氣孔導(dǎo)度與光合作用在高溫下的解偶聯(lián)

自然界中溫度與飽和水汽壓虧缺(VPD)的強(qiáng)烈共變限制了我們對(duì)溫度對(duì)葉片氣體交換直接影響的了解。CO₂和H₂O中的穩(wěn)定同位素能讓我們從機(jī)理上深入了解葉片氣體交換過程中的生理和生化過程。

2024年2月1日，New Phytologist在線刊發(fā)瑞士聯(lián)邦森林、雪與景觀研究所Haoyu Diao等人標(biāo)題為Uncoupling of stomatal conductance and photosynthesis at high temperatures: mechanistic insights from online stable isotope techniques的研究文章。該研究對(duì)四種常見的歐洲樹種進(jìn)行了葉片氣體交換和在線同位素鑒別的綜合測(cè)量，葉片溫度范圍為 5-40°C，同時(shí)保持恒定的葉-大氣水汽壓差(0.8 kPa)，而不受到土壤水分的限制。

 

 

近幾十年來，由于地表溫度顯著升高，而全球范圍內(nèi)地表相對(duì)濕度(RH)下降，飽和水汽壓虧缺(VPD)明顯上升。植物通過葉片-大氣水汽壓差(LAVPD)感知VPD的變化，VPD的定義是在一定溫度下，飽和水汽壓與空氣中的實(shí)際水汽壓之間的差值。LAVPD 來自葉片溫度(Tleaf)，葉片溫度會(huì)影響葉片內(nèi)部的飽和水汽壓力。越來越多的研究表明，溫度和 LAVPD 的增加在氣候變化引起的樹木死亡和生長衰退中起著重要作用。然而，未來 VPD 趨勢(shì)仍存在不確定性和潛在的異質(zhì)性，因?yàn)橛袌?bào)告稱，在區(qū)域范圍內(nèi)，隨著氣候變暖，地表相對(duì)濕度呈上升趨勢(shì)，而不是下降趨勢(shì)。更重要的是，溫度和低洼地帶降水量相互關(guān)聯(lián)，這使得更好地理解和模擬植物對(duì)不斷變化的環(huán)境的反應(yīng)變得更加復(fù)雜，從而凸顯了將溫度和低洼地帶降水量的影響區(qū)分開來的必要性。

 

葉片中碳(CO₂)和水(H₂O)的交換是植物與環(huán)境相互作用的關(guān)鍵組成部分。由于溫度是許多生理和生化過程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，這種葉氣交換對(duì)溫度的響應(yīng)在以前的報(bào)道中已經(jīng)得到了深入研究。一般認(rèn)為，在恒定的 VPD 條件下，凈光合速率(An)和蒸騰速率(E)或氣孔導(dǎo)度(g_s)通常會(huì)對(duì)從低到高的葉溫變化做出平行響應(yīng)，在光合作用最適溫度之前和之后分別呈現(xiàn)上升和下降趨勢(shì)。然而，一些研究提供的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)證據(jù)則證明An與E或g_s可能解偶聯(lián)。在這里，解偶聯(lián)特指隨著溫度的升高，An 值降低，g_s值升高。這種解偶聯(lián)表明熱脅迫下水分利用效率(WUE，定義為An/E)降低。然而，這些研究無法通過測(cè)量恒定的 LAVPD 來分離直接的溫度效應(yīng)，主要是因?yàn)樵诖鬁囟确秶鷥?nèi)濕度控制存在技術(shù)困難。相反，葉片尺度氣體交換測(cè)量是在恒定 LAVPD 條件下進(jìn)行的，但只有 Urban 等人(2017 年)的研究觀察到，在 LAVPD 為 1 kPa 的條件下，當(dāng) T_leaf 從 30°C 上升到 40°C 時(shí)，白楊(Populus deltoides × nigra)和歐洲赤松(Pinus taeda)都出現(xiàn)了解偶聯(lián)現(xiàn)象。我們對(duì)溫度影響葉片氣體交換機(jī)制的了解顯然仍然有限，尤其是當(dāng)植物暴露在其最適溫度范圍之外時(shí)。由于世界上許多地方的極端冷熱溫度現(xiàn)象越來越頻繁和嚴(yán)重，這種情況正變得越來越重要。此外，An和g_s的溫度響應(yīng)耦合一直是許多葉片級(jí)氣孔模型的關(guān)鍵假設(shè)。更好地了解溫度對(duì)葉片氣體交換的直接影響，包括An和g_s何時(shí)以及如何解偶聯(lián)，將有助于更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣候變化的后果。

