruvate kinase, α-ketoglutarate dehydrogenase and succinate dehydrogenase in maize leaves at grain filling stage U·g-1(FW)

表 5 CO2浓度和气温升高对玉米灌浆期叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性的影响Table 5 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on the activities of nitrate reductase, glutamine synthase and glutamate synthase in maize leaves at grain filling stage

2.4 大气CO2浓度和气温升高对玉米形态指标及生物量的影响

2.4.1 对玉米形态指标的影响

CO2浓度升高(EC)使玉米茎粗和节数显著升高(P＜0.05), 分别较CK升高41.9%和11.1%, 对株高和穗位节影响不显著。气温升高(ET)使玉米株高和穗位节显著降低22.1%和38.1% (P＜0.05), 对茎粗和节数影响不显著。CO2浓度和气温均升高(ECT)条件下, 玉米节数较CK显著升高13.9% (P＜0.05), 对株高、茎粗和穗位节无显著影响。两因素交互作用对株高、茎粗和穗位节影响显著。CO2浓度升高缓解了温度升高对玉米株高和穗位节的负效应, CO2浓度和温度的交互作用大于CO2浓度和温度的单独效应之和。CO2浓度升高提高了气温升高条件下玉米的茎粗(表6)。

2.4.2 对玉米生物量的影响

CO2浓度升高(EC)使玉米地上部生物量和穗干重均显著升高(P＜0.05), 分别较CK升高35.8%和170.2%, 对叶干重和茎干重影响不显著。气温升高(ET)使玉米地上部生物量、叶干重、茎干重和穗干重分别显著降低37.0%、28.7%、32.3%和62.2%(P＜0.05)。CO2浓度和气温均升高(ECT)条件下, 玉米叶干重较CK显著降低23.4% (P＜0.05), 对地上部生物量、茎干重和穗干重无显著影响。CO2浓度升高缓解了温度升高对玉米地上部生物量和茎干重的负效应, CO2浓度和温度的交互作用大于CO2浓度和温度的单独效应之和。CO2浓度升高缓解了温度升高对玉米穗干重的负效应, CO2浓度和温度的交互作用小于CO2浓度和温度的单独效应之和(表7)。玉米地上部生物量与蔗糖含量、丙酮酸激酶活性和α-酮戊二酸脱氢酶活性显著正相关(P＜0.05), 与淀粉含量显著负相关(P＜0.05), 与净光合速率、水分利用效率、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶、琥珀酸脱氢酶、硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性无显著相关关系(图3)。

表 6 CO2浓度和气温升高对玉米成熟期形态指标的影响Table 6 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on morphological index of maize at maturity stage

表 7 CO2浓度和气温升高对玉米成熟期生物量的影响Table 7 Effects of elevated CO2 concentration and increased temperature on biomass of maize at maturity stage g·plant-1

图 3 玉米地上部生物量与碳氮代谢间皮尔逊相关性Fig.3 Pearson correlation analysis between above-ground biomass and carbon and nitrogen metabolism in maize

3 讨论

3.1 大气CO2浓度和气温升高对玉米光合生理的影响

CO2浓度和温度升高会影响植物的光合生理[4]。多数研究表明, CO2浓度升高可增加作物叶片的叶绿素含量[20], 而高温胁迫会降低叶绿素含量[21]。本研究中, CO2浓度升高使玉米叶片叶绿素含量显著升高,与前人研究结果一致。气温升高使叶绿素含量变化不显著, 可能的原因是本试验中气温升高幅度未对玉米叶片叶绿素合成造成负面影响。CO2浓度和气温均升高条件下, 叶绿素含量显著降低, 表明CO2浓度和气温均升高对玉米光合色素合成不利。大多研究表明, CO2浓度增加会使作物叶片Gs下降, 进而降低Tr, 增加WUE, 提高Pn[22-26]。本研究也表明, CO2浓度升高使玉米叶片Pn和WUE显著升高, 这与前人研究结果一致。但Gs和Tr也显著升高, 这与前人研究结果不同, 其原因可能是CO2浓度升高增强了玉米光合作用导致碳水化合物的过量积累, 进而对叶片Gs和Tr产生正反馈调节, 促进气孔开放和蒸腾加快[27-28]。气温升高使Pn、Gs、Tr和WUE均显著升高, 可能是因为目前大气温度升高2 ℃未超过玉米生长最适温度, 适当的升温促进了玉米光合相关酶活性, 从而提高了作物的光合作用[29]。本试验中,CO2浓度和气温均升高条件下,Pn、Gs和Tr均显著升高, 表明CO2浓度和气温均升高能够促进Pn, 对玉米光合作用产生积极影响。

