氣孔導(dǎo)度和葉片內(nèi)部導(dǎo)度制約C3 和C4 作物光合作用的比較分析

王建林，楊新民

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東 青島 266109）

氣孔是植物體與外界大氣進(jìn)行氣體交換的門戶，是陸地植物不可或缺的器官[1]。水汽、CO2、O2都要共用氣孔這個通道，氣孔的開閉會影響植物的蒸騰、光合、呼吸等生理過程。Hetherington和Woodward[2]總結(jié)了自20世紀(jì)以來有關(guān)植物氣孔的研究結(jié)果后，在《Nature》撰文指出，氣孔在感應(yīng)和驅(qū)動環(huán)境變化的過程中扮演著越來越重要的角色，確定了其在植物生理學(xué)、甚至全球生態(tài)學(xué)等學(xué)科中的核心地位。植物的蒸騰和光合作用作為生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量循環(huán)的兩個最基本的生理生態(tài)學(xué)過程，共同受葉片氣孔行為控制[3]。但對于不同光合途徑的植物，由于其內(nèi)部光合途徑不同、固定CO2的酶不同，必然造成氣孔導(dǎo)度對光合作用的制約效應(yīng)不同[4]。氣孔導(dǎo)度直接影響植物的光合作用、蒸騰作用和水分利用效率[5-6]。大豆與玉米是我國北方最主要的糧食和油料作物，其光合特征直接關(guān)系糧食和油料的產(chǎn)量，本研究對比分析了大豆、玉米葉片氣孔導(dǎo)度和葉片內(nèi)部導(dǎo)度的差異，旨在揭示C3和C4作物氣孔導(dǎo)度和葉片內(nèi)部導(dǎo)度對光合作用制約性的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2009年在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田進(jìn)行。試驗田為棕壤土，質(zhì)地粘重，地力中等。試驗材料大豆為魯豆4、玉米為鄭單958，均是該地區(qū)當(dāng)前主栽品種。6月6日播種，行距60 cm，行長10 m，8行區(qū)，3次重復(fù)。田間施純氮量225 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 187.5 kg·hm-2。整個生育期常規(guī)栽培管理。

1.2 測定方法

在玉米吐絲期和大豆結(jié)莢期用LI-6400便攜式光合測定儀（美國Li-cor公司生產(chǎn)）對玉米穗位葉和大豆功能葉的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度以及相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行了測定。在光合速率和氣孔導(dǎo)度對環(huán)境變量響應(yīng)機制的測定過程中，光合測定儀的流速設(shè)定為500 μmol·s-1，葉室溫度控制為30℃，光量子通量密度（PPFD）設(shè)定為2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、0 μmol·m-2·s-1，參比室CO2濃度設(shè)定為 350 μmol·CO2·mol-1。測定時田間氣溫（31.2±1.7）℃，葉室溫度（30.0±0.2）℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆和玉米氣孔導(dǎo)度的差異

在植物葉片的氣體交換過程中，水汽會從氣孔下腔擴散到葉片表面，同時葉片表面的CO2也會通過氣孔擴散到氣孔下腔，完成氣體交換。氣孔對該過程的阻力稱為氣孔阻力（rs），氣孔阻力的倒數(shù)稱為氣孔導(dǎo)度（gs），并有以下關(guān)系：

式中，Tr為蒸騰速率，Pn為光合速率，Wi、Ci、Ws、Cs分別為氣孔下腔水汽、CO2濃度和葉片表面水汽、CO2濃度，rsw、rsc分別為氣孔對水汽和CO2的阻力，gsw、gsc為氣孔對水汽和CO2的導(dǎo)度。

由圖1可知，隨著光量子通量密度的增強，大豆和玉米的氣孔導(dǎo)度均增大，且在0～2 000 μmol·m-2·s-1的光量子通量密度下，大豆的氣孔導(dǎo)度始終大于玉米的氣孔導(dǎo)度。

圖1 氣孔導(dǎo)度對光強的響應(yīng)Fig.1 Response of leaf stomatal conductance to PPFD

2.2 大豆和玉米葉片內(nèi)部導(dǎo)度的差異

相對于蒸騰作用的物理擴散過程而言，光合作用碳同化過程要復(fù)雜的多。光合作用碳同化并不發(fā)生在氣孔下腔，而是發(fā)生在葉綠體內(nèi)。因此，光合作用對CO2的固定過程還要經(jīng)歷葉肉阻力和在葉綠體內(nèi)發(fā)生的羧化阻力。將葉肉阻力（rmc）和羧化阻力（rxc）統(tǒng)稱為葉片內(nèi)部阻力（ric）。內(nèi)部阻力（ric）的倒數(shù)稱為內(nèi)部導(dǎo)度（gic）。根據(jù)Fick原則有以下關(guān)系：

式中，Γ為CO2補償點（含暗呼吸），由于Γ*與Γ間在數(shù)值上不存在顯著差異[7]，故用Γ*代替Γ。C3植物的補償點Γ*用Brooks和Farquar提出的經(jīng)驗性二次多項式估算[8]：

式中，TL為葉片溫度。C4植物的補償點約為C3植物的1/10[7]，即：

利用方程（4）計算得到葉片內(nèi)部導(dǎo)度（gic）。從圖2可以看出，大豆和玉米葉片的內(nèi)部導(dǎo)度都隨著光量子通量密度的增強而逐漸增大，PPFD在0～800 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)，二者的差異不大，但PPFD 在 800 μmol·m-2·s-1以上時，玉米葉片的內(nèi)部導(dǎo)度大于大豆葉片的內(nèi)部導(dǎo)度。因為葉片的內(nèi)部阻力主要是由葉肉阻力和羧化阻力構(gòu)成，CO2在葉肉間隙擴散的阻力相差不大，而羧化阻力則取決于羧化酶對CO2的親和力。在較高的光照強度下，C4植物的PEP羧化酶對CO2的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C3植物的RuBP羧化酶，所以造成玉米葉片的內(nèi)部導(dǎo)度大于大豆葉片的內(nèi)部導(dǎo)度。

