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

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

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