高CO<sub>2</sub>浓度对杂交水稻光合作用日变化的影响—

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景立权 , 赵新勇 , 周宁 , 钱晓晴 , 王云霞 , 朱建国 , 王余龙 , 杨连新

JING Liquan , ZHAO Xinyong , Zhou Ning , Qian Xiaoqing , WANG Yunxia , Zhu Jianguo , WANG Yulong , YANG Lianxin .

高CO₂浓度对杂交水稻光合作用日变化的影响——FACE研究

Effect of increasing atmospheric CO₂ concentration on photosynthetic diurnal variation characteristics of hybrid rice: a FACE study

生态学报. 2017, 37(6): 2033-2044

Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(6): 2033-2044

http://dx.doi.org/10.5846/stxb201509261974

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收稿日期: 2015-09-26

网络出版日期: 2016-08-02

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景立权 , 赵新勇 , 周宁 , 钱晓晴 , 王云霞 , 朱建国 , 王余龙 , 杨连新 . 高CO₂浓度对杂交水稻光合作用日变化的影响——FACE研究. 生态学报, 2017, 37(6): 2033-2044. 复制到剪切板

Jing L Q , Zhao X Y , Zhou N , Qian X Q , Wang Y X , Zhu J G , Wang Y L , Yang L X . Effect of increasing atmospheric CO₂ concentration on photosynthetic diurnal variation characteristics of hybrid rice: a FACE study. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(6): 2033-2044. 复制到剪切板

高CO₂浓度对杂交水稻光合作用日变化的影响——FACE研究

景立权 ¹, 赵新勇 ¹, 周宁 ¹, 钱晓晴 ², 王云霞 ², 朱建国 ³, 王余龙 ¹, 杨连新 ¹

1. 扬州大学, 江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点, 粮食作物现代产业技术协同创新中心, 扬州 225009;
2. 扬州大学, 环境科学与工程学院, 扬州 225009;
3. 中国科学院, 南京土壤研究所, 南京 210008

收稿日期: 2015-09-26; 网络出版日期: 2016-08-02

基金项目: 国家自然科学基金面上项目（31571597，31371563，31171460）；国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（31261140364）；中国博士后科学基金资助项目（2015M581870）；江苏省博士后科研资助计划（1501077C）；江苏高校优势学科建设工程项目资助

^*通讯作者Corresponding author. 杨连新.E-mail:lxyang@yzu.edu.cn

摘要: 大气二氧化碳（CO₂）浓度增高导致全球变暖，但作为光合作用底物促进绿色作物的光合作用。为了明确高CO₂浓度对杂交水稻结实期光合日变化的影响，2014年利用稻田FACE（Free Air CO₂ Enrichment）平台，以生产上曾创高产纪录的两个杂交稻新组合甬优2640和Y两优2号为供试材料，设置环境CO₂和高CO₂浓度（增200 μmol/mol）两个水平，测定杂交稻抽穗期和灌浆中期光合作用日变化和成熟期生物量。结果表明，高CO₂浓度环境下两组合抽穗期叶片净光合速率均大幅增加（全天平均52%），但灌浆中期的平均增幅减半，其中Y两优2号这种光合下调表现更为明显。大气CO₂浓度升高使两杂交稻组合抽穗和灌浆中期叶片气孔导度均大幅下降，导致蒸腾速率下降而水分利用效率大幅增加，Y两优2号气孔导度和蒸腾速率对CO₂的响应上午大于下午，而甬优2640表现相反。尽管大气CO₂浓度升高使杂交稻结实期不同时刻胞间CO₂浓度均大幅增加，但对气孔限制值特别是胞间CO₂与空气CO₂浓度之比多无显著影响，两品种趋势一致。大气CO₂浓度升高对甬优2640地上部生物量及其组分的影响明显大于Y两优2号，CO₂与品种间多存在互作效应。以上结果表明，与甬优2640相比，Y两优2号最终生产力从高CO₂浓度环境中获益较少可能与该品种生长后期存在明显的光合适应有关，但这种光合适应似乎不是由气孔限制造成的。

关键词: 杂交稻 FACE（Free Air CO₂ Enrichment）二氧化碳光合作用日变化适应

Effect of increasing atmospheric CO₂ concentration on photosynthetic diurnal variation characteristics of hybrid rice: a FACE study

JING Liquan ¹, ZHAO Xinyong ¹, Zhou Ning ¹, Qian Xiaoqing ², WANG Yunxia ², Zhu Jianguo ³, WANG Yulong ¹, YANG Lianxin ¹

1. Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology, Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China;
2. College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China;
3. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

