CO2浓度变化对拟柱胞藻生长与光合作用的影响

为了探讨大气CO₂浓度升高对水华藻类的影响,利用水华蓝藻-拟柱胞藻作为实验材料,研究了CO₂浓度升高对其生长生理和光合作用的影响,结果表明CO₂浓度升高,导致拟柱胞藻的生物量、最大光合放氧速率、光合效率显著增加。当CO₂浓度为700 mg/L以下,暗呼吸速率和光饱和点无明显影响,而CO₂浓度为1000 mg/L时,暗呼吸速率和光饱和点显著提高。随着CO₂浓度增加,藻细胞光合作用对无机碳的亲和力降低,同时胞外碳酸酐酶活性显著下降。这表明大气CO₂浓度的增加,有利于拟柱胞藻的生长和光合,进而增加了水华发生的风险。     

葛仙米生长的尺度效应

为考察葛仙米(Nostoc sphaeroides)群体粒径变化对营养成分和光合活性的影响, 测定了生长过程中不同粒径群体的色素成分、光合特性和多糖含量。结果表明: 叶绿素a、藻胆蛋白含量随群体粒径增大而降低; 类胡萝卜素含量在粒径4.85 mm时最高, 藻蓝蛋白/叶绿素a、藻红蛋白/叶绿素a以及别藻蓝蛋白/叶绿素a的比值随粒径增大先降低后升高; 最大潜在光合能力(F_v/F_m)随群体粒径增大逐渐降低, 大群体可通过光系统I介导的环式电子传递链耗散多余能量以保护光合作用系统; 多糖含量在粒径3.03 mm时最高。研究结果显示葛仙米生长具有明显的尺度效应, 细胞组分与光合活性对群体粒径变化具有显著的响应, 开展规模化培养和采收需要关注这一效应。     

光强调控三角褐指藻对海洋酸化的生理学响应

光和海洋酸化(CO₂浓度升高)分别对海洋硅藻的光合能力具有不同程度的影响, 但两者的耦合响应被较少关注。研究以三角褐指藻作为实验材料, 测定了不同光强下CO₂浓度升高对三角褐指藻的生长、净光合速率、生化组分、胞外碳酸酐酶(eCA)活性和核酮糖-1,5-二磷酸羧化/氧化酶(Rubisco)活性的影响。结果显示在低光下, CO₂浓度对三角褐指藻的生长和净光合速率(P_n)并没有显著影响, 而在高光下, 具有明显的影响。无论是在高光或是低光下, eCA活性、叶绿素和可溶性蛋白的含量都随着CO₂浓度的升高而降低。在低光下, 高浓度CO₂ (HC)培养下的Rubisco活性分别是低浓度CO₂ (LC)和中浓度CO₂ (MC)的2.42和1.39倍, 而在高光下, HC培养下的Rubisco活性分别是LC和MC的6.72和3.45倍。以上结果表明硅藻能够通过调节光合生理特征和CCM运行中能量的分配来适应环境中光强和CO₂浓度的变化。     

大气CO2浓度升高对香蕉光合作用及光合碳循环过程中叶氮分配的影响

生长在高CO₂浓度(700±5μl·L^-1)1周的香蕉叶片,其光合速率(Pn,μmol·m^-2·s^-1)为5.14±0.32,较生长在大气CO₂浓度(356±301μl·L^-1)的高22.1%,而生长在较高CO₂浓度下8周,叶片Pn较生长在大气CO₂浓度的低18.1%,表现香蕉叶片对较长期高CO₂浓度的驯化和光合作用抑制.生长在高CO₂浓度的香蕉叶片有较低光下呼吸速率(R_d),而不包括光下呼吸的CO₂补偿点则变幅较小.最大羧化速率(Vcmax)和电子传递速率(J)分别较生长在大气CO₂浓度的低30.5%和14.8%,根据气体交换速率计算的表观量子产率(α,mol CO₂·mol^-1光量子),生长在较高CO₂浓度下8周的叶片为0.014±0.01,而生长在大气CO₂浓度下的为0.025±0.005.较高CO₂浓度下叶片的表观量子产率降低44%.光能转换效率electrons·quanta^-1)亦从0.203降低至0.136.生长在较高CO₂浓度下香蕉叶片的叶氮在Rubicos分配系数(PR)、叶氮在生物力能学组分分配系数(P_B)和叶氮在光捕组分的分配系数(P_L)均较生长在大气CO₂浓度低,表明在高CO₂浓度下较长期生长(8周)的香蕉叶片多个光合过程受抑制,光合活性明显降低.     

