小麥光呼吸途徑電子流分配的模型研究

葉子飄，段世華，安 婷，康華靖

(1.井岡山大學數(shù)理學院，江西吉安 343009; 2.井岡山大學生命科學學院, 江西吉安 343009; 3.溫州市農(nóng)業(yè)科學研究院, 浙江溫州 325006)

植物的光呼吸是在光照條件下綠色細胞內(nèi)吸收O2、消耗光合作用產(chǎn)物，同時釋放CO2的過程。相對C4植物而言，C3植物表現(xiàn)出較高的光呼吸活性，可消耗總光合作用已固定碳素的20%～50%[1]。所以，該過程顯著影響植物光合產(chǎn)物的積累和光合效率的進一步提高，是減少植物光合產(chǎn)物消耗、提高植物高光效研究的重點，也是生物圈中重要的碳代謝途徑之一[2-3]。大量文獻主要從分子水平上闡述了光呼吸的代謝途徑和關鍵酶的互作關系[4-11]，并論述了光呼吸在高光強或其他脅迫環(huán)境條件下對植物的光保護作用[10-14 ]。

在植物的光呼吸過程中，當其他消耗電子的途徑可以忽略或為常數(shù)時，參與碳同化過程的光合電子流(J)可由公式J=[J+8(Ac+Rday) ]/3計算(式中的Ac為凈光合速率，J為總的光合電子流，Rday為日呼吸速率)，參與光呼吸途徑的光合電子流(Jo)則可由公式Jo=2[J-4(Ac+Rday)]/3計算。當植物在確定的環(huán)境條件下，其J和Rday的值是確定的，那么由J的表達式可知，分配到碳同化過程的光合電子流隨Ac的增加而增加，而Ac對CO2濃度的響應又是非線性的。另外，從Jo的表達式可知，分配到光呼吸過程的Jo隨Ac的增加而下降，但Jo對CO2濃度是如何響應則尚不清楚。已有研究結果表明，隨CO2濃度的增加，大豆葉片的光呼吸緩慢地增加到最大值，然后下降[15]。理論上其分配到光呼吸路徑的光合電子流對CO2濃度的響應應該與光呼吸速率對CO2濃度的響應趨勢相同。此外，人們大多只是定性地報道了植物光呼吸速率對CO2濃度的響應問題[11,16-17]，定量研究則鮮見報道[12, 15, 18]。植物的光呼吸速率對不同CO2濃度是如何響應的？植物參與光呼吸過程的光合電子流是如何響應CO2濃度的變化？是否分配到光呼吸的光合電子流或光呼吸達到最大值時，光合碳同化也達到最大值？諸如此類的問題尚不清楚。

為此，本研究以小麥Z39-118為材料，探討小麥葉片光呼吸速率和分配到光呼吸的光合電子流對CO2濃度的響應規(guī)律，以期為光呼吸和分配到光呼吸的光合電子流的定量研究提供理論參考和數(shù)學工具。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與方法

試驗以小麥Z39-118為供試材料。該材料由中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所李振聲院士提供。本試驗于中國北方黃淮海平原的中國科學院禹城綜合試驗站(36°40′～37°12′N，116°22′～116°45′E，海拔23.4 m)的試驗田上開展。所在地區(qū)屬于魯西北地區(qū)有代表性的農(nóng)業(yè)中、高產(chǎn)區(qū)，主要種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟制。冬小麥為冬性中、晚熟類型，十月初播種，播種前一般翻耕整地，施足基肥，翌年三月澆水追肥；春季冬小麥返青后，四月底至五月初澆孕穗、開花水，六月上旬收割。