Abstract: The rising of atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentration has been blamed for global warming, but it promotes the leaf photosynthesis of crops because CO₂ is the main substrate for photosynthesis. In order to understand the effect of elevated CO₂ concentration on diurnal courses of CO₂ uptake of hybrid rice, a paddy field experiment utilizing free air CO₂ enrichment (FACE) technology was undertaken to determine diurnal courses of leaf photosynthesis at heading and middle grain filling stages, and its association with the final productivity of rice at maturity. Two hybrid rice variety Yongyou 2640 (YY 2640) and YLiangyou No.2 (YLY 2) were grown in the ambient CO₂ and the elevated CO₂ concentration (200 μmol/mol above ambient) from plant transplanting until grain maturity. Elevated CO₂ concentration significantly increased net photosynthetic CO₂ assimilation of flag leaves of two hybrids by 52% on average at heading, but the enhancement was reduced to half at the middle grain filling stage. This photosynthesis acclimation was more pronounced in YLY 2. Elevated CO₂ concentration significantly decreased stomatal conductance of two hybrids at both heading and grain filling stages, resulting in lower transpiration and higher water use efficiency. Greater CO₂ responses of leaf transpiration and stomatal conductance were observed in the morning for YLY 2, but YY 2640 showed higher CO₂ effects in the afternoon. Growth at elevated CO₂ concentration significantly increased intercellular CO₂ concentration, but had no clear effects on the ratio of intercellular to air CO₂ concentration and stomata limitation value, and the same trend was observed for the two varieties. The CO₂ effects on the above-ground biomass and its components were greater in YY 2640 than YLY 2, and it was reflected in the significant CO₂ by variety interactions. The results indicated that compared with YY 2640, the lower CO₂ gain on final productivity of YLY 2 might result from photosynthesis acclimation at the late growth stage, and this down-regulation in leaf photosynthesis was not caused by stomatal limitation.

Key words: hybrid rice FACE (Free Air CO₂ Enrichment) carbon dioxide (CO₂) photosynthetic diurnal variation adaptation

大气二氧化碳 (CO₂) 浓度持续增高是全球气候变化最为突出和确定的现象之一。大气CO₂浓度已从工业革命前的280 μmol/mol不断增高, 至今已突破400 μmol/mol大关, 并且增长速度越来越快^[1]。尽管采用各种各样的减排措施, 预计2050年大气中的CO₂浓度仍将达到470—570 μmol/mol^[2], 2100年最高将增至936 μmol/mol^[3]。作为光合作用的底物, 空气中CO₂浓度增高是全球变化中极少数对农作物生产力有正向作用的因子之一^[4-5]。

根据粮食和农业组织 (FAO) 表示, 大米养活地球上一半人口, 是第二大最有价值的作物, 也是种植规模第三大作物。随着世界人口不断增长, 需要更多的大米养活人口。杂交稻产量潜力大、抗逆性强, 自20世纪70年代在我国大面积推广以来, 为解决中国粮食安全问题发挥了不可替代的作用。已有少量研究表明, 杂交稻生长和产量对CO₂的响应明显大于常规稻, 这为未来稻作生产展示了很好的前景^[6-8]。但这种高应答是否具有普遍性？其内在机制是什么？令人意外的是这方面的研究非常有限, 而已有的研究多以单一品种为试验对象^[9-12]。水稻 (C₃作物) 光合作用是对环境因子比较敏感的重要生化过程, 这一过程对高CO₂浓度的响应和适应很大程度上决定了水稻的最终增产潜力。无论是气室和FACE (Free Air CO₂ Enrichment) 研究, 目前大气CO₂浓度升高对常规水稻光合作用的影响已有不少报道^{[7, 13-14]}), 但报道的光合参数较少且主要聚集常规水稻^[15-16]。据作者所知, 高CO₂浓度环境下杂交稻光合响应的日变化尚未见报道。一般来说, 短期CO₂熏蒸使水稻的光合作用增强, 但长期生长于CO₂富集环境下会出现光合适应 (acclimation) 或下调 (down-regulation) 现象^{[7, 13]}, 杂交稻大田生长后期是否亦存在光合适应现象？品种间是否存在差异？明确这些问题对更新未来稻作生产的预测模拟, 制订应对策略具有重要意义。