蛋白核小球藻生长和无机碳利用对不同光照强度和CO2浓度的响应

为了探讨光照强度和CO₂浓度对蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)生长、无机碳利用的复合效应, 丰富绿藻中无机碳浓缩机制的资料, 该文设置两种光照强度(40和120 µmol photons•m^-2•s^-1)和两种CO₂浓度(0.04%和0.16%)组合成4种条件, 比较了蛋白核小球藻生长、无机碳浓度、pH补偿点、光合放氧速率、碳酸酐酶(CA)活性和α-CA基因转录表达对这4种培养条件的响应。结果发现: 蛋白核小球藻在高光强高CO₂浓度组生长最快; 低光强高CO₂浓度组培养体系中总无机碳浓度为1163.3 µmol•L^-1, 显著高于其他3组; 高光强低CO₂浓度组藻的pH补偿点最高(9.8), 而低光强高CO₂浓度组藻的pH补偿点最低(8.6); 低光强高CO₂浓度组藻的最大光合速率(V_max)和最大光合速率一半时的无机碳浓度(K_0.5)最高, 分别是其他3组的1.28-1.91倍和1.61-2.00倍; 高光强低CO₂浓度组藻的胞外CA活性最高; 而低光强低CO₂浓度组藻的胞外α-CA基因表达量显著高于其他3组。以上结果表明低CO₂浓度可促进蛋白核小球藻的pH补偿点和无机碳亲和力的提高, 诱导胞外CA活性及α-CA基因的表达; 该藻主要以HCO₃^-为无机碳源, 其对无机碳的利用受光照的调节。     

水稻叶片光合作用对开放式空气CO2浓度增高(FACE)的响应与适应

利用便携式光合气体分析系统(LI-6400),比较测定了高CO₂浓度(FACE,free-airCO₂enrichment)和普通空气CO₂浓度下生长的水稻叶片的净光合速率、水分利用率、表观量子效率和RuBP羧化效率等光合参数.在各自生长CO₂浓度(380vs580μmol·mol^-1)下测定时,高CO₂浓度(580μmol·mol^-1)下生长的水稻叶片的净光合速率、碳同化的表观量子效率和水分利用率明显高于普通空气(380μmol·mol^-1)下生长的水稻叶片.但是,随着FACE处理时间的延长,高CO₂浓度对净光合速率的促进作用逐渐减小.在相同CO₂浓度下测定时,FACE条件下生长的水稻叶片净光合速率和羧化效率明显比普通空气下生长的对照低.尽管高CO₂浓度下生长的水稻叶片的气孔导度明显低于普通空气中生长的水稻叶片,但两者胞间CO₂浓度差异不显著,因此高CO₂浓度下生长的水稻叶片光合下调似乎不是由气孔导度降低造成的.     

不同CO2浓度下大豆叶片的光合生理生态特性

CO₂是光合作用的原料和底物,影响着光合作用的进程和光合产物的数量.利用Li-6400-40B同时测量大豆叶片在不同CO₂浓度(300、400、500和600 μmol·mol^-1)下的光合电子传递速率和光合作用对光的响应曲线,并用构建的光合作用对光响应机理模型拟合这些光响应曲线,获得大豆叶片一系列的光合参数、生理生态参数和捕光色素分子的物理参数.结果表明: 电子利用效率、最大电子传递速率和最大净光合速率随CO₂浓度的升高而增加;光补偿点和暗呼吸速率随CO₂浓度的升高而下降;光能利用效率和内禀(瞬时)水分利用效率随CO₂浓度的升高而增加,不同CO₂浓度下的最大光能利用效率和最大内禀(瞬时)水分利用效率之间存在显著差异,但不同CO₂浓度下的最大羧化效率的差异不显著.CO₂浓度的大小对光合作用中原初光反应存在一定程度的影响,即高CO₂浓度有利于减小捕光色素分子处于最低激发态的最小平均寿命,以提高光能传递的速度及增加大豆光合电子流的利用效率.     