1.2 測定指標與方法

數(shù)據(jù)測量于2013年5月13-19日的晴天進行。此時小麥處于盛花期。隨機選長勢較為一致的健壯植株，以旗葉作為測量對象[12]。

數(shù)據(jù)測量時，在自然光下誘導1.5～2 h后，采用開放式氣路，設定葉室里的溫度為30±1.3 ℃，流速為400 μmol·s-1，空氣相對濕度控制在45%～70%，流速為400 μmol·s-1，應用CO2注入系統(tǒng)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；應用Li-6400-40熒光探頭提供2 000 μmol·m-2·s-1光合有效輻射強度(PAR)，采用自動測量程序(Flr A-Ci curve)，同時記錄葉片2%O2和21%O2濃度下的氣體交換和葉綠素熒光等參數(shù)。自動測量時，每次記錄最小等待時間為2 min，最大等待時間為3 min，數(shù)據(jù)記錄之前儀器均自動進行參比室和樣品室之間的匹配。

1.3 模型簡介與數(shù)據(jù)處理

1.3.1 模型簡介

(1)傳統(tǒng)計算分配到碳同化和光呼吸光合電子流的模型

參與碳還原的光合電子流[18-20]用J表示為：

J=4(Ac+Rday+R1)

(1)

式中，Ac為凈光合速率，R1為光呼吸速率，Rday為日呼吸速率。由于難以直接測量，一般認為Rday是暗呼吸速率(Rd)的一半[21]。

參與光呼吸的光合電子流[18-20, 22]用Jo表示，表達式為：

Jo=8R1

(2)

當其他消耗電子的途徑可以忽略或為常數(shù)時，則由式(3)和式(4)可知，參與碳同化的光合電子流為：

Jc=1/3[J+8(Ac+Rday)]

(3)

參與光呼吸的光合電子流為：

Jo=2/3[J-4(Ac+Rday)]

(4)

(2)光合電子傳遞速率對CO2濃度響應模型的構建

光合作用對CO2濃度響應的新模型(模型I)[23]的具體表達式為：

Ac=αc(1-βcC)/(1+γcC)C-R1

(5)

式中，Ac為凈光合速率，αc為光合作用對CO2濃度響應曲線的初始斜率，βc和γc為兩個與CO2濃度無關的系數(shù)，C可以表示為大氣CO2濃度(Ca)或胞間CO2濃度(Ci)，R1為光呼吸速率(如擬合2% O2濃度下測量的數(shù)據(jù)，該參數(shù)則為日呼吸速率)。利用模型I可得到植物葉片的飽和CO2濃度(Csat，既可以表示為大氣飽和CO2濃度Ca-sat，也可以表示為飽和胞間CO2濃度Ci-sat)和最大凈光合速率(Ac-max)：

與模型I類似，植物葉片的光合電子傳遞速率對CO2濃度響應模型(模型II)的具體表達式[24]應該為：

J=αec(1-βecC)/(1+γecC)C+Jc0

(6)

式中，J為CO2濃度響應下的電子傳遞速率，αec為電子傳遞速率對CO2濃度響應曲線的初始斜率，βec和γec為兩個與CO2濃度無關的系數(shù)。同樣地，模型II中C也可以表示為Ca或Ci。Jc0為CO2濃度等于0 μmol·mol-1時的電子傳遞速率，該值的大小主要與光呼吸和暗呼吸有關，簡稱為零點電子傳遞速率。類似地，利用模型II可得到植物葉片的飽和CO2濃度(Ca-sat)和最大電子傳遞速率(Jmax)：它們分別由

光呼吸速率(R1)對CO2的響應模型參考葉子飄等[15]的數(shù)學表達式，即：

R1=α(1-βCa)/(1+γCa)Ca+Rp0

(7)

式中，α是光呼吸速率對CO2濃度的響應曲線的初始斜率，β稱為加氧酶系數(shù)，γ稱為羧化酶系數(shù)，Rp0是光強確定而葉室CO2濃度等于0 μmol·mol-1時的光呼吸速率。

由式(7)并結合式(4)可知，分配到光呼吸的光合電子流對CO2濃度的響應為：

Jo=8α(1-βCa)/(1+γCa)Ca+8Rp0

(8)