与气室不同, FACE试验基于标准的作物管理技术, 在空气自由流动的大田条件下对作物表现进行研究, 提供了对未来作物生长环境的真实模拟^[17]。由于FACE系统的独特性, 这一技术一经出现 (1989), 便在全球气候变化研究中得到广泛应用^{[4, 17-18]}。1998年, FACE技术被日本科学家首次用于稻田生态系统的研究^[19], 2001年中国通过国际合作建成稻田FACE实验平台^[20], 该平台迄今为止已连续运行了15a^[14], 并取得重要进展^{[6, 7]}。本试验以生产上最新育成的曾创高产纪录的籼粳杂交稻甬优2640和杂交籼稻Y两优2号^[21]为材料, 利用这一稻田开放系统模拟本世纪中叶大气CO₂浓度, 研究其对高产杂交稻光合作用日变化和物质积累量的影响, 以期为高CO₂浓度环境下最大化杂交稻生产力提供新的理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地点与平台

本实验于2014年在中国稻田FACE平台上进行, 该试验平台位于江苏省扬州市小纪镇良种场试验田内 (119°42′0″E, 32°35′5″N)。实验土壤类型为清泥土, 年均降水量980 mm左右, 年蒸发量大于1100 mm, 年平均温度约14.9 ℃, 年日照时间大于2100 h, 年平均无霜期220 d, 耕作方式为-冬闲单季种植。土壤理化性质：有机碳18.4 g/kg, 全氮1.45 g/kg, 全磷0.63 g/kg, 全钾14.0 g/kg, 速效磷10.1 mg/kg, 速效钾70.5 mg/kg, 砂粒 (2—0.02 mm)578.4 g/kg, 粉砂粒 (0.02—0.002 mm)285.1 g/kg, 粘粒 ( < 0.002 mm)136.5 g/kg, 容重1.16 g/cm³, pH 7.2。平台共有3个FACE试验圈和3个对照 (Ambient) 圈。FACE圈之间以及FACE圈与对照圈之间的间隔＞90 m, 以减少CO₂释放对其它圈的影响。FACE圈设计为正八角形, 直径12 m, 平台运行时通过FACE圈周围的管道向中心喷射纯CO₂气体, 利用计算机网络对平台的CO₂浓度和水稻冠层温度进行监测和控制, 根据大气中的CO₂浓度、风向、风速、作物冠层高度的CO₂浓度自动调节CO₂气体的释放速度和方向, 使水稻主要生育期FACE圈内CO₂浓度保持比大气环境高200 μmol/mol。对照田块没有安装FACE管道, 其余环境条件与自然状态一致^[12]。平台熏气时间为6月28日至10月26日, 每日熏气时间为日出至日落, 熏蒸期间对照圈平均CO₂浓度为 (371.9±2.0) μmol/mol, FACE圈实际CO₂处理浓度为 (571.9±0.3) μmol/mol, FACE圈较对照圈平均增加 (199.2±1.9) μmol/mol。水稻生育期内温度及光照有效辐射变化情况见图 1。

图 1 2014年水稻生育期内温度及光合有效辐射变化情况 Fig. 1 The change of maximum and minimum temperature, and daily integral of photosynthetic photon flux density (PPFD) during the entire growth period of rice in 2014

图选项

1.2 试验处理和材料培育

本试验为裂区试验设计, 主区为CO₂处理, 设置大气环境CO₂浓度 (Ambient CO₂) 和高CO₂浓度 (Elevated CO₂, 比环境CO₂浓度高200 μmol/mol)；裂区为两个杂交新组合, 分别为甬优2640(籼粳杂交稻) 和Y两优2号 (杂交籼稻, 2013年被农业部核定为超级稻品种)。

大田旱育秧, 5月20日播种, 6月21日移栽, 单本栽插 (每穴1株)。总施氮量为22.5 g/m², 采用复合肥 (有效成分N :P₂O₅:K₂O = 15%:15%:15%, 下同) 和尿素 (含氮率46.7%, 下同) 配合施用。其中基肥占40%(6月20日), 分蘖肥 (6月28日) 和穗肥 (7月25日) 均占30%。总施P、K肥均为9 g/m², 采用复合肥, 全作基肥施用。水分管理：6月21日—7月20日保持水层 (约3 cm), 7月21日—8月10日多次轻搁田 (自然落干后保持3d→灌水1d→干旱4d→灌水1d, 如此4d干旱1d灌水反复), 8月11日—收获前10日间隙灌溉 (3d保水2d干旱) 之后断水至收获。其它管理亦按高产田标准和要求执行。

