高CO2濃度對不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片光合作用的影響①

蔡 穎，張繼雙，蔡 創(chuàng)，朱春梧*

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

自工業(yè)革命以來，大氣CO2濃度([CO2])已由約280 μmol/mol上升到410 μmol/mol左右，預(yù)計(jì)21世紀(jì)末將達(dá)到700 μmol/mol[1]。CO2作為光合作用的底物，[CO2]升高勢必會增加C3作物葉片的光合速率[2]，從而促進(jìn)生長，提高產(chǎn)量[3]。氮(N)作為植物生長過程中必需的礦質(zhì)元素，參與核酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的組成，能夠通過影響植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)，來影響光合作用[4]。植物從土壤中吸收的氮主要是無機(jī)態(tài)氮，包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮植物對無機(jī)態(tài)氮的吸收與它們各自的喜好[6]以及土壤環(huán)境中氮的可利用性有關(guān)[7]。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮作為不同形態(tài)的氮素營養(yǎng)對植物的生理生化過程影響是不同的[8]。有研究發(fā)現(xiàn)，植物在供銨態(tài)氮條件下由于表現(xiàn)出較高的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)含量和活性、1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)再生速率以及較少的能量消耗，導(dǎo)致供銨態(tài)氮植物的光合速率高于供硝態(tài)氮植物[8]。Raab和Terry[9]的研究也發(fā)現(xiàn)，植物在銨態(tài)氮營養(yǎng)條件下有著更高的光合速率。而植物對高[CO2]的響應(yīng)與氮的可利用性[10]以及氮的供給形態(tài)有關(guān)[11-12]。

水稻是世界主要糧食作物之一[13]。未來高[CO2]會顯著增加水稻葉片的光合作用，從而增加其生長和產(chǎn)量[14]。然而，由于水稻田長期處于淹水狀態(tài)，使得稻田土壤中的無機(jī)氮以銨態(tài)氮為主；但在水稻實(shí)際生產(chǎn)中常用的烤田措施，又會使稻田土壤無機(jī)氮在特定時(shí)間以硝態(tài)氮為主。因而不同的氮素供給形態(tài)是否會影響水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應(yīng)，值得進(jìn)一步研究。此外，前人研究發(fā)現(xiàn)，秈稻和雜交稻比粳稻更能高效地利用高[CO2]，因而秈稻和雜交稻產(chǎn)量在高[CO2]下增加的幅度要高于粳稻[15]，故不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應(yīng)是否在品種間存在差異也需要進(jìn)行研究。因此，本研究利用人工氣候生長箱精準(zhǔn)控制大氣[CO2]，以粳稻(武運(yùn)粳23和淮稻5號)、秈稻(揚(yáng)稻6號)和雜交稻(Y-兩優(yōu)6號)為試驗(yàn)材料，研究不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應(yīng)，以期為未來高[CO2]下水稻高效生長的肥料管理策略提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試水稻品種

供試水稻(Oryza sativaL)為：武運(yùn)粳23號(WYJ)、淮稻5號(HD)、揚(yáng)稻6號(YD)和Y-兩優(yōu)6號(Y-LY)，其中WYJ和HD為粳稻品種，YD為秈稻品種，Y-LY為雜交稻品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)兩種氮素形態(tài)和兩種[CO2]處理。供氮形態(tài)分別為和1 mmol/L分別以表示。此外，添加0.59 g/L的雙氰胺(DCD)作為硝化抑制劑，5 mmol/L MES作為pH緩沖劑。[CO2]處理分別為大氣[CO2](400 μmol/mol)處理、高[CO2](600 μmol/mol)處理。本試驗(yàn)共4個(gè)處理，即+高大氣[CO2]、

水稻種子經(jīng)10% H2O2消毒30 min后，用蒸餾水清洗，清洗后均勻地鋪于育秧盤中，使其在34℃的恒溫避光條件下露芽，露芽后的種子接著在0.5 mmol/L CaCl2溶液中暗培養(yǎng)3 d后使水稻幼苗在改進(jìn)的木村B完全營養(yǎng)液[16]中培養(yǎng)，調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH為5.5左右，并將水稻幼苗放置在生長箱中。改進(jìn)的木村B完全營養(yǎng)液配方為：0.25 mmol/L(NH4)2SO4，0.5 mmol/L KNO3，0.18 mmol/L NaH2PO4·2H2O，0.18 mmol/L KCl，0.36 mmol/L CaCl2·2H2O，0.6 mmol/LMgSO4·7H2O，9 μmol/L MnCl2·4H2O，0.1 μmol/L (NH4)2MoO4，10 μmol/L H3BO3，0.7 μmol/L ZnSO4·7H2O，0.3 μmol/L CuSO4·5H2O，20 μmol/L FeSO4·7H2O-EDTA。生長箱光周期設(shè)置為14 h/10 h(白天/夜晚)，相對濕度為70%，晝夜溫度分別為30℃和22℃，光合有效輻射(PAR)為800 μmol/(m2·s)。7 d后選取長勢一致的幼苗移栽至不透光的容器中進(jìn)行氮素形態(tài)處理和[CO2]處理，處理的營養(yǎng)液組成見表1。每個(gè)處理重復(fù)4次，營養(yǎng)液每3 d更換1次，待處理28 d后，對水稻葉片進(jìn)行光合測定。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