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

采用“光合計算軟件” (http://photosynthetic.sinaapp.com/calc.html，井岡山大學數(shù)理學院)對試驗數(shù)據(jù)進行分析。利用模型I擬合光合作用對CO2濃度的響應曲線(Ac-Ca曲線)，得到最大凈光合速率(Ac-max)及其對應的飽和光強、CO2補償點等參數(shù)。用模型II擬合電子傳遞速率對CO2的響應曲線(J-Ca曲線)，獲得最大電子傳遞速率(Jmax)及其對應的飽和CO2濃度(Ca-sat)和零點電子傳遞速率(Jc0)等參數(shù)。利用2% O2的凈光合速率減去21% O2濃度下的凈光合速率(ΔAc)獲得光呼吸速率對Ca的響應曲線，并用式(7)進行擬合[15]，獲得最大光呼吸速率(Rl-max)。同時用式(8)擬合光呼吸對CO2濃度的響應曲線得到參與光呼吸的最大光合電子流(Jo-max)及其對應的飽和CO2濃度。采用DPS 7.5 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，并利用配對t檢驗對擬合得到的Jmax與觀測值之間差異進行顯著性分析。作圖由Origin 8.5軟件完成，然后用Adobe Illustrator CS 5進行圖形處理。用確定系數(shù)(r2)表示模型擬合與觀測點的符合程度。

2 結果與分析

2.1 光合作用對CO2濃度的響應

在較低的CO2濃度(<600 μmol·mol-1)下小麥的光合作用對CO2濃度幾乎為線性響應，在較高CO2濃度下則存在CO2飽和現(xiàn)象(圖1a和圖1b)。模型I可以很好地擬合小麥在21%和2% O2條件下的Ac-Ca曲線，r2達到了0.995以上。此外，用2%和21% O2條件下小麥的凈光合速率之差(ΔAc)可得到小麥的光呼吸速率對CO2的響應曲線(R1-Ca曲線)(圖1c)。由圖1c可知，Rl隨CO2濃度的增加而增加，達到最大值后隨之下降，且當CO2濃度等于0 μmol·mol-1時Rl不等于0 μmol·m-2·s-1。

利用模型I和式(7)分別擬合(表1)表明，21%和2% O2條件下小麥光合速率的飽和CO2濃度分別為1 368.27和1 233.32 μmol·mol-1，最大光呼吸速率和外界CO2均為零值時光呼吸速率分別為10.52 和4.27 μmol·m-2·s-1。這些擬合值與觀測值非常接近。

圖1 小麥在21% O2(a)和2%O2(b)條件下光合作用對CO2濃度的響應，以及光呼吸對CO2的響應(c)

表1 21%O2和2%O2條件下小麥光合作用對CO2濃度響應的光合參數(shù)擬合值、最大光呼吸速率等以及其對應的觀測數(shù)據(jù)Table 1 Measured data and fitted results of CO2-response curves of photosynthesis in wheat at 21%O2 and 2%O2, respectively

*:最大光呼吸速率；**:Ca=0 μmol·m-2·s-1時的光呼吸速率。

*：Maximum photorespiratory rate,Rl-cmax；**：Photorespiratory rate atCa=0 μmol·m-2·s-1,Rp0.

2.2 電子傳遞速率對CO2濃度的響應

在21% O2濃度下，在CO2濃度(<400 μmol·mol-1) 較低時小麥的電子傳遞速率對CO2濃度幾乎為線性響應，當CO2濃度為1 000 μmol·mol-1時小麥的電子傳遞速率存在CO2飽和現(xiàn)象(圖1a)；在2% O2濃度下，CO2濃度在0

21%和2% O2條件下小麥最大電子傳遞速率分別為288.73和245.82 μmol·m-2·s-1，其對應的飽和CO2濃度分別為1 115.56和1 202.27 μmol·mol-1(表2)，與觀測值均較為接近。

圖2 小麥在21% O2(a)和2%O2(b)條件下光合電子傳遞速率對CO2濃度的響應

表2 21%O2和2%O2條件下小麥電子傳遞速率對CO2濃度響應的光合參數(shù)擬合值以及其對應的觀測數(shù)據(jù)Table 2 Measured data and fitted results of CO2-response curves of electron transport rate in wheat at 21%O2 and 2%O2, respectively