1.3 测定内容与方法

(1) 光合作用参数在水稻抽穗期选择生长一致的植株记号标记, 分别在抽穗期及穗后24 d, 从9：30—17：30每隔2h, 采用LI-6400 xt光合测定系统 (LI-COR公司, 美国) 测定净光合速率 (Pn)、胞间CO₂浓度 (Ci)、气孔导度 (Gs)、蒸腾速率 (Tr)、叶片胞间与周围空气CO₂浓度之比等光合作用相关参数, 并计算叶片瞬时水分利用效率 (WUE=Pn/Tr)；气孔限制值 (Ls)=1-叶片胞间与周围空气CO₂浓度之比。测定时采用CO₂小钢瓶 (LI-COR公司, 美国) 控制Ambient圈CO₂浓度为380 μmol/mol及FACE圈CO₂浓度为580 μmol/mol。利用系统自配LED红蓝光源补光, 光量子通量设定为1200 μmol m^-2s^-1。测定剑叶叶片中上部的上表面, 每处理连续测定2—3株取平均值。

(2) 干物质重量参照本课题前期已报道的方法^[22]：于水稻成熟期 (即试验区80%植株进入黄熟期), 根据连续40穴田间普查的单穴平均茎蘖数, 各小区取代表性植株6穴。取样时保护好易折断的器官, 将植株分为叶片、茎鞘和稻穗等部位, 各部位器官105 ℃杀青30 min、70 ℃烘至恒重后 (约72 h) 称量干重。地上部干重 (g/m²)=叶片+茎鞘+稻穗干重 (g/m²)。

1.4 统计分析

本试验所有数据均以Excel 2013处理和图表绘制。采用一般线性模型, 以SPSS 22.0进行方差分析, 采用Duncan法作多重比较, 显著水平设P≤0.01、P≤0.05、P≤0.1、P＞0.1, 分别用**、*、+和ns表示。

2 结果与分析 2.1 高CO₂浓度对杂交稻净光合速率的影响

处理和对照水稻叶片净光合速率 (Pn) 变化曲线均呈现出单峰, 最高峰出现在9:00或11:00, 尤其是在13:30以后, Pn明显下降 (图 2)。叶片同一时刻Pn随生育进程明显下降, 两品种趋势一致。两组合比较, 多数情况下甬优2640叶片平均Pn大于Y两优2号, 两测定时期趋势一致。高CO₂浓度使两组合抽穗期各时刻测定的叶片Pn均大幅增加, 但抽穗后24 d的响应明显变小：两品种全天平均, 抽穗和抽穗24 d Pn的增幅分别为51%和27%(图 2)。两组合比较, 抽穗期各时刻叶片Pn对CO₂的响应种间差异较少, 但抽穗24 d甬优2640的响应能力明显大于Y两优2号：高CO₂浓度使甬优2640在9:30、11:30、13:30和15:30叶片Pn平均分别增加39%、26%、30%和13%, 除最后1次外均达0.01显著水平, 但Y两优2号只有11:30叶片Pn的增幅达0.05显著水平 (图 2和表 1)。

图 2 高CO₂浓度对杂交稻抽穗期 (a, b) 和抽穗后24 d (c, d) 不同时刻剑叶净光合速率 (Pn) 的影响 Fig. 2 Effect of elevated CO₂ concentration on diurnal courses of net photosynthetic CO₂ assimilation (Pn) of the flag leaf of hybrids at heading (a, b) and 24 days after heading (c, d) 数据为平均值±标准误, Date is mean±SE (n=3)；ns：不显著non-significance, P＞0.1; + P≤0.1; * P≤0.05; **P≤0.01; YY2640, 甬优2640; YLY2, Y两优2号

图选项

表 1 高CO₂浓度对杂交稻抽穗期和抽穗后24 d剑叶光合参数影响的方差分析 Table1 Analysis of variance for photosynthetic parameters of the flag leave of hybrids in response to elevated CO₂ concentration at heading and 24 days after heading