葉綠素色度比值：采用葉綠素儀(型號SPAD-502)測定新展開完全葉SPAD值，每個(gè)重復(fù)測定1片葉，每片葉測定8次，取平均值。

表1 不同氮素供給形態(tài)下營養(yǎng)液中大量和微量元素含量Table 1 Macroelement and microelement contents in nutrient solutions under different N supply forms

葉片光合作用測定：采用Li-Cor6800便攜式光合系統(tǒng)分析儀測定水稻新展開完全葉的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(gs)和蒸騰速率(Tr)，按照公式計(jì)算水分利用效率(WUE)：WUE=Pn/Tr。測定時(shí)大氣[CO2]和高[CO2]所選的參比CO2濃度分別是400和600 μmol/mol，光強(qiáng)設(shè)定為1 500 μmol/(m2·s)，流速設(shè)定為500 m/s，葉溫設(shè)定為30℃，相對濕度設(shè)定在50% ~ 60%。每一葉片測定3次取平均值，每個(gè)處理測定4次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS Statistics 23進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 2018作圖，采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行處理間的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高[CO2]對不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片SPAD值的影響

由圖1可知，無論在何種氮素供給形態(tài)下，高[CO2]對WYJ、HD和Y-LY葉片的SPAD值都無顯著影響；高[CO2]雖然顯著降低了NH4+處理下YD葉片的SPAD值，但降幅僅3.7%。因而，總體而言，高[CO2]對水稻葉片SPAD值影響不大。

2.2 高[CO2]對不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片凈光合速率(Pn)的影響

由圖2可知，高[CO2]促進(jìn)了處理下水稻葉片Pn，使處理下WYJ、YD和Y-LY葉片Pn分別增加24.1%、43.2% 和30.9%，差異達(dá)到顯著水平；但對HD葉片Pn無顯著影響。相比處理，高[CO2]對處理水稻葉片Pn影響不大，僅顯著地促進(jìn)了WYJ葉片Pn，使其增加22.2%；對其他水稻葉片無顯著影響。相比處理，處理水稻葉片Pn高于NO–3處理。[CO2]和氮素形態(tài)對Pn有著顯著的交互作用，品種、[CO2]和氮素形態(tài)對Pn也有顯著的交互作用(表2)。

2.3 高[CO2]對不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片胞間CO2濃度(Ci)的影響

表2 高[CO2]、氮素供給形態(tài)及品種對水稻葉片光合參數(shù)影響的方差分析Table 2 Variance analysis of effects of elevated [CO2] ,N supply forms and varieties on photosynthetic parameters of rice leaves

由圖3可知，高[CO2]極顯著地提高了各氮素供給形態(tài)下水稻葉片Ci，在處理下，WYJ、HD、YD和Y-LY分別增加45.5%、45.3%、42.1% 和39.1%；在處理下WYJ、HD、YD和Y-LY分別增加57.8%、44.8%、65% 和37.7%。而且，從圖3可知，處理下的水稻葉片Ci值普遍高于處理。

2.4 高[CO2]對不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片氣孔導(dǎo)度(gs)的影響

由圖4可知，高[CO2]不同程度地降低了水稻葉片gs，在處理下，WYJ、HD、YD和Y-LY葉片的gs分別降低26%、37.6%、21.7% 和25.9%，差異達(dá)到顯著水平；在處理下，HD、YD和Y-LY葉片的gs分別降低41.5%、25.1% 和45.4%，差異達(dá)到顯著水平，但對WYJ降幅不顯著。由此可知，粳稻(WYJ和HD)葉片gs在處理下對高[CO2]的響應(yīng)大于秈稻(YD)，雜交稻(Y-LY)葉片gs在處理下對高[CO2]的響應(yīng)大于粳稻和秈稻。