不同CO2浓度下大豆叶片的光合生理生态特性

CO₂是光合作用的原料和底物,影响着光合作用的进程和光合产物的数量.利用Li-6400-40B同时测量大豆叶片在不同CO₂浓度(300、400、500和600 μmol·mol^-1)下的光合电子传递速率和光合作用对光的响应曲线,并用构建的光合作用对光响应机理模型拟合这些光响应曲线,获得大豆叶片一系列的光合参数、生理生态参数和捕光色素分子的物理参数.结果表明: 电子利用效率、最大电子传递速率和最大净光合速率随CO₂浓度的升高而增加;光补偿点和暗呼吸速率随CO₂浓度的升高而下降;光能利用效率和内禀(瞬时)水分利用效率随CO₂浓度的升高而增加,不同CO₂浓度下的最大光能利用效率和最大内禀(瞬时)水分利用效率之间存在显著差异,但不同CO₂浓度下的最大羧化效率的差异不显著.CO₂浓度的大小对光合作用中原初光反应存在一定程度的影响,即高CO₂浓度有利于减小捕光色素分子处于最低激发态的最小平均寿命,以提高光能传递的速度及增加大豆光合电子流的利用效率.     

胡杨异形叶光合作用对光强与CO2浓度的响应

胡杨(Populus euphratica)叶形多变, 随个体生长发育, 植株出现条形、卵形和锯齿阔卵形叶。在新疆塔里木河上游人工胡杨林内选择具有此3种叶形的成年标准株, 将枝条拉至同一高度, 通过活体测定, 比较其光合作用-光与CO₂响应及叶绿素荧光响应特征。结果表明: 胡杨异形叶光合速率对光强/CO₂浓度与电子传递速率对光强的响应曲线均可用直角双曲线修正模型来拟合, 得出的主要光合参数与实测值较吻合。胡杨卵形叶、锯齿阔卵形叶光合速率-光响应参数与生化参数及快速光响应参数与条形叶差异显著, 而光合速率-CO₂响应参数则无显著差异。胡杨异形叶CO₂饱和浓度下的最大净光合速率(P_nmax)较饱和光强下的P_nmax高, 表明胡杨强光下光合速率在很大程度上受CO₂供应和1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)再生能力的限制。卵形叶、锯齿阔卵形叶的初始量子效率(α)、初始羧化效率(CE)、P_nmax、光合能力(A_max)与最大羧化速率(V_cmax)均显著高于条形叶; 锯齿叶光饱和点(LSP)、最大电子传递速率(ETR_max)与光呼吸速率(R_p)高于卵形叶, 条形叶光补偿点(LCP)与LSP、α、CE最低。表明荒漠干旱环境下胡杨锯齿叶最耐强光, 高R_p可能是其耗散过剩光能、保护光合机构免于强光破坏的重要途径; 卵形叶高的α、CE、磷酸丙糖利用效率(TPU)、PSII实际光化学效率(Φ_PSII)与低LCP及叶氮分配策略是其保持高光合速率的原因; 条形叶Φ_PSII、ETR、P_n低, 因其制造光合产物不足而难以满足树体生长逐渐减少并处于树冠下部。可见, 胡杨条形叶光合效率低、抗逆性差, 主要以维持生长为主; 随着树体长大, 条形叶难以适应荒漠环境来维系其生长, 出现了卵形叶; 卵形叶光合效率高, 易于快速积累光合产物而加快树体生长, 但其LSP低和耐光抑制能力弱, 逐渐被更耐强光、高温与大气干旱的锯齿叶所取代, 从而使胡杨在极端逆境下得以生存, 这是胡杨从幼苗到成年叶形变化及异形叶着生在树冠不同高度的原因。     