 

二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)中的穩(wěn)定同位素已被用于提高我們對(duì)葉片氣體交換各種過程的認(rèn)識(shí)，因?yàn)樵谶@些過程中會(huì)同時(shí)發(fā)生同位素分餾。紅外氣體分析儀和同位素激光光譜儀的組合儀器有助于在受控條件下實(shí)時(shí)測(cè)量進(jìn)出葉片氣體交換室的CO₂和H₂O中的C和氧(O)同位素組成(δ¹³C 和 δ¹⁸O)。這樣就可以追蹤C(jī)O₂和H₂O沿葉綠體、細(xì)胞壁、氣孔和葉片邊界層移動(dòng)的路徑，從而提供有關(guān)葉片生理過程的更多信息。光合 ¹³C 判別(Δ¹³C)受細(xì)胞間(ci)和葉綠體CO₂分子分?jǐn)?shù)(cc)的調(diào)節(jié)，反映了葉片氣體交換過程中An和g_s之間的相互作用。CO₂分子中的¹⁸O分餾發(fā)生在碳酸酐酶(cca)催化部位，CO₂和H₂O中的¹⁸O在此平衡。葉綠體表面被認(rèn)為是平衡的主要場(chǎng)所。平衡后的CO₂可以擴(kuò)散回來，與擴(kuò)散到細(xì)胞間空氣空間的大氣中的CO₂混合。假定葉綠體表面 H₂O 的 δ¹⁸O與蒸發(fā)部位的H₂O δ¹⁸O非常接近，則細(xì)胞間空氣空間中CO₂的 δ¹⁸O_i可用于推斷蒸發(fā)部位葉片水分的¹⁸O富集情況。根據(jù)Craig–Gordon模型，這在很大程度上取決于葉片外部與內(nèi)部水蒸氣壓的比值(如果假定葉片溫度接近環(huán)境空氣溫度，則等于相對(duì)濕度)。

 

同位素方法還可用于快速估算二氧化碳的葉肉導(dǎo)度(g_m)，葉肉導(dǎo)度已被認(rèn)為是光合作用的一個(gè)重要限制因素�？�?cè)~肉導(dǎo)度(g_m13)可通過 Δ¹³C 測(cè)量估算，而O同位素分餾測(cè)量可提供細(xì)胞壁和質(zhì)膜傳導(dǎo)率(g_m18)的信息。因此，兩者之間的差異就是葉綠體膜導(dǎo)度(g_cm)。von Caemmerer 和 Evans在2015 年使用一個(gè)簡化模型來描述g_m的溫度依賴性，但他們無法解釋觀察到的g_m在高溫時(shí)下降的現(xiàn)象。Flexas 和 Diaz-Espejo在2015 年提出的解釋是，隨著溫度升高，LAVPD 增加，面向細(xì)胞間空氣空間的葉綠體表面積逐漸減少。同樣，由于這些研究中的測(cè)量不是在恒定 LAVPD 條件下進(jìn)行的，因此g_m的直接溫度響應(yīng)仍不明確。

 

Diao等人的研究表明在受控環(huán)境條件下，當(dāng)溫度超過光合作用的最適溫度(30°C)時(shí)，所有受測(cè)樹種的氣孔導(dǎo)度(g_s)和凈光合速率(An)都會(huì)解偶聯(lián)，g_s會(huì)增加，而An會(huì)降低。在這種解偶聯(lián)過程中，葉肉導(dǎo)度(細(xì)胞壁、質(zhì)膜和葉綠體膜傳導(dǎo)率)在不同物種之間持續(xù)顯著下降；然而，這種下降并沒有導(dǎo)致葉綠體表面和基質(zhì)的二氧化碳濃度降低。