2.5 高[CO2]對不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片蒸騰速率(Tr)的影響

由圖5可知，高[CO2]會降低水稻葉片Tr，使處理下WYJ、HD和Y-LY葉片的Tr分別降低18.4%、33.6% 和21.1%，差異達(dá)到顯著水平，但對YD降幅不顯著；使處理下YD和Y-LY葉片的Tr降低27.3% 和40.4%，差異達(dá)到顯著水平，但對WYJ和HD降幅不顯著?？梢姡救~片Tr在處理下對高[CO2]的響應(yīng)大于秈稻，而雜交稻葉片Tr在處理下對高[CO2]的響應(yīng)大于粳稻和秈稻。

2.6 高[CO2]對不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片水分利用效率(WUE)的影響

由圖6可知，無論是NO–3處理還是處理，高[CO2]都能促進(jìn)水稻葉片WUE。在處理下，高[CO2]使WYJ、HD、YD和Y-LY葉片的WUE分別增加52.2%、55.5%、54.7% 和66.6%，差異達(dá)到顯著水平。在NH4+處理下，高[CO2]使WYJ、YD和Y-LY葉片的WUE分別增加37.6%、28.7% 和70.8%，差異達(dá)到顯著水平，但對HD的增幅無顯著影響。因而，相比NH4+處理下，高[CO2]更能促進(jìn)NO–3處理下水稻葉片WUE。

3 討論

本研究表明，[CO2]及氮素供給形態(tài)對水稻葉片Pn會產(chǎn)生顯著的交互作用，其具體表現(xiàn)為高[CO2]顯著或極顯著地增加了NO–3處理下的WYJ、YD和Y-LY水稻葉片的Pn，增幅為24% ~ 43%；但在處理下，高[CO2]對水稻葉片的Pn影響不大(圖2)。這一結(jié)果與Li等[17]的研究結(jié)果相同，但不同于Cruz等[18]的研究結(jié)果。這些研究結(jié)果表明植物葉片光合作用對高[CO2]的響應(yīng)與氮素供給形態(tài)有關(guān)，但由于目前高[CO2]對不同氮素供給形態(tài)下水稻光合作用的研究還是空白，對其他植物還只是初步的研究，故水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應(yīng)為何偏向于硝態(tài)氮或銨態(tài)氮，還有待于進(jìn)一步研究。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，水稻品種響應(yīng)差異明顯，粳稻(WYJ和HD)葉片的Pn在處理下要明顯高于秈稻(YD)和雜交稻(Y-LY)；高[CO2]明顯促進(jìn)了處理下WYJ葉片的Pn，對其他水稻卻無顯著影響(圖2)。處理下WYJ和HD葉片的Pn明顯高于YD和Y-LY可能與WYJ和HD葉片的SPAD值(圖1)比YD和Y-LY更高有關(guān)。因?yàn)镾PAD值標(biāo)示著葉片中葉綠素含量，能近似反映葉片中氮素積累量[19]。當(dāng)葉片氮素累積量低時(shí)，葉片的Pn值也會低[20]。高[CO2]對處理下C3作物葉片Pn的影響還存在種間和種內(nèi)的差異[17-18,21]，因而除WYJ外其他水稻葉片Pn在高[CO2]下無顯著差異的原因還有待進(jìn)一步研究。此外，與NO–3處理相比，NH4+處理下水稻葉片的Pn值更高(圖2)，這與孫園園等[22]的研究結(jié)果相一致。有研究顯示，NH4+處理下葉片更高的Pn值可能與Rubisco含量有關(guān)[9]。根據(jù)Raab 和Terry[9]的研究，供以銨態(tài)氮營養(yǎng)的植物有著更高的Rubisco含量；由于Rubisco含量會影響植物的光合作用，因而，在NH4+處理下高含量的Rubisco會導(dǎo)致葉片的Pn值更高。植物葉片的光合作用除了受Rubisco含量影響外，還可能受氣孔導(dǎo)度的影響[23]。Farquhar和Sharkey[24]認(rèn)為，當(dāng)Pn、gs和Ci值同時(shí)下降時(shí)，Pn的下降可認(rèn)為與gs有關(guān)。而本研究發(fā)現(xiàn)，雖然水稻葉片在處理下有著更高的Pn和gs，但水稻葉片在處理下的Ci值普遍高于處理，因而推測處理下水稻葉片有著更高的Pn與gs無關(guān)。這一點(diǎn)不同于Raab 和Terry[9]的研究結(jié)果，其可能是研究的植物種類以及環(huán)境條件存在差異所致。