施氮和大气CO2浓度升高对小麦旗叶光合电子传递和分配的影响

采用开顶式气室盆栽培养小麦,设计2个大气CO₂浓度（正常：400 μmol·mol^-1;高：760 μmol·mol^-1）、2个氮素水平（0和200 mg·kg^-1土）的组合处理,通过测定小麦抽穗期旗叶氮素和叶绿素浓度、光合速率（P_n）-胞间CO₂浓度（C_i）响应曲线及荧光动力学参数,来测算小麦叶片光合电子传递速率等,研究了高大气CO₂浓度下施氮对小麦旗叶光合能量分配的影响.结果表明：与正常大气CO₂浓度相比,高大气CO₂浓度下小麦叶片氮浓度和叶绿素浓度降低,高氮处理的小麦叶片叶绿素a/b升高.施氮后小麦叶片PSⅡ最大光化学效率（F_v/F_m）、PSⅡ反应中心最大量子产额（F_v′/F_m′）、PSⅡ反应中心的开放比例（q_p）和PSⅡ反应中心实际光化学效率（Φ_PSⅡ）在大气CO₂浓度升高后无明显变化,虽然叶片非光化学猝灭系数（NPQ）显著降低,但PSⅡ总电子传递速率（J_F）无明显增加;不施氮处理的F_v′/F_m′、Φ_PSⅡ和NPQ在高大气CO₂浓度下显著降低,尽管F_v/F_m和q_P无明显变化,J_F仍显著下降.施氮后小麦叶片J_F增加,参与光化学反应的非环式电子流传递速率(J_C)明显升高.大气CO₂浓度升高使参与光呼吸的非环式电子流传递速率(J₀)、Rubisco氧化速率（V₀）、光合电子的光呼吸/光化学传递速率比（J₀/J_C）和Rubisco氧化/羧化比（V₀/V_C）降低,但使J_C和Rubisco羧化速率（V_C）增加.因此,高大气CO₂浓度下小麦叶片氮浓度和叶绿素浓度降低,而增施氮素使通过PSⅡ反应中心的电子流速率显著增加,促进了光合电子流向光化学方向的传递,使更多的电子进入Rubisco羧化过程,P_n显著升高.     

海洋酸化与磷浓度变化对龙须菜光合作用和ATPase活性的影响

以大型海藻龙须菜(Gracilaria lemanensis)为实验材料, 设置不同CO2浓度(400 μL·L–1和1000 μL·L–1)和磷浓度(0.5和30 μmol·L-1)实验, 探讨大气CO2浓度升高对不同磷浓度培养下龙须菜生长、光合作用及ATPase活性的影响。结果显示大气CO2下, 磷加富导致龙须菜的相对生长速率和最大光合速率增加, 暗呼吸速率降低; 但高CO2浓度下, 磷浓度变化对三者的影响不明显。不论是在大气CO2浓度还是高浓度CO2下, 磷加富对叶绿素a、类胡萝卜素含量和实际光化学效率均没有明显影响, 但导致ATPase活性均明显增加。以上结果表明在高浓度CO2诱导海洋酸化环境中, 磷加富可以通过调节光合速率、暗呼吸速率和ATPase活性, 改变能量的利用效率调控其生长。     