圖2 葉片內(nèi)部導(dǎo)度對光強的響應(yīng)Fig.2 Response of leaf inter conductance to PPFD

2.3 gic /gsc 比值對光合作用的制約性

由于氣孔導(dǎo)度和內(nèi)部導(dǎo)度共同制約了光合速率，因此二者的比例關(guān)系對于解析光合作用的限制因素有重要意義。由圖3可見，隨著PPFD的增強，大豆和玉米的gic/gsc比值逐漸增大，且當(dāng)光照強度大于 400 μmol·m-2·s-1時，玉米的gic/gsc比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大豆。當(dāng) PPFD 達(dá)到 800 μmol·m-2·s-1時，大豆的gic/gsc比值不再增大，而PPFD達(dá)到1 600 μmol·m-2·s-1時，玉米的gic/gsc比值也不再增大。進(jìn)一步計算不同PPFD下，氣孔阻力和葉片內(nèi)部阻力對光合作用制約的比例（見圖4），可見弱光下，氣孔阻力對兩種植物光合作用的制約率基本相同；但強光下，氣孔阻力（CO2擴散到氣孔下腔）的限制，更多的制約了玉米光合作用；而大豆氣孔阻力對光合作用的限制遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其內(nèi)部阻力的制約，即因其自身羧化能力差，而更多的制約了光合作用。

圖3 gic /gsc 對光強的響應(yīng)Fig.3 Response of gic /gsc to PPFD

圖4 氣孔對光合作用的制約率對光強的響應(yīng)Fig.4 Response of rate of stomatal limit to PPFD

2.4 光合速率與胞間CO2 濃度的關(guān)系

圖5表示了光合速率與胞間CO2濃度的關(guān)系，從圖5中可以看出，隨著光合速率的增強，玉米的胞間CO2濃度下降的更快，或者說，相同的胞間CO2濃度下，玉米具有較高的光合速率。這反映了兩個辯證的問題：一方面說明玉米可以利用更低的CO2濃度進(jìn)行光合作用（光合作用過程中的“脫羧”作用起到“CO2泵”的作用），另一方面也說明了玉米的氣孔嚴(yán)重限制了大氣CO2進(jìn)入葉片，造成CO2饑餓。而由于大豆的氣孔導(dǎo)度大，可以快速補充CO2，但其自身的羧化能力制約光合速率的進(jìn)一步增大。由此可見，大豆只有維持更高的胞間CO2濃度下才能獲得與玉米相當(dāng)?shù)墓夂纤俾?，這也就需要氣孔開得較大以保證較小的氣孔阻力。

圖5 光合速率與胞間CO2 濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between Pn and Ci

3 討論

玉米為C4作物，其CO2補償點比C3作物大豆低，這意味著CO2由細(xì)胞間隙到達(dá)葉綠體的阻力比大豆高，即其導(dǎo)度低。從本研究結(jié)果看，只是在PPFD＜800 μmol·m－2·s－1時，玉米的內(nèi)部導(dǎo)度低于大豆，而當(dāng) PPFD＞800 μmol·m－2·s－1時，其內(nèi)部導(dǎo)度高于大豆。這說明在較低的光強下，玉米需要克服其CO2補償點低所帶來的更大阻力；而在高光強下，大豆羧化能力低限制了CO2的同化，表現(xiàn)為在高光強下內(nèi)部導(dǎo)度低于玉米。這也可以在一定程度上解釋大豆耐弱光、玉米喜強光的客觀事實。

從內(nèi)部導(dǎo)度的定義可知，gic由三個因子決定：即從細(xì)胞間隙到羧化基液態(tài)CO2的物理擴散、羧化效率和暗呼吸速率。Yu等對內(nèi)部導(dǎo)度和各種環(huán)境變量的相關(guān)分析表明[7]，gic與PPFD、VPD、葉片溫度和葉片水勢均存在線性相關(guān)關(guān)系，與PPFD的相關(guān)性最強，PPFD是決定gic的最重要的因子。Farquha、Collatz 和 Leuning 等研究表明[9－12]，羧化效率實際上可以用光合速率與光照強度的關(guān)系、光合速率與胞間CO2濃度的關(guān)系來描述，即葉片的光合速率為Rubisco活性和RuBP再生限制的同化速率的較小值。在本研究中g(shù)ic與PPFD高度相關(guān)，表明光輻射限制的羧化效率是決定gic的重要因子，與Yu等的研究結(jié)果一致[7]。但本研究也表明，gic與PPFD的相關(guān)性不是簡單的線性相關(guān)，而是米氏響應(yīng)關(guān)系（見圖2），這是由于羧化效率對PPFD呈米氏響應(yīng)，這也進(jìn)一步證明了PPFD對gic的決定作用。

4 結(jié)論

以大豆和玉米為研究對象，對氣孔導(dǎo)度和內(nèi)部導(dǎo)度進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，大豆的氣孔導(dǎo)度大于玉米，而玉米的內(nèi)部導(dǎo)度大于大豆，這說明玉米的光合作用主要受氣孔限制，大豆的光合作用主要受羧化能力限制。玉米可以利用低濃度的CO2進(jìn)行光合作用，但同時也因氣孔導(dǎo)度低而限制了大氣CO2進(jìn)入葉片，因而高強光下造成CO2饑餓；大豆的氣孔導(dǎo)度大，可以快速補充CO2，但其自身的羧化能力制約著光合速率的進(jìn)一步增大。

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