不同CO2濃度下閩楠幼苗光合作用及氮素分配的響應機制

王 曉 韋小麗,2 吳高殷 梁 嫻

（1. 貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省森林資源與環(huán)境研究中心，貴州 貴陽 550025）

自工業(yè)革命以來，大氣中的二氧化碳（CO2）濃度日趨升高，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第4次評估報告指出，目前大氣中的CO2摩爾分數(shù)已經(jīng)由工業(yè)化革命前的260～280 μmol/mol上升到2011年的393 μmol/mol，而且還在以每年1.5～2.0 μmol/mol的速度上升[1]。根據(jù)專家推測，到本世紀中，大氣中CO2摩爾分數(shù)將會升高到550 μmol/mol左右，到21世紀末將上升到700～1260 μmol/mol[2]。大氣中CO2濃度升高是工業(yè)革命以來全球范圍內(nèi)最重要的生態(tài)變化之一，直接影響植物的生長發(fā)與和代謝過程。光合作用是植物生長以及實現(xiàn)碳匯功能的重要生理過程，其以CO2為反應原料，效率受CO2濃度變化的影響。CO2濃度升高影響植物光合效率的同時也會對植物的其他生命活動產(chǎn)生重要影響[3?6]。

氮是植物生長必需的大量營養(yǎng)元素之一，Pettersson等[7]的研究指出，植物光合作用在高 CO2濃度下的適應響應取決于氮的供應水平，同時受植株整體水平的源庫關系調(diào)節(jié)。氮素營養(yǎng)不足會限制植物對CO2濃度升高的響應，當?shù)蔀橄拗埔蛩貢r，核酮糖?1,5?二磷酸羧化/加氧酶（Rubisco）中的氮也可能會重新分配到其他酶類或者其他組織和器官，從而對Rubisco進行調(diào)節(jié)，這使得植物光合作用更加受到Rubisco的限制[8]。Wujeska-Klause 等[9]的研究表明，CO2濃度升高會限制植物對氮素吸收利用從而影響植物對CO2濃度升高的積極響應。

CO2濃度升高對閩楠（Phoebe bournei）光合作用的影響已有初步的報道，韓文軍等[10]的研究結果表明，CO2體積分數(shù)加倍處理可以使閩楠的光合速率明顯降低，使其出現(xiàn)嚴重的光合下調(diào)現(xiàn)象，同時閩楠葉綠素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、光呼吸速率以及暗呼吸速率均降低，嚴重影響閩楠的生長。也有研究表明，CO2濃度升高會對閩楠幼苗可溶性糖等物質的積累以及碳氮代謝產(chǎn)生不利影響，進而阻礙閩楠生長[11?12]。CO2濃度升高影響閩楠幼苗光合效率的同時，是否影響CO2響應以及光響應特征參數(shù)，閩楠幼苗葉片氮素營養(yǎng)狀況、分配及利用是否發(fā)生改變等相關報道未作深入研究。本研究以1年生閩楠幼苗為研究對象，研究不同CO2濃度升高對閩楠幼苗光合特性、氮素營養(yǎng)尤其是葉片氮素分配的影響，明確CO2濃度升高條件下閩楠幼苗光合作用尤其是氮素營養(yǎng)的表現(xiàn)，研究結果豐富CO2升高條件下閩楠幼苗光合下調(diào)現(xiàn)象出現(xiàn)機理研究的同時為CO2濃度升高條件下閩楠的栽培調(diào)控措施研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為采自同一母株的種子培育的閩楠1年生容器苗。2019年1月選取長勢一致的健壯容器苗（苗高為(11.26 ± 0.14) cm、地徑為(3.54 ±0.36) mm）移栽至塑料花盆中（15.5 cm × 14.0 cm）。盆栽土壤為黃壤，盆栽土壤特性：pH（4.76）、全氮（0.63 g/kg）、堿解氮（22.1 mg/kg）、全磷（0.22 g/kg）、有效磷（6.2 mg/kg）、全鉀（19.8 g/kg）、速效鉀（213.7 mg/kg）。每盆裝風干土1.5 kg，栽植幼苗1株，移栽后緩苗4個月選取長勢一致健壯盆栽幼苗進行試驗處理。

