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LI-6800应用案例 | 【GCB BIOENERGY】C3和C4能源草对光照波动的光合生理响应

来源:北京力高泰科技有限公司 发布日期:2023-03-03 17:41:00 浏览次数:1830



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原文以 The photosynthetic response of C3 and C4 bioenergy grass species to fluctuating light 为标题发表在GCB BIOENERGY

作者 | Moon-Sub Lee 等

翻译 | 武海月&子毅


人类对能源的需求与日俱增。能源草,作为一种可再生能源,越来越受到研究者们的重视。传统化石燃料在使用过程中,会产生很多废物,造成生态及环境污染问题,而能源草在使用过程中,产生的废物少,被认为是一种清洁能源。由于土地资源有限,为了不挤兑现有农业用地,如何提高能源草的产量就显得尤为重要。


自然界的光照波动是一个普遍存在的现象,这往往会导致作物的光合效率下降。光照波动的原因包括:冠层叶片的相互遮挡、风、云以及太阳入射角的变化等。


不同品种的能源草,如果在应对光照波动的能力方面有差别,就可以深入挖掘其背后原因,强化适应性强的品种,改良适应性差的品种。


目前,研究者们已经筛选出很多潜在高产的草种。然而缺乏对这些能源草品种之间光合效率的横向对比,尤其是在光照波动条件下。


当植物从低光转入高光,或是相反,净光合速率的调整会受到电子传递速率、代谢物、酶活、光保护、气孔导度等因素的调控。这些限制因素在不同品种间可能存在差异。


能源草种,既有C3,也有C4品种。很多高产的能源草如巨芒或柳枝稷,都是C4植物。而芦竹则为C3植物。C4和C3植物的主要差别在于,C4植物有CO2浓缩机制,这一机制会让Rubisco酶羧化位点的CO2浓度更高。C3和C4植物都是利用C3循环来制造细胞呼吸所需要的化学能,而C4步骤会造成ATP的额外消耗。和C3植物对比来看,C4植物的水分利用效率和氮利用效率更高。人们感兴趣的是,两者对光照波动的响应一致吗?


Slattery等(2018)回顾了光照波动对作物的影响,除了分析可能的限制因素,还讨论了在光照波动条件下,C3和C4植物可能会有的一些区别:C4植物,由于增加了光合系统的复杂性,在光照波动下可能会逊色于C3植物。此外,C4植物还有3种亚型(NADP-ME,NAD-ME, PEPCK),这无疑增加了评估的难度。


为了回答上述问题,本研究以6种C4和6种C3植物为对象,对比分析了其在光照波动条件下光合效率的差别。


6种C4植物分别是巨芒、甘蔗、柳枝稷、大须芒草、草原网茅、玉米;6种C3植物是芦竹、草芦、高羊茅、高冰草、烟草、小麦。


在这12种测试植物中,有7种能源草:巨芒(Miscanthus× giganteus)、甘蔗(Sugarcane)、柳枝稷(Switchgrass)、大须芒草(Big Bluestem)、草原网茅(Prairie Cordgrass)、芦竹(Giant reed)、草芦(Reed Canary grass)。


研究者们的目标是:(1)在光照波动条件下,量化C3和C4植物的光合气体交换特征;(2)分析C3和C4能源草在光合效率方面的差异。结果发现,与稳态光环境下的测量数据相比,光照波动会使所有测试植物的碳同化速率降低,整体约减少16%。总体而言,光照波动条件下,C4植物比 C3植物能固定更多的碳。C3植物对波动光的响应种间差异较小,从高光到低光转换期,光呼吸是导致其净光合速率下降的主因。而在C4植物中,四种NADP-ME型对光照波动的响应存在明显差异,揭示这种差异背后的原因,是将来的一个研究方向。

稳态气体交换测量


使用LI-6800高级光合-荧光测量系统,测量新长出且完全展开叶片的CO2响应曲线和光响应曲线。


设置初始光强为1500 µmol m-2 s-1,其中红光(635 nm)占90%,蓝光(465 nm)占10%。设置模块温度 30℃,流速 500 µmol s-1,相对湿度60%。将CO2R设置为以下浓度来测量CO2响应曲线 (A/Ci ) :400、300、200、150、100、75、0、400、400、400、600、800、1000、1200、1400和400 µmol mol-1


之后将光强增加到 2000 µmol m-2 s-1,等待15-30 min,叶片光合速率达到稳定后,测量同一叶子的光响应曲线( A/Qabs )。CO2S浓度维持在400 µmol mol-1 (~40 Pa),光强按以下强度变化:2000、1600、1200、900、750、600、500、400、300、 200、120、60和20 µmol m-2 s-1


在100 µmol m-2 s-1的光强下,对同一片叶子进行额外的 A/Ci曲线测量,等待15-30min让叶片先达到稳定状态。环境条件设置与之前在1500 µmol m-2 s-1光强下的A /Ci曲线一致。参比室和样品室红外气体分析仪 (IRGA) 在每个测量点都进行匹配。


光照波动条件下的气体交换测量


在稳态测量结束后,在同一叶片上,测量光照波动条件下的光合反应。设置光强1500 µmol m-2 s-1,模块温度30℃,流速500 µmol s-1,CO2R浓度400 µmol mol-1,相对湿度 60%。让叶片适应 15-30min,直到光合速率达到稳定,之后执行光照波动程序化测量。


光照波动程序设置如下:4min高光,光强1500 µmol m-2 s-1,2min低光,100 µmol m-2 s-1,高低光转换重复 4 次,最后以 4 分钟1500 µmol m-2 s-1结束。在28分钟的程序中,每5s记录一次气体交换数据。红外气体分析仪IRGA在程序开始之前进行匹配,程序运行期间不做匹配,以避免对测量过程的干扰。


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原文中的主要数据图表

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