2.3 分配到光呼吸的電子傳遞速率對CO2的響應

由圖3a可知，由公式(4)計算得到的小麥分配到光呼吸的電子傳遞速率在較低的CO2濃度(約165 μmol·mol-1)下達到最大值，然后隨CO2濃度的增加而快速下降；由圖3b可知，由公式(8)計算得到的小麥分配到光呼吸的電子傳遞速率在較高的CO2濃度(約600 μmol·mol-1)下達到最大值，然后隨CO2濃度的增加而較快下降。模型II可以較好地擬合由公式(4)和公式(8)計算得到的Jo-Ca曲線，r2分別達到了0.964和0.934。

利用模型II擬合給出在21% O2條件下小麥分配到光呼吸的最大電子傳遞速率值分別為86.93和84.17 μmol·m-2·s-1，均與觀測值(89.12 μmol·m-2·s-1)較為接近(P>0.05)；與最大電子傳遞速率值相對應的飽和CO2濃度分別為164.82和589.42 μmol·mol-1，前者遠低于觀測值(600 μmol·mol-1)(表3)。

圖3 用式(4)和式(8)分別計算分配到光呼吸(a, b)的電子傳遞速率對CO2的響應

表3 模型II擬合21%O2條件下小麥電子傳遞速率對CO2響應的光合參數(shù)以及其對應的觀測數(shù)據(jù)Table 3 Measured data and fitted results of CO2-response curves of electron transport rate in wheat at 21%O2

3 討 論

已有的研究結果表明，2%和21% O2濃度下凈光合速率之差可用來估算C3植物葉片的光呼吸速率[12, 15, 25-26]。所以，本研究也以此方法用于探討小麥葉片的光呼吸速率對CO2濃度的響應問題，并在此基礎上分析小麥葉片分配到光呼吸的光合電子流的變化規(guī)律。由圖1可知，由式(7)擬合小麥光呼吸速率對CO2濃度的響應曲線與觀測點高度符合，r2為0.934。由此可見，式(7)擬合的結果以及在此基礎上探討的電子流分配等問題上具有可信性。

光合電子流與NADPH以及光合電子流在傳遞過程產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子梯度驅(qū)動ATP合酶形成ATP之間存在密切的關系[27-28]。而光合電子流分配又是植物光合控制的一個重要環(huán)節(jié)[29]。因此，深入研究不同植物種類及其在不同環(huán)境條件下光合電子流傳遞分配規(guī)律將有助于闡明“光合控制”的特點、模式和機理[30]。在C3植物中，光呼吸是非環(huán)式光合電子流分配的主要途徑[31]。特別在CO2限制的情況下，光呼吸能保持相當?shù)木€性電子傳遞和光能利用，避免由于吸收過量的光能而對植物造成的傷害[32]。因此，對光呼吸所分配電子流的定量研究對探討電子流的分配顯得尤為重要[33]。目前對光呼吸途徑的電子流分配主要采用Epron等[18-20]的計算方法(即式(4))。然而，康華靖等[33]的研究表明,該傳統(tǒng)方法存在缺陷，難以準確估算光呼吸的電子流分配。我們的研究進一步證明了傳統(tǒng)方法計算的分配到光呼吸途徑的光合電子流對CO2濃度的響應變化偏離了實際測量曲線。本研究中，由式(4)估算的用于光呼吸途徑的電子傳遞速率隨CO2濃度的增加而快速增加，當CO2濃度為164.82 μmol·mol-1時達到最大值(86.93 μmol·m-2·s-1)，隨后則快速下降；而由圖3b和表3的數(shù)據(jù)可知，在21% O2濃度下，小麥分配到光呼吸途徑的最大電子傳遞速率為84.16 μmol·m-2·s-1(最大光呼吸速率為10.52 μmol·m-2·s-1)，對應的飽和CO2濃度約為589.42 μmol·mol-1。由此可見，由公式(4)得到與最大電子傳遞速率的飽和CO2濃度(約164.82 μmol·mol-1)遠小于用公式(8)得到的飽和CO2濃度(約589.42 μmol·mol-1)。由于后者是通過氣體交換測量得到光呼吸值，再利用公式(8)計算獲得，因此其值更為可信。另外，在21% O2濃度下且CO2濃度等于0 μmol·mol-1時，小麥的光呼吸速率約為4.27 μmol·m-2·s-1(表1)。假如光呼吸產(chǎn)生一個CO2分子需要消耗8個電子[19, 20, 22]，則小麥所需光合電子流為34.16 μmol·m-2·s-1。該值遠低于利用模型II擬合由式(4)計算而得到的結果(Ca為0 μmol·mol-1時分配到光呼吸電子傳遞速率的擬合值為58.77 μmol·m-2·s-1)，且該擬合值(58.77 μmol·m-2·s-1)也遠高于觀測值(35.24 μmol·m-2·s-1)。此外，公式(4)是在假定光合電子流只分配到光呼吸和碳同化兩條路徑中，忽略了分配到其他路徑的光合電子流。由此可見，用于計算參與光呼吸途徑的光合電子流的公式，即式(4)不能準確地描述Jo對CO2濃度的響應趨勢。