指标Index	交差分析 Anove	抽穗期Heading stage				抽穗后24 d 24 d after heading
指标Index	交差分析 Anove	9:00	11:30	13:30	15:30	9:00	11:30	13:30	15:30
Pn	CO₂	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*
	Variety (V)	0.41	0.01^*	0.00^*	< 0.01^*	0.01^*	0.08^*	< 0.01^*	< 0.01^*
	CO₂×V	0.35	0.63	0.69	0.14	0.11	0.46	0.40	0.53
Gs	CO₂	< 0.01^*	0.03^*	< 0.01^*	0.16	< 0.01^*	< 0.01^*	0.03^*	< 0.01^*
	Variety (V)	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	0.13	< 0.01^*
	CO₂×V	0.85	0.97	< 0.01^*	0.33	< 0.01^*	< 0.01^*	0.15	0.01^*
Tr	CO₂	0.01^*	0.12	< 0.01^*	0.22	0.01^*	0.02^*	0.07	0.02^*
	Variety (V)	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	0.01^*	< 0.01^*
	CO₂×V	0.13	0.62	0.15	0.29	0.33	0.03^*	0.21	0.06
WUE	CO₂	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*
	Variety (V)	< 0.01^*	0.03^*	< 0.01^*	0.02^*	< 0.01^*	< 0.01^*	0.01^*	< 0.01^*
	CO₂×V	0.01^*	0.07	0.01^*	0.13	0.11	0.84	0.16	0.85
Ci	CO₂	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*
	Variety (V)	< 0.01^*	< 0.01^*	< 0.01^*	0.33	< 0.01^*	< 0.01^*	0.02^*	< 0.01^*
	CO₂×V	0.01^*	< 0.01^*	0.02^*	0.83	0.25	0.62	0.10	0.91
Pn:净光合速率net photosynthetic rates; Gs:气孔导度, stomatal conductance; Tr:蒸腾速率, transpiration rate; WUE:水分利用效率, water use efficiency; Ci:叶片胞间CO₂浓度, internal cellular CO₂ concentration; *P值表示差异达0.05以上显著水平

表选项

2.2 高CO₂浓度对杂交稻气孔导度的影响

两品种叶片气孔导度 (Gs) 的日变化与Pn相似, 两期处理和对照叶片Gs均以9:00或11:00 Gs最高 (图 3)。抽穗后24 d各时刻平均Gs小于抽穗期 (甬优2640) 或与抽穗期相近 (Y两优2号)。高CO₂浓度使供试组合各测定时刻Gs均明显下降, 两品种全天平均, 抽穗期和抽穗后24 d分别下降29%和31%；但从整个日变化进程看, 两品种的响应模式差异很大, 特别是抽穗后24 d, Y两优2号上午两个测定时段的响应明显大于下午, 而甬优2640呈相反趋势 (图 3)。CO₂处理与品种对抽穗后24 d不同时刻叶片Gs均有不同程度互作效应 (表 1)。

图 3 高CO₂浓度对杂交稻抽穗期 (a, b) 和抽穗后24 d (c, d) 不同时刻叶片气孔导度 (Gs) 的影响 Fig. 3 Effect of elevated CO₂ concentration on diurnal courses of stomatal conductance (Gs) of the flag leaf of hybrids at heading (a, b) and 24 days after heading (c, d)

图选项

2.3 高CO₂浓度对杂交稻蒸腾速率的影响

处理和对照水稻叶片蒸腾速率 (Tr) 日变化亦呈单峰曲线, 最高峰出现在11:00或13:30, 两个生育时期趋势基本一致 (图 4)。抽穗后24 d各时刻叶片Tr明显小于 (甬优2640) 或接近于 (Y两优2号) 抽穗期对应时刻。两品种比较, 抽穗期不同时刻叶片平均Tr均为甬优2640大于Y两优2号, 但抽穗后24 d因不同时刻而异。高CO₂浓度环境下伴随叶片Gs下降 (图 3), Tr亦随之下降, 但降幅明显小于前者：两品种全天平均, 抽穗期、抽穗后24 d叶片Gs均下降12%, 不同时刻变幅分别为8%—16%和9%—14%, 多达0.1以上显著水平 (表 1)。两品种Tr对CO₂响应的快慢差异较大：甬优2640上午响应明显小于下午, 但Y两优2号相反, 抽穗期和抽穗后24 d趋势一致 (图 4)。方差分析表明, CO₂与品种的互作对抽穗后24 d 11:30和15:30 Tr的影响分别达0.05和0.1显著水平 (表 1)。

图 4 高CO₂浓度对杂交稻抽穗期 (a, b) 和抽穗后24 d (c, d) 不同时刻剑叶蒸腾速率 (Tr) 的影响 Fig. 4 Effect of elevated CO₂ concentration on diurnal courses of transpiration rate (Tr) of the flag leaf of hybrids at heading (a, b) and 24 days after heading (c, d)

图选项

2.4 高CO₂浓度对杂交稻水分利用效率的影响

处理和对照水稻叶片水分利用效率 (WUE) 无一致的日变化规律 (图 5)。Y两优2号抽穗期不同时刻叶片WUE明显大于抽穗后24 d, 但甬优2640两期对应时刻WUE的差异较小。高CO₂浓度使水稻各时刻WUE均显著或极显著增加：抽穗期和抽穗后24 d全天平均分别增加86%、49%, 随生育期推移增幅明显减少, 两组合表现一致 (图 5)。两组合比较, Y两优2号抽穗期WUE对CO₂的响应明显大于甬优2640, 表现在CO₂与品种间互作多达0.1以上显著水平, 而抽穗24 d两品种无明显差异 (图 5和表 1)。