3.2 大气CO2浓度和气温升高对玉米糖氮代谢的影响

蔗糖是植物中一种重要的同化物转运方式, 淀粉是主要的能量贮存物质[30]。本研究结果显示, CO2浓度升高使叶片蔗糖含量和蔗糖合成酶活性升高,这与前人研究中玉米叶片在CO2浓度升高条件下可溶性糖含量增加的结果一致[31], CO2浓度升高通过促进植物净光合速率加速光合产物的积累。气温升高对蔗糖含量影响不显著, 但使蔗糖合成酶活性显著升高, 可能的原因是升高温度促进了蔗糖合成酶活性, 同时也促进了蔗糖从“源”叶片的输出[32]。CO2浓度升高缓解了温度升高对玉米叶片蔗糖含量的负效应, 促进了光合产物积累, 对生育后期玉米生物量和产量形成起到积极作用。CO2浓度升高、气温升高以及二者互作均对蔗糖磷酸合成酶活性影响不显著,说明蔗糖磷酸合成酶活性受CO2浓度和气温升高影响较小。CO2浓度升高、气温升高以及CO2浓度和气温均升高处理下淀粉含量变化不显著, 说明升CO2、升温及二者互作对玉米叶片内能量储存物质的积累影响较小。通过对糖酵解关键酶活性分析发现CO2浓度升高、气温升高以及CO2浓度和气温均升高显著促进玉米叶片丙酮酸激酶活性, 说明CO2浓度升高、气温升高以及CO2浓度和气温交互条件下玉米叶片对糖利用均增强。α-酮戊二酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中的关键调控点, 其活性显著影响植株能量代谢[7]。本试验中, CO2浓度升高使玉米叶片α-酮戊二酸脱氢酶活性显著提高, 表明CO2浓度升高可以增强叶片三羧酸循环。气温升高使α-酮戊二酸脱氢酶活性显著降低, 这与前人研究结果一致[33], 表明气温升高抑制了三羧酸循环。CO2浓度和气温均升高使α-酮戊二酸脱氢酶活性显著降低,说明气温升高会抑制CO2浓度增加对三羧酸循环的正效应。同时本研究发现, CO2浓度升高、气温升高以及CO2浓度和气温均升高对玉米叶片琥珀酸脱氢酶活性影响不显著, 说明琥珀酸脱氢酶活性受升CO2、升温及二者互作影响较小。

在植物氮素吸收过程中, 硝酸还原酶是影响硝酸盐同化的关键酶, 谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶是影响氨同化的重要酶[34]。本试验中, CO2浓度升高、气温升高以及CO2浓度和气温均升高对玉米叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性影响不显著,说明CO2浓度升高、气温升高以及CO2浓度和气温均升高对玉米叶片氮素利用影响较小[35]。CO2浓度升高、气温升高以及二者互作均显著抑制了谷氨酸合成酶活性, 说明升高CO2浓度、升温及二者互作下玉米氮代谢受到不同程度抑制。CO2浓度升高以及CO2浓度和气温均升高, 对玉米光合碳代谢均有一定的促进作用, 而对氮代谢有显著的抑制, 推测可能与α-酮戊二酸含量有关, 在CO2浓度升高下光呼吸途径产生α-酮戊二酸的能力受到抑制, α-酮戊二酸含量降低, 氨同化反应底物减少, 从而抑制了氨固定和氮代谢[33]。

3.3 大气CO2浓度和气温升高对玉米生物量的影响

相关性分析发现, 玉米地上部生物量与蔗糖含量、丙酮酸激酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性呈显著正相关, 表明糖代谢与玉米地上部生物量联系密切, 对玉米干物质积累具有重要影响。植株糖代谢加快,可以加速物质吸收和能量代谢, 促进生长, 有利于地上部生物量的积累[7]。李春华等[36]发现CO2浓度升高使水稻拔节孕穗期、成熟期的地上部干物质显著增加。本研究中, CO2浓度升高使玉米地上部生物量显著升高, 与前人研究结果一致, 这是因为CO2浓度升高增加了蔗糖积累和糖代谢相关酶活。气温升高使玉米地上部生物量显著降低, 与前人研究一致[37],这可能是由于温度升高抑制了玉米蔗糖合成和三羧酸循环相关酶活, 不利于生物量的积累。本试验中,气温升高使玉米灌浆期净光合速率显著升高, 而收获期生物量和产量却显著降低, 可能的原因是灌浆期高温虽然可以加快物质积累, 但是生育期会提前,整个生育期缩短, 导致干物质积累和干物质向穗(粒)的分配比例显著减少, 子粒灌浆不良而减产[38-41]。同时, CO2浓度升高通过增加光合产物积累和糖代谢相关酶活, 缓解了温度升高对玉米地上部生物量、茎干重和穗干重的负效应, 促进玉米生长。

4 结论

气温升高提高了玉米糖酵解代谢, 但抑制了三羧酸循环和氮代谢, 使玉米地上部生物量下降。CO2浓度升高提高了玉米叶绿素含量和净光合速率, 促进了蔗糖合成、糖酵解和三羧酸循环, 进而增加了玉米地上部生物量。CO2浓度和温度互作下提高了玉米光合作用, 但降低了叶绿素含量, 同时二者互作会提高糖酵解代谢, 抑制玉米叶片三羧酸循环和氮代谢, 较气温升高下增加了蔗糖含量和地上部生物量, 一定程度上缓解了气温升高对玉米生长的负效应。但本试验中, 气温升高虽然提高了灌浆期玉米净光合速率, 但收获期生物量却显著降低, 或是因为升温导致玉米灌浆期缩短所致, CO2浓度和气温升高对玉米生育期、碳氮代谢等的影响有待深入研究。