1.2 試驗設計

采用開頂式氣室（OTC）模擬大氣CO2濃度升高。OTC的外形為正八邊形棱柱狀，邊長1 m，對邊直徑2.42 m，高1.7 m；側面為4 cm × 4 cm方鋼框架，高透光性8 mm鋼化玻璃。為聚攏氣體并使氣體散失速度放緩，OTC頂部開口向內(nèi)斜45°。氣室內(nèi)CO2濃度采用GMP?220 CO2傳感器裝置控制（VAISALA，芬蘭），采集后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，主機通過運行設定的程序分別控制各氣室的電磁閥的開關，將氣室內(nèi)的CO2濃度控制在目標濃度范圍內(nèi)。試驗設置3個CO2濃度水平：自然水平（CK）、高濃度CO2水平1（T1）、高濃度CO2水平2（T2），CK氣室通入自然空氣(350 ± 70) μmol/mol，T1氣室通入CO2氣體，控制CO2濃度為(500 ± 100) μmol/mol，T2氣室通入CO2氣體，控制CO2濃度為(700 ± 10) μmol/mol，不同CO2濃度氣室溫度相差0.5～1 ℃。每個濃度設置3次重復，每個重復15株苗。于2019年6月16日—8月26日開始通氣，處理結束后取樣測各試驗指標。

1.3 指標測定方法

1.3.1 葉綠素含量測定

每個重復選取5株，取幼苗中上部功能葉稱量0.15 g，采用乙醇浸提，用紫外分光光度法測定浸提液在663 nm和645 nm下的吸光度（OD663、OD645），根據(jù)公式（1）～（2）計算葉綠素a含量（Ca）、葉綠素b含量（Cb）。

1.3.2 凈光合速率測定

采用Li?6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)（LI?COR，美國），每個重復選取3株苗，每株選取中上部3片完全展開的功能葉，于晴天9：00—11：00測定，測定時采用 CO2小鋼瓶控制aCO2氣室測定時葉片葉室CO2濃度350 μmol/mol，T1氣室測定時葉片葉室CO2濃度為500 μmol/mol，T2氣室測定時葉片葉室CO2濃度為700 μmol/mol，利用系統(tǒng)自配紅藍光源補光，光量子通量密度設定為1200 μmol/(m2?s)。

1.3.3 CO2響應曲線測定

采用Li?6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)（LI?COR，美國）測定不同處理閩楠幼苗葉片CO2響應曲線。測定前1000 μmol/(m2?s)光強對葉片進行光誘導20 min左右，CO2濃度梯度為400、300、100、50、150、250、400、800、1200、1500 μmol/mol，最小等待時間120 s，最大等待時間200s。采用非直角雙曲線模型對曲線進行擬合，測得最大RuBP羧化速率（Vc max）、RuBP再生光合電子傳遞速率（Jmax）。

1.3.4 光響應曲線測定

采用Li?6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)（LI?COR，美國）測定不同處理閩楠幼苗葉片光響應曲線。測定前1 000 μmol/(m2?s)光強對葉片進行光誘導20 min左右，光合有效輻射強度為1800、1400、1000、800、500、250、150、100、60、30、0 μmol/(m2?s)，最小等待時間120 s，最大等待時間200 s。采用非直角雙曲線模型對曲線進行擬合，測得光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）、最大凈光合速率（Amax）、暗呼吸速率（Rd）、表觀量子效率（AQE）。

1.3.5 葉片氮含量及葉面積測定

采用凱氏定氮法測得葉片氮含量（NM），采用掃描法計算葉面積，根據(jù)葉面積計算比葉質量（SLW）以及單位面積葉氮含量（Narea）。

1.3.6 光合機構氮素分配及光合氮利用效率（PNVE）計算

氮在葉片光合機構中的分配主要分3部分：RuBP羧化的氮素（NC）、光合電子傳遞和磷酸化的氮素（NB）及捕光組分的氮素（NL）。計算公式參考Niinemets 等[13]。

式中：Vcr為Rubisco比活度，Jmc為以細胞色素為基礎的潛在光合電子流，CC為葉綠素含量，CB為結合在PSⅠ、PSⅡ以及LHCⅡ上的葉綠素含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用 Excel 2007進行數(shù)據(jù)的錄入和圖表的繪制，采用 SPSS 20. 0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析和多重比較檢驗分析數(shù)據(jù)差異顯著性，試驗數(shù)據(jù)用平均值 ± 標準差表示。

2 結果與分析

2.1 CO2濃度升高對閩楠幼苗CO2響應曲線及特征參數(shù)的影響

由圖1可知，當CO2濃度小于400 μmol/mol時，不同處理閩楠幼苗葉片凈光合速率隨CO2濃度增加快速增加，當CO2濃度高于400 μmol/mol時，凈光合速率增加速度較慢且逐漸穩(wěn)定趨于飽和狀態(tài)；不同CO2濃度條件下Pn的基本表現(xiàn)為T1> CK > T2。

圖1 不同處理對閩楠幼苗CO2響應曲線的影響Fig. 1 Effect of different treatments on CO2 response curve of P. bournei seedlings