图 5 高CO₂浓度对杂交稻抽穗期 (a, b) 和抽穗后24 d (c, d) 不同时刻水分利用效率 (WUE) 的影响 Fig. 5 Effect of elevated CO₂ concentration on diurnal courses of water use efficiency (WUE) of the flag leaf of hybrids at heading (a, b) and 24 days after heading (c, d)

图选项

2.5 高CO₂浓度对杂交稻胞间CO₂浓度的影响

叶片胞间CO₂浓度 (Ci) 的测定结果列于图 6和表 1。11:30和13:30测定的叶片Ci总体上略小于每期起始和最后的测定值。抽穗和抽穗24 d平均Ci差异较小, 两组合表现一致。高CO₂浓度使稻叶各时刻Ci均大幅增加：抽穗期和抽穗后24 d全天平均分别增加43%(P < 0.01) 和50%(P < 0.01)；抽穗期甬优2640 Ci对CO₂的响应明显大于Y两优2号, 但抽穗后24 d两组合的响应没有差异 (图 6)。CO₂与品种对抽穗期不同时刻Ci多存在明显的互作效应, 但灌浆中期两因子间没有互作效应 (表 1)。

图 6 高CO₂浓度对杂交稻抽穗期 (a, b) 和抽穗后24 d (c, d) 不同时刻剑叶胞间CO₂浓度 (Ci) 的影响 Fig. 6 Effect of elevated CO₂ concentration on diurnal courses of internal cellular CO₂ concentration (Ci) of the flag leaf of hybrids at heading (a, b) and 24 days after heading (c, d)

图选项

2.6 高CO₂浓度对杂交稻胞间CO₂与空气CO₂浓度之比和气孔限制值的影响

叶片胞间CO₂与空气CO₂浓度之比 (Ci/Ca) 和叶片气孔限制值 (Ls) 不同测定时刻的差异均较小, 抽穗期和抽穗后24 d趋势一致 (表 2)。高CO₂浓度对抽穗期和抽穗后24 d各测定时刻水稻叶片Ci/Ca均略有增加, 相应地Ls稍有下降, 但多未达显著水平。CO₂与品种的互作对不同时刻Ci/Ca和Ls均无显著影响, 两测定时期趋势一致 (表 2)。

表 2 高CO₂浓度对杂交稻抽穗期和抽穗后24 d不同时刻剑叶胞间CO₂与空气CO₂浓度之比 (Ci/Ca) 以及气孔限制值 (Ls) 的影响 Table2 Effect of elevated CO₂ concentration on diurnal courses of the ratio of intercellular to air CO₂ concentration (Ci/Ca) and stomata limittion value (Ls) of the flag leaf of hybrids at heading and 24 days after heading

指标Index	品种Variety	CO₂	抽穗期Heading stage				抽穗后24 d 24 d after heading
指标Index	品种Variety	CO₂	9:00	11:30	13:30	15:30	9:00	11:30	13:30	15:30
Ci/Ca	YY2640	Ambient CO₂	0.89±0.00	0.87±0.01	0.89±0.00	0.88±0.00	0.81±0.01	0.81±0.01	0.77±0.02	0.85±0.00
		Elevated CO₂	0.89±0.01	0.87±0.01	0.86±0.01	0.78±0.04	0.79±0.02	0.78±0.00	0.83±0.01	0.84±0.01
	YLY2	Ambient CO₂	0.87±0.01	0.86±0.01	0.8±0.00	0.89±0.02	0.91±0.00	0.87±0.01	0.85±0.01	0.89±0.00
		Elevated CO₂	0.82±0.02	0.85±0.02	0.79±0.02	0.83±0.01	0.88±0.00	0.86±0.01	0.85±0.01	0.9 ±0.00
	ANVOA	CO₂	ns	ns	ns	^*	ns	ns	ns	ns
		Variety (V)	^**	ns	^**	ns	^**	^**	^**	^**
		CO₂×V	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	**
Ls	YY2640	Ambient CO₂	0.11±0.00	0.13±0.01	0.11±0.00	0.12±0.00	0.19±0.01	0.19±0.01	0.23±0.02	0.15±0.00
		Elevated CO₂	0.11±0.01	0.13±0.01	0.14±0.01	0.22±0.04	0.21±0.02	0.22±0.00	0.17±0.01	0.16±0.01
	YLY2	Ambient CO₂	0.13±0.01	0.14±0.01	0.2±0.00	0.11±0.02	0.09±0.00	0.13±0.01	0.15±0.01	0.11±0.00
		Elevated CO₂	0.18±0.02	0.15±0.02	0.21±0.02	0.17±0.01	0.12±0.00	0.14±0.01	0.15±0.01	0.1 ±0.00
	ANVOA	CO₂	ns	ns	ns	^*	ns	ns	ns	ns
		Variety (V)	^**	ns	^**	ns	**	^**	^**	**
		CO₂×V	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	**
ns:不显著non-significance; P≤0.05; * P≤0.01