不同光照强度下谢君魔芋的光合作用及能量分配特征

为了探讨喜阴植物谢君魔芋(Amorphophallus xiei)对不同光强的适应策略,测量和分析了不同透光率(高光,透光率100%;中光,透光率32.6%;低光,透光率5.98%)下谢君魔芋对光、CO₂、光斑的响应特征及响应过程中叶绿素a荧光和能量分配特征.结果表明: 随着生长光强的增大,谢君魔芋最大净光合速率(P_max)、暗呼吸速率、表观量子产额、羧化效率显著降低,光补偿点、CO₂补偿点显著升高.中光处理的谢君魔芋对光合诱导的响应更迅速(P<0.05);随着生长光强的增加,暗适应初始气孔导度(g_s-i)显著升高;完成光合诱导中最大净光合速率30%(t_30%P)、50%(t_50%P)和90%(t_90%P)所需的时间与g_s-i呈负相关.高光处理的植株PSⅡ实际光化学效率(ΔF/F_m′)、光化学猝灭(q_P)和电子传递速率(ETR)较高,且在光合诱导过程中所对应的非光化学猝灭(NPQ)值相对较高,而低光处理具有较高的反应中心激发能捕获效率(F_v′/F_m′).高光处理非光化学耗散途径比例(Ф_NPQ)较低,而低光处理Ф_NPQ则相对较高.表明喜阴植物谢君魔芋在中低光下生长时受到高光胁迫能够启动快速耗散机制来保护自身光合机构,长期处于高光环境则采用增加热耗散成本和形成淬灭复合物的策略在一定程度上应对高光胁迫,这可能是其不能很好适应高光环境的原因之一.     

Nitrate additions enhance the photosynthetic sensitivity of a nodulated South African Mediterranean-climate legume (Podalyria calyptrata) to elevated UV-B

Nitrate deposition from anthropogenic activities into nutrient impoverished soils of Mediterranean ecosystems represents a significant income to their N economy, which may potentially increase the sensitivity of those typically UV-B (280–315 nm) resilient plants from these ecosystems with superior photosynthetic rates especially to increases in solar UV-B flux due to ozone depletion. This proposal was examined by exposing nodulated Podalyria calyptrata seedlings for 6-months in nitrate deficient and nitrate replete sand culture to biologically effective UV-B (UV-B_BE) supplements approximating 40 and 77% above clear-sky background (control) at an outdoor site. Leaf photosynthesis and chemical composition of purely symbiotic plants were unaffected by increased UV-B_BE. Conversely, nodulated plants that received nitrate supplements displayed a linear reduction in stomatal conductance (g_S) but non-linear asymptotic reductions in light-saturated net CO₂ assimilation rate (A_sat), apparent carboxylation efficiency (ACE) and nitrogen use efficiency (NUE) with increased UV-B_BE. RuBP regeneration limitations on CO₂ assimilation were not apparent, since A_sat at saturating internal leaf CO₂ concentrations displayed insignificant depressions with increased UV-B_BE. Nor was there any suggestion of diminished light absorption capacity of antenna complexes, or of photosynthetic inhibition due to starch accumulation, since leaf chlorophyll and carotenoid contents and non-structural carbohydrate concentrations were insignificantly altered by increased UV-B_BE. Also, there seemed unlikely photosynthetic inhibition due to reduced allocation of N to Rubisco with increased UV-B_BE in the nitrate-fed plants, since both ACE and A_sat were negatively correlated with leaf N content, much of which probably constituted assimilated nitrate according to the less negative δ¹⁵N values. We suggest that the molecular processes that rendered P. calyptrata plants receiving nitrate supplements more sensitive to photosynthetic inhibition by increased UV-B_BE may be related indirectly to their more active metabolic state, this apparent from their elevated respiratory and photosynthetic rates, rather than to any direct UV-B effects on CO₂ uptake and fixation.     