由圖2可知，對不同處理閩楠幼苗CO2響應曲線進行擬合得到Vc max和Jmax，不同CO2濃度升高條件對Vc max的影響表現(xiàn)為T1條件增加，T2條件降低，T1條件下閩楠幼苗Vcmax顯著高于CK和T2（P< 0.05），分別比CK、T2提高6.79%、21.65%，且兩兩間差異顯著（P< 0.05）；不同CO2濃度對Jmax無顯著影響。說明CO2濃度不同升高程度對閩楠幼苗最大電子傳遞速率沒有顯著影響，對最大羧化速率的影響因CO2濃度升高程度而不同。

圖2 不同處理對閩楠幼苗最大羧化速率即最大電子傳遞速率的影響Fig. 2 Effects of different treatments on Vcmax and Jmax of P. bournei seedlings

2.2 CO2濃度升高對閩楠幼苗光響應曲線及特征參數(shù)的影響

由圖3可知， 當光強度小于250 μmol/(m2?s)時，不同CO2處理閩楠幼苗葉片凈光合速率均快速增加；當光強度在250～800 μmol/(m2?s)時，不同CO2處理閩楠幼苗葉片凈光合速率增速逐漸降低，且不同處理間的差異逐漸增大；光強度達到800 μmol/(m2?s)時，T2處理閩楠幼苗葉片凈光合速率逐漸趨于穩(wěn)定；當光強度大于800 μmol/(m2?s)時，CK及T1各處理閩楠幼苗葉片凈光合速率逐漸趨于穩(wěn)定。不同光強度條件下基本表現(xiàn)為T1> CK > T2。由表1可知，擬合得到的不同CO2處理閩楠幼苗光響應特征參數(shù)中，不同CO2濃度處理對閩楠幼苗LCP、Rd以及AQE無顯著影響；T1處理的LSP、Amax略高于CK，顯著高于T2（P< 0.05），分別高40.67%和29.44%。說明適當增加CO2濃度會增加幼苗的光飽和點和最大凈光合速率。

圖3 不同處理對閩楠幼苗光響應曲線的影響Fig. 3 Effects of different treatments on photoresponse curve of P. bournei seedlings

表1 不同處理對閩楠幼苗光響應特征參數(shù)的影響Table 1 Effects of different treatments on characteristic parameters of photoresponse of P. bournei seedlings

2.3 CO2濃度升高對閩楠幼苗葉片氮素分配的影響

由表2可知，不同CO2濃度升高條件對閩楠幼苗葉片氮素在各機構的分配影響不同。CO2濃度升高對閩楠幼苗NL、NT影響不顯著，對SLW、NM、Narea、NC、NB的影響依CO2濃度升高程度不同，即T1與CK無顯著差異，但顯著高于T2（P< 0.05）。T1CO2處理的SLW、NM、Narea、NC較T2處理分別增加8.71%、7.33%、16.70%、15.97%，NB減少14.45%。說明一定程度的CO2濃度升高對閩楠幼苗葉片氮素積累及分配不會產(chǎn)生顯著影響，但較高程度的CO2濃度升高在降低閩楠幼苗葉片氮素含量的同時會減少氮素在RuBP羧化作用的分配。

表2 不同處理對閩楠幼苗葉片氮素分配的影響Table 2 Effects of different treatments on nitrogen partitioning in leaves of P.bournei seedlings

2.4 CO2濃度升高對閩楠幼苗葉片光合氮利用效率的影響

不同CO2濃度處理對閩楠幼苗葉片光合氮利用效率的影響不同（圖4），CK處理閩楠幼苗PUNE與T1沒有顯著差異，但兩者的PUNE與T2差異顯著（P< 0.05），T1、CK的PUNE分別比T2高17.34%、13.55%，說明過高的CO2濃度處理降低了閩楠的光合氮利用效率。

圖4 不同處理對閩楠幼苗葉片光合氮利用效率的影響Fig. 4 Effects of different treatments on PNUE of P. bournei seedlings