表选项

2.7 高CO₂浓度对成熟期地上部及各器官生物量的影响

成熟期地上部及各器官生物量测定结果列于图 7。两品种平均, 高CO₂浓度使成熟期地上部生物量平均增加271 g/m², 增幅达12.6%, 达显著水平。尽管对照圈两组合地上部生物量没有差异, 但对CO₂的响应存在明显的差异：高CO₂浓度使甬优2640和Y两优2号地上部生物量分别增加24.9%和1.3%, 前者达显著水平。两品种平均, 高CO₂浓度使茎鞘和稻穗生物量平均增加9.0%(P=0.15) 和17.3%(P < 0.01), 但使叶片干重略降。从不同品种看, 高CO₂浓度环境下甬优2640叶片、茎鞘和稻穗生物量均呈明显的增加趋势, 增幅达16%—29%, 但对Y两优2号各器官生物量均无显著影响。方差分析表明, CO₂与品种互作对地上部、叶片以及稻穗生物量的影响均达到或接近0.05显著水平 (图 7)。

图 7 高CO₂浓度对杂交稻结实期地上部总生物量、叶片、茎鞘和稻穗生物量的影响 Fig. 7 Effect of elevated CO₂ concentration on dry weight of above-ground plant, leaf, stem-sheath and panicle 同一图中不同字母表示在0.05水平上差异显著

图选项

3 结论与讨论

选育响应能力强但产量低的品种是没有多大意义的, 因此更需要了解的是目前稻作生产中的高产品种是否还具有较高的响应能力。本研究选用超高产杂交稻组合甬优2640和Y两优2号为供试材料, 首次利用作物FACE技术开展杂交稻光合日变化的研究。成熟期测定显示, 对照圈生长的甬优2640和Y两优2号每667 m²稻穗干重分别达770 kg和855 kg (图 7), 远高于本省^[23]和全国的平均水稻产量水平^[24-25]。

气室和FACE数据表明, 多数情况下水稻长期处于高CO₂浓度环境中会出现光合适应现象^{[7, 13-14]}。本试验表明, 两组合全天平均, CO₂浓度增加200 μmol/mol使抽穗和灌浆中期剑叶Pn分别增加51%和27%, 后者约为前者的二分之一, 表现出明显的光合下调；从不同组合看, 抽穗期两组合Pn对CO₂的绝对和相对响应差异均较小, 但灌浆中期表现出明显的品种差异：甬优2640剑叶Pn的响应能力总体上明显大于Y两优2号, 前者不同时刻响应多达显著水平, 后者多未达显著水平 (图 2)。高CO₂浓度环境下Y两优2号较甬优2640表现出更为明显的光合下调现象, 这种差异可能与总颖花量的响应差异有关。同一平台另一伴随试验的测定结果表明, 高CO₂浓度使总颖花量平均分别增加33%(P < 0.01) 和7.7%(P=0.06)。FACE水稻库容 (即总颖花量) 增幅越大, 对光合产物需求亦越大, 进而有助于减缓对光合的反馈抑制^{[16, 18]}, 这可能是甬优2640灌浆中期Pn仍有较强响应能力的重要原因。

