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光合作用光能利用效率研究进入实时、原位、定量解析新时代!
发布时间:2022-03-31   点击次数:16次
光合作用光能利用效率研究进入实时、原位、定量解析新时代!
提高冠层光能利用效率(LUE)和能量转化效率(ec)是提高作物产量潜力的主要方式。在当前碳达峰、碳中和研究得到全社会关注的今天,提高光合作用,加大大气的CO2固定并实现长期封存,也为未来实现碳中和提供关键解决方案(Janson et al., 2020)。尽管目前对于光合作用理论最大值都已经有共识(Zhu et al., 2008),然而针对特定植物或者作物来讲,限制光合效率的关键点是什么?如何提高当前植物的光合效率已经成为当前植物科学研究的焦点之一。迄今为止,LUE和ec的相关研究一般在作物中开展,而且这些研究大都基于生物量测量,即在较长时间段(比如2周或者1个月)之内,测量植物生物量的变化及植物吸收的总太阳光能,进而估算LUE和ec等。这种方法简单容易操作,然而时间分辨率低、生物量样品间由于种植地块之间的环境差异等造成测量精度较低;同时,该方法难以实现实时、原位光能利用效率测量。这一切都限制了利用该方法开展大规模的植物光能利用效率的自然变异及其关键控制因子的深入研究。
近几年来,对光合改良相关研究获得越来越大的关注,光合效率尤其是冠层光合效率研究方法也得到突飞猛进的发展。目前,冠层光合、呼吸及蒸腾速率的测量系统得到迅速发展及持续优化(Song et al., 2016; 2018; 2021);可以有效整合冠层结构及生理参数计算及解析冠层光合作用的群体光合物理数学模型也得以建立(Song et al., 2013; Chang et al.,2019; Wang et al., 2017);这为开展实时、原位的冠层光合研究提供了理论及技术基础。

日前,中科院分子植物卓越中心朱新广团队利用CAPTS,实时、原位的量化分析了作物冠层LUE和ec,标志着作物光能利用效率研究进入了实时、原位、定量解析的新时代。该研究发现,具有不同冠层结构的两个小麦品种在5个生长时期的LUE变化范围在0.01~0.05 mol CO2 mol-1photon且在中等光强下LUE最高, ec的变化范围为0.5%至3.7%(为C3作物理论最大值的11%~80%),光强是控制LUE和ec变异的主要因素。本研究通过冠层气体交换测量,估算从分蘖期到灌浆期的平均ec为2.17%,即理论最大值的47.2%(图1及2)。


图1,利用自主研制的多测量箱冠层光合气体交换测量系统multi-CAPTS进行田间小麦冠层光合速率测量。通过移动测量箱测量不同时期的小麦冠层光合速率和土壤呼吸速率并计算整个植物的净CO2通量。环境中的光环境信息、温度及相对湿度信息在冠层光合测量时同时测量得到。


图2,小麦冠层净CO2通量Acr,冠层光能利用效率LUE及光能转化效率ec的日变化曲线。ZY1和YM2为两个不同小麦品种在5个时期,分蘖期(118 DAS),孕穗期(127 DAS),抽穗期(145 DAS),灌浆早期(161 DAS)和灌浆后期(173 DAS)。数据为mean±sd(n=3 plots)。

利用测量的冠层光合CO2吸收可以有效预测地上部分的生物量(图3);而且基于冠层光合测量所得到的平均冠层光能利用率(RUE)为1.5~1.7 g MJ-1,与基于地上部分生物量干重测得的RUE数值接近(图3)。LUE和ec在一天不同时间及不同生长季有大幅动态变化,且在绝大多数时间跟理论最大值之间有巨大差异,这意味着改良冠层光合作用以提高小麦产量潜力还具有很大提升空间。


图3,不同时期地上部生物量BM干重(A)以及BM与累积净CO2固定量之间的关系(B,C),生物量测量值BM与冠层吸收的总光能之间的关系(D,E)以及基于multi-CAPTS的气体交换测量的生物量预测值与冠层吸收的总光能之间的关系(F,G)。光能利用率RUE为生物量与冠层吸收总光能之间线性关系的斜率。图A数据为mean ± sd (n=15) ** p < 0.005, * p <0.05 (Students’ t test). 图B-G数据为mean ± sd (n=3 plots).
该研究是第一次全生育期、实时的小麦光能利用效率的精确原位测量;这些测量为后续开展控制小麦冠层光合效率的关键结构、代谢及环境因子提供了数据支持,并使得开展小麦冠层光能利用效率的遗传解析成为可能。跟小麦类似,目前主要作物的田间光能利用效率都尚未进行系统研究。当前发展的冠层光合测量设备、解析冠层光合效率的系统模型及其解析方法,结合当前的基因组学信息,为未来冠层光合效率的机理解析、遗传研究奠定了基础。可以预见,冠层光合效率的机理解析及遗传研究将成为光合作用研究的一个关键领域;其研究必将极大推动作物的高光效育种及栽培跨上一个新台阶。这些研究方法也将为培育创制全新的碳汇植物,即有高光能利用效率且可以有效将固定的碳长期保存的植物,提供关键技术支持。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室朱新广组宋青峰博士为该论文第一作者,朱新广研究员为该论文通讯作者。该项研究得到了巴斯夫公司根特创新中心、中国科学院先导专项、国家自然科学基金、科技部、盖茨基金会(RIPE)及杂交水稻国家实验室开放课题的资助。

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