3 結論與討論

植物CO2響應曲線特征參數(shù)中Vcmax和Jmax是表征植物光合能力的重要參數(shù)[15]。本研究結果表明，CO2濃度升高對閩楠幼苗Jmax無顯著影響，主要影響Vcmax，T1和T2較CK分別顯著提高和降低閩楠幼苗Vcmax，說明適當?shù)腃O2濃度升高可以提高閩楠幼苗羧化反應效率，促進光合作用，而CO2濃度大幅度增加則不利于閩楠幼苗的碳同化。T1的Vcmax提高的原因可能是CO2濃度的適當升高增加了光合作用的底物進而提高羧化反應效率[16]。T2的Vc max降低原因可能是葉片Rubisco含量降低[11]。Vc max是RuBP的最大羧化速率，與Rubisco含量成正比，T2的閩楠幼苗葉片氮含量降低導致Rubisco含量減少的同時降低Vc max。光合作用是植物利用光能的過程，CO2濃度升高影響閩楠幼苗光合效率、葉綠素含量以及對CO2濃度響應的同時可能也會影響到對光照的響應[17]。本研究結果表明，CO2濃度升高對閩楠幼苗LCP、Rd以及AQE無顯著影響，主要影響LSP和Amax，其中T2處理顯著降低閩楠幼苗Amax，而T1處理對閩楠幼苗Amax則無顯著影響。T2處理下閩楠幼苗Amax的降低說明閩楠幼苗的光能利用能力和對光環(huán)境的適應性都有所降低，這也可能是T2條件下閩楠幼苗出現(xiàn)光合下調(diào)現(xiàn)象的原因。

植物葉片的氮含量與光合作用具有顯著相關性，通常情況下，植物葉片氮含量越高，光合效率也越高[18]。本研究結果中，T2處理顯著降低閩楠幼苗葉片單位質量以及單位面積的氮素含量，而T1處理對閩楠幼苗葉片單位質量以及單位面積的氮素含量無顯著影響，說明CO2濃度適當升高對閩楠幼苗葉片的氮素吸收不會產(chǎn)生不利影響，而CO2濃度大幅度升高則會影響閩楠幼苗葉片對氮素的吸收，因而抑制光合作用。有研究也指出，CO2濃度升高條件下植物光合效率變化是CO2濃度升高對植物氮素吸收代謝的影響所致[7]。CO2濃度升高對植物光合作用的影響與植物體內(nèi)的氮素狀態(tài)具有密切聯(lián)系[19]。除了葉片氮含量影響葉片光合速率，氮素在葉片中的分配對葉片的光合速率以及環(huán)境變化的適應性也有重要的影響[20?21]。本研究結果表明，T1的閩楠幼苗葉片氮含量及其在RuBP羧化部分的分配較CK無顯著變化，T2的閩楠幼苗葉片氮含量及其在RuBP羧化部分的氮素分配則顯著低于CK和T1，說明CO2濃度顯著升高影響閩楠幼苗葉片氮含量和氮素在RuBP羧化部分的分配。RuBP羧化是光合作用碳固定的重要反應，由Rubisco催化，Rubisco是植物葉片中最豐富的蛋白質，約占葉片可溶性蛋白的50%[22]。T2的閩楠幼苗葉片氮素在RuBP羧化部分減少會降低葉片內(nèi)Rubisco的含量，影響碳同化的同時影響光合效率，而這也可能是T2處理閩楠幼苗出現(xiàn)光合下調(diào)現(xiàn)象的關鍵原因[11]。Zhang等[23]的研究也發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高條件下入侵草類薇甘菊（Mikania micrantha）和飛機草（Chromolaena odorata）葉片氮含量降低的同時Rubisco含量也降低。

氮素是植物生長必須的大量礦質元素，氮素營養(yǎng)狀況直接影響植物的各個生理過程[24?26]。光合氮利用效率即光合速率與葉片氮含量的比值，其是反映植物葉片氮素利用和光合生理的重要參數(shù)[27]。有研究表明，CO2濃度升高會降低桉樹的光合氮利用效率[28]。本研究結果表明，T2顯著降低閩楠幼苗葉片的光合氮素利用效率，T1對其則無顯著影響，說明適當?shù)腃O2濃度升高不會影響閩楠苗光合氮利用效率，大幅度升高則對光合氮素利用效率起到抑制作用，同時CO2濃度大幅度升高處理閩楠幼苗氮素含量及光合速率均降低而光合氮素利用效率即兩者比值同時降低，說明該處理閩楠幼苗光合速率下降幅度更大。T2下閩楠幼苗光合氮利用效率降低會影響幼苗體內(nèi)各種酶類的合成進而影響生理代謝，其中光合作用的關鍵酶Rubisco的合成可能因為光合氮利用效率的降低受到不易影響，最終抑制光合作用，因此不同處理閩楠幼苗葉片的光合氮素效率也是導致光合速率不同以及閩楠幼苗出現(xiàn)光合下調(diào)現(xiàn)象的原因[11, 29]。

適當?shù)腃O2濃度升高不會影響閩楠幼苗的光合作用及氮素利用，CO2濃度大幅度升高則會降低閩楠幼苗葉片氮素含量以及氮素在光合機構RuBP羧化部分的分配，同時降低葉片光合氮利用效率，最終影響光合效率。改變閩楠幼苗葉片的氮素狀態(tài)對CO2濃度升高條件下調(diào)控光合效率具有重要研究價值。