大气CO₂浓度增加时, 植物叶片能主动降低Gs以适应这种环境的变化。Cure和Acock对气室试验的综述表明, 在水分和氮素充足、CO₂浓度为550 μmol/mol的条件下, 水稻叶片Gs平均减少18%^[26]。本文的FACE研究表明, 两品种全天不同时刻平均, CO₂浓度增加200 μmol/mol使供试组合抽穗期和灌浆中期平均下降29%和31%, 其中甬优2640分别平均下降26%和22%, Y两优2号分别平均下降36%、37%(图 3)。本文FACE研究观察到的叶片Gs对CO₂的响应要大于气室试验 (封闭或半封闭条件), Y两优2号表现更为明显。这种响应的差异到底是由于熏蒸手段的不同造成的, 还是与供试材料不同有关？作者认为还需更多的试验证据, 尽管其它作物上亦有类似报道^[4-5]。有趣的是, 从响应日变化看, 本研究发现甬优2640 Gs对CO₂的响应均较Y两优2号明显滞后, 因此上午两个测定时段Gs的响应Y两优2号明显大于甬优2640, 而下午则刚好相反, 不同时刻CO₂与品种的互作效应亦证明了这一点 (图 3和表 1)。这一现象亦与Pn响应的日变化相一致：甬优2640 Pn对CO₂的响应上午总体上大于下午, 而Y两优2号有相反趋势 (图 2)。以上结果提示, 在研究水稻光合响应时, 不同处理相同 (近) 时间测定的重要性。

与前人研究结果一致^[15], 高CO₂浓度环境下, 供试材料不同时间测定的胞间CO₂浓度 (Ci) 的水平大幅增加 (图 6)。但不同的是, 叶片气孔限制值 (Ls) 特别是胞间CO₂与空气CO₂浓度之比 (Ci/Ca) 对CO₂的响应多未达显著影响, 两组合趋势一致, 表现在不同时间CO₂与品种间多无互作效应 (表 2)。高CO₂浓度环境下稻叶的光合下调可归因于气孔限制 (如气孔数量和开度等) 和非气孔限制 (如酶活力和光合组分等)。本试验数据表明, 尽管两组合FACE圈叶片的Gs明显低于对照圈叶片, 但叶片Ci/Ca和Ls对CO₂均无显著响应, 这说明气孔限制可能不是供试杂交组合特别是Y两优2号灌浆中期叶片光合下调的决定因素。同一FACE研究对稻叶含氮率的测定结果表明, 高CO₂浓度使Y两优2号抽穗期和抽穗后24 d叶片含氮率平均分别下降7%和26%, 均达显著水平, 但甬优2640对应时期叶片含氮率尽管稍有下降, 但未达显著水平 (待发表)。据此, 我们推测FACE圈Y两优2号明显的光合适应现象很可能是非气孔因子造成的, 即叶肉细胞内一些参与光合作用的酶 (如Rubisco) 活性和含量的降幅明显大于甬优2640, 因为低氮水平会导致这些光合酶的活性和浓度降低, 后者被认为高CO₂浓度环境下作物光合下调的主要原因^[27-29]。

大气CO₂浓度升高对叶片Gs的影响亦反映在水分利用上。高CO₂浓度导致的Gs下降使气孔阻力增加, 减少叶片对水蒸气的导度, 所以尽管冠层温度升高 (数据未列出), 单位叶面积蒸腾作用的强度也会降低^[4]。本研究表明, 高CO₂浓度使供试组合各测定时刻蒸腾速率 (Tr) 均呈下降趋势, 平均降幅为12%(图 4)。与Gs响应日变化一致 (图 3), 甬优2640叶片Tr对CO₂的响应上午小于下午, 而Y两优2号相反, 两个测定时期一致 (图 4)。高CO₂浓度使叶片Pn升高而Tr下降, 因此, 两杂交组合不同时间水分利用效率 (WUE) 均大幅增加, 抽穗期增幅明显大于抽穗后24 d (图 5)^[15]。叶片Tr和WUE对CO₂的响应品种间差异较小, 表现CO₂与品种间多无互作效应 (表 1)。以上结果说明, 高CO₂浓度环境下两品种的抗旱能力均明显增强。已有综述表明, C₄作物亦有类似表现^[5]。

高CO₂浓度通过影响光合作用, 最终影响干物质生产。水稻对CO₂响应的基因型差异在气室^[30-31]和FACE研究中^[32]均有报道, 但这些研究多以常规稻为供试对象。与光合适应结果一致, 本研究成熟期测定数据表明, CO₂与品种对地上部生物量有显著的互作效应, 甬优2640生长对高CO₂浓度的响应能力明显大于Y两优2号, 地上部不同组分 (叶片、茎鞘和稻穗) 亦有相似趋势 (图 7)。结合光合数据可知, 未来高CO₂环境对杂交稻生产力的影响因品种而异, 响应小的组合 (如Y两优2号) 结实期光合下调明显强于响应大的组合 (如甬优2640)。这种品种间差异可能并非气孔限制所致, 而是参与光合作用的相关酶等非气孔因子造成的, 但其确切的生物学机制及其调节途径还需进一步的探索。

致谢: 感谢中国科学院南京土壤研究所刘钢、唐昊冶和朱国新老师对FACE系统的日常维护。

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