由表2可以看出，模型II擬合小麥在21%和2% O2條件下光合電子傳遞速率對CO2濃度的響應曲線(J-Ca曲線)，得到的最大電子傳遞速率及其對應的飽和CO2濃度與觀測值均較為接近。同樣，利用模型II擬合由式(8)計算而得到的Jo-Ca曲線，得到的分配到光呼吸的最大電子傳遞速率值及其對應的飽和CO2濃度也均與觀測值較為接近(表3)。此外，由表1和表2的數(shù)據(jù)可知，21%和2% O2下小麥最大凈光合速率對應的飽和CO2濃度為1 368.27和1 233.46 μmol·mol-1；而最大電子傳遞速率對應的飽和CO2濃度為1 115.66和1 202.27 μmol·mol-1。該值顯著高于小麥最大光呼吸速率及其最大電子傳遞速率所對應的飽和濃度(589.42 μmol·mol-1)(表1和表3)。由此可知，小麥分配到光呼吸的光合電子流或光呼吸達到最大值時，光合作用并沒有達到最大值。分析認為，一方面與核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)對CO2的親和力要遠高于O2有關，另一方面高CO2濃度抑制光呼吸，有利于Rubisco朝羧化的方向進行。

另外，由圖1c可看出，在較低CO2濃度下，小麥的光呼吸速率隨著CO2濃度的降低而減小。這與光呼吸速率隨CO2濃度增加而降低的生理生化過程不符[34]。同樣，圖3b也顯示，光呼吸分配的電子流也隨著CO2濃度的增加而先升高后降低。管雪強等[35]認為，光呼吸CO2釋放減少或消失也許并不代表Rubisco的加氧活性降低或消失的程度，而是其釋放的CO2被光合重新利用。從葉片細胞的生理結構來看，CO2釋放點靠近葉綠體內(nèi)則，且沒有邊界層、氣孔及細胞壁的限制，因此光呼吸和暗呼吸產(chǎn)生的CO2極易被光合作用重新利用[36]。利用13C同位素的研究已證實光呼吸和線粒體呼吸的CO2釋放均可被光合重新利用[37]。康華靖等[12]認為，對小麥光呼吸速率在低CO2濃度下隨著CO2濃度的降低而減小的唯一合理解釋則是光呼吸CO2被光合作用重新利用。因此，準確估算光呼吸CO2被光合作用重新利用率，對深入探討總光呼吸速率及其電子流分配，以及完善本文所構建的模型具有重要意義。

總之，本研究構建的模型II可較好擬合小麥光呼吸速率和分配到光呼吸的光合電子傳遞速率對CO2濃度的響應曲線，并可給出小麥的最大光呼吸速率和分配到用于光呼吸途徑的最大光合電子傳遞速率，以及所對應的飽和CO2濃度。通過對比這些實驗測量結果和擬合結果可知，用于計算參與光呼吸途徑的光合電子流的公式 并不能準確地描述Jo對CO2濃度的響應趨勢，而本研究構建的新模型可準確地定量探討光呼吸及其光合電子流分配等問題。