氣孔是植物與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的門戶，其開閉活動控制著CO2和水汽進(jìn)出葉片，從而影響葉片的光合作用和蒸騰作用[25]。本研究結(jié)果表明，高[CO2]顯著降低水稻葉片的gs，使處理下水稻葉片的gs降低22% ~ 38%，使處理下水稻葉片的gs降低12% ~ 45%。有研究顯示，葉片氣孔導(dǎo)度的降低可能與植物為保持細(xì)胞間分壓的穩(wěn)定性有關(guān)[26]；植物在高[CO2]條件下通過調(diào)節(jié)氣孔開閉程度來降低胞間[CO2]，由于氣孔對胞間[CO2]很敏感，胞間[CO2]過高會引起氣孔的關(guān)閉，進(jìn)而降低氣孔導(dǎo)度[26]，這一結(jié)果與邵在勝等[27]和周寧等[28]的研究結(jié)果相一致。另外，相對處理，處理?xiàng)l件下水稻葉片gs值更高，究其原因可能與處理下營養(yǎng)液pH增加有關(guān)。因?yàn)樵黾拥膒H可能會通過改變保衛(wèi)細(xì)胞膜離子通量而影響保衛(wèi)細(xì)胞的活性以及氣孔孔徑，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度降低[29]。并且，本研究發(fā)現(xiàn)，不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片的gs和Tr對高[CO2]的響應(yīng)在品種間存在很大的差異，具體表現(xiàn)為：處理下粳稻葉片的gs和Tr對高[CO2]的響應(yīng)大于秈稻，但是處理下雜交稻葉片的gs和Tr對高[CO2]的響應(yīng)大于粳稻和秈稻。然而，不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片的gs和Tr對高[CO2]的響應(yīng)在品種間差異的原因尚未明確，有待進(jìn)一步的研究。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，與葉片gs的結(jié)果類似，高[CO2]會降低水稻葉片的Tr，使處理下水稻葉片的Tr降低8% ~34%，處理下降低11% ~ 40%。這是因?yàn)楦遊CO2]會導(dǎo)致葉片gs下降，氣孔阻力增加，從而減少了葉片內(nèi)水分的逸出量，使蒸騰作用也相應(yīng)減弱[3]，這與Meng等[30]的研究結(jié)果一致。

本研究表明，高[CO2]顯著增加了水稻葉片WUE，這與Pn和gs有關(guān)。因?yàn)楦遊CO2]會增加水稻葉片的Pn，降低葉片的gs，引起Tr下降；又因WUE為Pn與Tr的比值，因而增加的Pn和降低的Tr會共同導(dǎo)致水稻W(wǎng)UE的增加，這與Seibt等[31]利用同位素技術(shù)研究高[CO2]對植物WUE影響的結(jié)果相一致。此外，本研究結(jié)果顯示，水稻葉片的WUE在處理下對高[CO2]的響應(yīng)要高于處理，其原因可能是在處理下高[CO2]對Pn的促進(jìn)作用要高于處理。Li等[17]在研究高[CO2]對不同比率下植物WUE影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)，無論在單位葉片水平上還是單位植株水平上，植物WUE在處理下為0/100)對高[CO2]的響應(yīng)要高于處理為100/0)，并且這種更高的響應(yīng)與其在

NO–3處理下有著更高的Pn有關(guān)。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，水稻品種響應(yīng)存在差異；在NH4+處理下雜交稻葉片的WUE對高[CO2]的響應(yīng)要明顯高于粳稻和秈稻，這與上述原因類似，主要是因?yàn)殡s交稻的Tr對高[CO2]的響應(yīng)要高于粳稻和秈稻。通常，植物WUE越高，抵御干旱脅迫的能力越強(qiáng)，越有利于適應(yīng)干旱脅迫的環(huán)境[32]。因而，在未來高[CO2]條件下，處理的水稻以及處理的雜交稻有更高的WUE，表明其有更強(qiáng)的抵御干旱脅迫的能力。

4 結(jié)論

本研究利用人工氣候箱首次探究不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應(yīng)，結(jié)果表明，水稻葉片的光合作用和水分利用效率對高[CO2]的響應(yīng)與氮素供給形態(tài)有關(guān)，且不同氮素供給形態(tài)下水稻葉片的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率對高[CO2]的響應(yīng)在不同基因型品種間存在很大的差異。本試驗(yàn)說明了合理選擇不同基因型的水稻品種來高效利用不同氮素形態(tài)及抵御未來可能的干旱脅迫的必要性。