大气CO2浓度升高对干旱条件下冬小麦叶片光合适应的影响

大气CO₂浓度升高是全球气候变化的主要特征,但大气CO₂浓度长期升高条件下冬小麦叶片发生光合适应的机制尚不十分清楚。本研究以盆栽冬小麦‘郑麦9023’为试验材料,在人工气候控制室内设置2个CO₂浓度(400和600 μmol·mol^-1)、2个水分条件(田间持水量的80%±5%和55%±5%),测定拔节期和抽穗期的光合特征曲线、叶绿素荧光动力学参数、叶氮含量和收获后的籽粒产量等指标,探讨干旱条件下库源关系改变对叶片光合适应的影响。结果表明: 在小麦拔节期,干旱条件下CO₂浓度升高处理的小麦PSⅡ实际光化学效率没有显著增加,但通过提升最大电子传递速率和电子向光化学方向的传递比例,增强了Rubisco的羧化速率,从而提高了最大净光合速率;在抽穗期,功能叶最大电子传递速率和电子向光化学方向的传递比例虽然较高,但PSⅡ实际光化学转换效率降低,Rubisco羧化速率和丙糖磷酸利用效率下降,以致最大净光合速率降低。干旱条件下,CO₂浓度升高增加了小麦单茎生物量、单穗粒数和穗粒重,降低了不孕小穗数,提高了籽粒产量。土壤干旱条件下,CO₂浓度升高对收获期小麦单茎籽粒产量的促进作用可能主要来自于生长前期的光合产物积累。生长后期光合适应发生的主要原因是功能叶PSⅡ实际光化学转换效率和丙糖磷酸利用效率的降低,而不是最大电子传递速率、光化学方向的电子传递比例和新叶库强的变化。     

锶对油菜幼苗叶片光合作用的影响

锶对植物光合作用影响尚未见系统研究报道。通过叶绿素荧光诱导动力学和光合气体交换参数详细研究了不同浓度的锶(1、5、10和20 mmol·L^–1SrCl₂)对油菜(Brassica napus)叶片光合作用的影响。荧光诱导动力学分析结果表明, 光系统II(PSII)的潜在活性(F_v/F_o)、实际光化学效率(Y(II))、表观光合电子传递速率(ETR)和光化学淬灭(qP)在低浓度(1和5 mmol·L^–1)锶处理时显著上升, 在高浓度(10和20 mmol·L^–1)锶处理时显著下降; 初始荧光强度(F_o)和非光化学淬灭(NPQ)在低浓度锶处理时变化不明显, 但在高浓度下显著上升。光合气体交换参数分析结果表明, 叶片的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)在低浓度锶处理时显著上升, 而在高浓度锶处理时显著下降; 气孔导度(G_s)随锶处理浓度的增加一直呈显著下降趋势; 胞间CO₂浓度(C_i)在低浓度锶处理时轻微下降, 高浓度锶处理时显著增加。此外, 叶绿素含量在低浓度锶处理时显著增加, 在高浓度处理时则显著下降。这些结果均表明, 低浓度锶处理可以改善油菜叶片的光合功能, 增加叶片光合效率; 而高浓度锶则会妨碍叶片光合功能, 导致光合效率显著下降。     

遮阴对闽楠叶绿素含量和光合特性的影响

为探讨闽楠对不同光环境的光合适应机制,以2年生闽楠幼苗为材料,设置3个光照处理(全光照、遮光率50%和遮光率78%),适应6个月后,测定其叶绿素含量、气体交换和叶绿素荧光同步数据,研究不同光环境处理对闽楠叶片叶绿素含量、叶绿素荧光参数和光合特性的影响.结果表明: 3种光照处理下,闽楠叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)和类胡萝卜素含量大小次序为78%遮光率>50%遮光率>全光照,但不同光照处理对闽楠叶绿素a/b值没有显著影响.遮阴条件下,闽楠叶片光补偿点(LCP)降低,光饱和点(LSP)和表观量子效率(AQY)升高,说明遮阴条件下闽楠叶片对弱光和强光的利用能力均有所提高;最大净光合速率(P_{n max})、光下暗呼吸速率(R_d)和最大电子传递速率(J_max)均增大.在不同处理间,闽楠叶片净光合速率(P_n)、CO₂气孔导度(g_sc)、胞间CO₂浓度(C_i)和叶肉导度(g_m)均存在显著差异.P_n和g_m的大小顺序为: 78%遮光率>50%遮光率>全光照.78%遮光率处理下g_sc显著大于全光照.50%遮光率条件和78%遮光率条件下C_i均显著小于全光照.78%遮光率条件下PSⅡ实际光量子产量(F_v′/F_m′)、PSⅡ光化学效率(Φ_PSⅡ)和电子传递速率(J)均显著大于50%遮光率条件和全光照.由此可知,在遮阴条件下闽楠可以通过增加叶绿素含量、AQY、J、g_sc和g_m来增大光合能力.