 

Diao等人對(duì)二氧化碳的擴(kuò)散限制導(dǎo)致高溫下光合作用下降的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)提出了質(zhì)疑。Diao等人認(rèn)為，氣孔和葉肉膜系統(tǒng)可以發(fā)揮戰(zhàn)略性作用，促進(jìn)蒸騰冷卻和二氧化碳供應(yīng)，從而減輕高溫對(duì)葉片光合功能的脅迫，盡管代價(jià)是降低水分利用效率。

 

本研究氣體交換測(cè)量及測(cè)量條件控制所用的旁路濕度控制系統(tǒng)均來自德國WALZ，如便攜式光合熒光測(cè)量系統(tǒng)GFS-3000，大葉室3010-GWK1，葉室光源RGBW-L084，冷阱，微型光量子傳感器LS-C，葉片溫度傳感器3010-CA/TCL。所有氣體交換測(cè)量組件放置在一個(gè)2.2m2d的Conviron PGR15氣候室里。同位素紅外光譜儀使用的是Thermo Fisher公司的Delta Ray，H₂O光腔衰蕩光譜儀使用的是Picarro公司的L2120-i。

 

 

以下是部分研究結(jié)果：

 

在所有測(cè)量過程中，LAVPD保持相對(duì)恒定，在不同的葉室溫度 (T_cuv) 階段，平均值(±1 SD)為 0.82 (±0.11) kPa，表明氣體交換系統(tǒng)的濕度控制良好。在VPD不變的情況下，根據(jù)相對(duì)濕度與溫度之間的理論關(guān)系，相對(duì)濕度隨著T_cuv的增加而增加。T_leaf與 T_cuv的線性回歸(R2=1.00，P<0.001)斜率為0.992，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，T_leaf 比 T_cuv稍高(0.41±0.22°C)。在四個(gè)物種中，有三個(gè)物種的 T_leaf 和 T_cuv 之間的差異隨著 E 從 0-3mmol H₂O m^-2s^-1的增加而減少了約 0.5°C(P < 0.001)，但赤松例外(P = 0.054)。

 

圖1 相對(duì)濕度(RH)和葉片-大氣水汽壓差(LAVPD)隨葉室溫度(T_cuv)升高而變化。

 

葉片氣體交換對(duì)溫度的反應(yīng)

 

四個(gè)物種的氣體交換參數(shù)(An、E、g_s 和 ci/ca)對(duì)葉綠素的響應(yīng)總體上是一致的。一般來說，An首先升高，在約30°C時(shí)達(dá)到峰值，然后隨著 T_leaf的進(jìn)一步升高而降低(F=108.63，P<0.001)。在測(cè)試的最高溫度(40°C)下，An下降到與15-20°C時(shí)相似的水平。相比之下，所有物種的 E 對(duì)T_leaf的增加都呈曲線上升(F=229.54，P<0.001)。由于 An 和 E 對(duì)溫度的反應(yīng)不同，WUE 隨著T_leaf的增加而增加，直到約 25°C，然后隨著T_leaf的進(jìn)一步增加而急劇下降到近 2 mmol CO₂ mol^-1 H2O(F=62.58，P<0.001)。與 E 相似，g_s 也隨著 T_leaf 的增加而增加(F = 183.54，P < 0.001)；然而，GAM顯示，g_s隨T_leaf的增加而增加的趨勢(shì)可以用線性關(guān)系充分描述，因?yàn)閿M合模型中的平穩(wěn)項(xiàng)在統(tǒng)計(jì)上并不顯著(P = 0. c_i/c_a 最初隨著溫度葉片的增加而降低，在 20-25°C 時(shí)達(dá)到最小值，然后隨著溫度葉片的進(jìn)一步增加而升高(圖 2d；F = 40.38，P < 0.001)。請(qǐng)注意，與其他物種相比，F. sylvatica的g_s和E在溫度范圍的低端(5-20°C；圖 2b,c)對(duì)T_leaf變化的反應(yīng)相對(duì)較小。因此，F(xiàn). sylvatica的 c_i/c_a最低值和 WUE 最高值出現(xiàn)在約15-20°C時(shí)，而其他物種則出現(xiàn)在約25-30°C時(shí)。

