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      定量研究植物葉片從遮陰到見光的光合誘導過程

      來源:北京力高泰科技有限公司 發布時間:2018-09-26 15:32:46 點擊數:925 使用提問 咨詢價格
              在自然條件下,植物葉片所接受的光照強度經??焖僮兓簭恼陉幍酵耆庹?,或者從光照再到互相遮陰,亦或云層遮擋住了太陽,葉片被其他葉片、莖干和其他組織所遮擋等等。凈光合速率(A,μmol/m2/s)對光照強度的響應要滯后于光強自身的變化,當遮陰的葉片突然暴露在高強度的光照下,葉片光合速率會逐漸升高并最終達到一個新的穩定狀態。這個過程稱為光合誘導(Photosynthetic Induction)。根據植物種類、品種、生長環境和外界環境因子(CO2濃度、溫度、濕度等)的不同,誘導達到穩定的時間從幾分鐘到數小時不等。

              目前,很多研究都關注植物葉片的動態光合。這是因為:⑴Rubisco酶的激活速度決定能否增加光合原料(光、CO2等)的利用效率和植物的生產力(Carmo Silva et al., 2015);⑵氣孔的響應速度與葉片的瞬時水分利用效率(WUEi)有關(Lawson and Blatt, 2014);⑶非光化學猝滅(NPQ)的馳豫速度關系到弱光條件下葉片的光合量子產率(Murchie and Nivogi 2011);⑷考慮動態光合,能夠更準確地預測植被的潛在生產力(Kaiser et al., 2015)。


              為了探究這些問題的答案,對葉片動態光合的特點和行為模式的研究至關重要。關于這方面的實驗測量也是量化動態光合限制因子,并且估算這些限制因子如何受到環境條件影響的數據基礎。

            LI-6800高級光合熒光測量系統的Auto Program功能,可實現全自動穩態光響應曲線、穩態A-Ci曲線、動態A-Ci曲線、以及光合誘導氣體交換的測量。

      舉個例子

      以下所有數據均出自Taylor SH, Long SP. 2017 Slow induction of photosynthesis on shade to sun transitions in wheat may cost at least 21% of productivity. Phil. Trans. R.Soc. B 372:20160543.

      圖1 a.三種實驗材料的穩態光響應曲線;b. PPFD從50到1200 μmol/m2/s動態光合誘導曲線(空心圓+實線表示CO2濃度為100 μmol/mol時的光合誘導過程,實心圓+虛線表示CO2濃度為400 μmol/mol時的光合誘導過程)。




      圖2 從50 μmol/m2/s到1200μmol/m2/s的光合誘導過程中的動態A-Ci曲線 :a. 20 s;b. 1min;c. 2.5 min;d. 3 min;e. 4.5 min;f. 10 min。在光合誘導后的前40 s,植物光合主要受限于Ac,Vcmax也顯著低于穩態光合。隨著誘導進行,Vcmax和J均開始升高,且J升高要快于Vcmax。


      圖3. 從50 μmol/m2/s到1200μmol/m2/s的10 min光合誘導過程中,光合限制的變化情況。a. Rubisco酶限制Vcmax;b. 電子傳遞限制J;c. Vcmax和J兩種限制因素的拐點Ci。


      圖4 a. 模擬葉片表面在晴朗的一天中所接受到的PPFD變化;b. 根據光響應曲線估算的一天總光合CO2累積量A*(實線) VS 考慮光合誘導引起的Rubisco再活化后估算的一天總光合CO2累積量A*(虛線);c. 正午時間段,無光合誘導滯后現象的光合速率(實心圓)和考慮Rubisco活化后的光合速率(空心圓)。


      結論
              通過對光合誘導過程的測量與分析,我們可以:⑴ 量化植物葉片在從遮陰到見光的光合誘導過程中的光合響應速度;⑵ 通過動態A-Ci曲線的測量,揭示環境因素對誘導適應速度的影響;⑶ 估算出由于慢速誘導適應所造成的的潛在產量損失。
       

      參考文獻

      1. Taylor SH, Long SP. 2017 Slow induction of photosynthesis on shade to sun transitions in wheat may cost at least 21% of productivity. Phil. Trans. R. Soc. B 372:20160543.
      2. Kaiser et al., 2017. Photosynthetic induction and its diffusional, carboxylation and electron transport processes as affected by CO2 partial pressure, tempera-ture, air humidity and blue irradiance. Annals of Botany 0: 1–15, 2016.
      3. Woodrow IE, Mott KA. 1989 Rate limitation of nonsteady-state photosynthe-sis by ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase in spinach. Aust. J. Plant Physiol. 16, 487–500.
      4. Zhu XG, Ort DR, Whitmarsh J, Long SP. 2004 The slow reversibility of photosystem II thermal energy dissipation on transfer from high to low light may cause large losses in carbon gain by crop canopies: a theoretical analysis. J. Exp. Bot. 55, 1167–1175.
      5. Zhang YP et al., 2018 Short-term Salt Stress Strongly Affects Dynamic Photosynthesis, but not Steady-State Photosynthesis, in Tomato (Solanum lycopersicum).Environmental and Experimental Botany. 149, 109-119.

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