 

圖2 四種溫帶樹種對(duì)葉片溫度(T_leaf)升高的氣體交換反應(yīng)。

 

葉片二氧化碳交換過程中的碳和氧同位素鑒別

 

研究發(fā)現(xiàn)，在所有物種中，觀察到的¹³C光合分辨力(Δ¹³C_obs)對(duì)葉綠素的總體響應(yīng)都很明顯(F=47.16，P<0.001)。隨著葉綠素的增加，Δ¹³C_obs急劇下降，在5至15°C之間從28.2‰降至19.5‰。超過約15°C時(shí)，Δ¹³C_obs 變化微妙，平均為 18.7‰。與E和g_s對(duì)溫度的積極反應(yīng)相反，δ¹⁸O_i隨溫度升高呈曲線下降(F=352.3，P<0.001)，所有物種的平均值從61‰降至39‰。

 

圖3 四種溫帶樹種的 ¹³CO₂ 在線分辨能力(Δ¹³C_obs；a)和細(xì)胞間空氣空間中 CO₂ 的 δ¹⁸O_i (δ¹⁸O_i；b)對(duì)葉片溫度(T_leaf)的響應(yīng)。

 

葉肉導(dǎo)度和葉綠體二氧化碳濃度對(duì)溫度的響應(yīng)

 

在所有物種中，g_m13、g_m18和g_cm對(duì)T_leaf有顯著的二次響應(yīng)(g_m13：F=13.00，P<0.001；g_m18：F=22.09，P<0.001；g_cm：F=14.13，P<0.001;  F=14.13，P<0.001)，顯示出隨著 T_leaf 的增加先增加后減少。g_m13 在 20-25°C 之間達(dá)到峰值，而 g_m18 在 20°C 達(dá)到峰值。因此，g_cm 在 25°C 達(dá)到峰值。在所有物種和測(cè)量溫度下，g_m13 的平均值(±1 SD)為 0.11(±0.08)mol m^-2s^-1，g_m18 為 0.12(±0.10)mol m^-2s^-1，g_cm 為 0.25(±0.28)mol m^-2s^-1。

 

圖4 四種溫帶樹種CO₂葉肉導(dǎo)度對(duì)葉溫(T_leaf)的響應(yīng)。

 

c_c/c_a和c_ca/c_a對(duì)葉綠素都有顯著的響應(yīng)(分別為 F=20.61，P<0.001和F=38.54，P<0.001)。c_ca/c_a在5至30°C之間呈下降趨勢(shì)，然后隨著 T_leaf 的進(jìn)一步升高而急劇上升。

 

圖5 四種溫帶樹種葉綠體與環(huán)境CO₂摩爾分?jǐn)?shù)之比(c_c/c_a；a)和碳酸酐酶活動(dòng)場(chǎng)所CO₂摩爾分?jǐn)?shù)與環(huán)境CO₂摩爾分?jǐn)?shù)之比(c_ca/c_a；b)對(duì)葉片溫度(T_leaf)的響應(yīng)。

 

原文：

Diao, H., Cernusak, L.A., Saurer, M., Gessler, A., Siegwolf, R.T.W. and Lehmann, M.M. (2024), Uncoupling of stomatal conductance and photosynthesis at high temperatures: mechanistic insights from online stable isotope techniques. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.19558

 

譯者聲明：由于相關(guān)文章內(nèi)容非常專業(yè)，難免有些理解不準(zhǔn)確或者編輯整理的疏漏。另外，本翻譯稿省略了文中的參考文獻(xiàn)、擴(kuò)展閱讀、縮寫注釋。因此強(qiáng)烈建議感興趣的老師和同學(xué)閱讀原文。