景立權(quán),趙新勇,周 寧,錢曉晴,王云霞,朱建國,王余龍,楊連新,*

1 揚州大學(xué), 江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點,糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 揚州 225009 2 揚州大學(xué), 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 揚州 225009 3 中國科學(xué)院, 南京土壤研究所, 南京 210008

高CO2濃度對雜交水稻光合作用日變化的影響
——FACE研究

景立權(quán)1,趙新勇1,周 寧1,錢曉晴2,王云霞2,朱建國3,王余龍1,楊連新1,*

1 揚州大學(xué), 江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點,糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 揚州 225009 2 揚州大學(xué), 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 揚州 225009 3 中國科學(xué)院, 南京土壤研究所, 南京 210008

大氣二氧化碳(CO2)濃度增高導(dǎo)致全球變暖,但作為光合作用底物促進(jìn)綠色作物的光合作用。為了明確高CO2濃度對雜交水稻結(jié)實期光合日變化的影響,2014年利用稻田FACE(Free Air CO2Enrichment)平臺,以生產(chǎn)上曾創(chuàng)高產(chǎn)紀(jì)錄的兩個雜交稻新組合甬優(yōu)2640和Y兩優(yōu)2號為供試材料,設(shè)置環(huán)境CO2和高CO2濃度(增200 μmol/mol)兩個水平,測定雜交稻抽穗期和灌漿中期光合作用日變化和成熟期生物量。結(jié)果表明,高CO2濃度環(huán)境下兩組合抽穗期葉片凈光合速率均大幅增加(全天平均52%),但灌漿中期的平均增幅減半,其中Y兩優(yōu)2號這種光合下調(diào)表現(xiàn)更為明顯。大氣CO2濃度升高使兩雜交稻組合抽穗和灌漿中期葉片氣孔導(dǎo)度均大幅下降,導(dǎo)致蒸騰速率下降而水分利用效率大幅增加,Y兩優(yōu)2號氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率對CO2的響應(yīng)上午大于下午,而甬優(yōu)2640表現(xiàn)相反。盡管大氣CO2濃度升高使雜交稻結(jié)實期不同時刻胞間CO2濃度均大幅增加,但對氣孔限制值特別是胞間CO2與空氣CO2濃度之比多無顯著影響,兩品種趨勢一致。大氣CO2濃度升高對甬優(yōu)2640地上部生物量及其組分的影響明顯大于Y兩優(yōu)2號,CO2與品種間多存在互作效應(yīng)。以上結(jié)果表明,與甬優(yōu)2640相比,Y兩優(yōu)2號最終生產(chǎn)力從高CO2濃度環(huán)境中獲益較少可能與該品種生長后期存在明顯的光合適應(yīng)有關(guān),但這種光合適應(yīng)似乎不是由氣孔限制造成的。

雜交稻；FACE(Free Air CO2Enrichment)；二氧化碳；光合作用；日變化；適應(yīng)

大氣二氧化碳(CO2)濃度持續(xù)增高是全球氣候變化最為突出和確定的現(xiàn)象之一。大氣CO2濃度已從工業(yè)革命前的280 μmol/mol不斷增高,至今已突破400 μmol/mol大關(guān),并且增長速度越來越快[1]。盡管采用各種各樣的減排措施,預(yù)計2050年大氣中的CO2濃度仍將達(dá)到470—570 μmol/mol[2],2100年最高將增至936 μmol/mol[3]。作為光合作用的底物,空氣中CO2濃度增高是全球變化中極少數(shù)對農(nóng)作物生產(chǎn)力有正向作用的因子之一[4-5]。

根據(jù)糧食和農(nóng)業(yè)組織(FAO)表示,大米養(yǎng)活地球上一半人口,是第二大最有價值的作物,也是種植規(guī)模第三大作物。隨著世界人口不斷增長,需要更多的大米養(yǎng)活人口。雜交稻產(chǎn)量潛力大、抗逆性強(qiáng),自20世紀(jì)70年代在我國大面積推廣以來,為解決中國糧食安全問題發(fā)揮了不可替代的作用。已有少量研究表明,雜交稻生長和產(chǎn)量對CO2的響應(yīng)明顯大于常規(guī)稻,這為未來稻作生產(chǎn)展示了很好的前景[6-8]。但這種高應(yīng)答是否具有普遍性？其內(nèi)在機(jī)制是什么？令人意外的是這方面的研究非常有限,而已有的研究多以單一品種為試驗對象[9-12]。水稻(C3作物)光合作用是對環(huán)境因子比較敏感的重要生化過程,這一過程對高CO2濃度的響應(yīng)和適應(yīng)很大程度上決定了水稻的最終增產(chǎn)潛力。無論是氣室和FACE(Free Air CO2Enrichment)研究,目前大氣CO2濃度升高對常規(guī)水稻光合作用的影響已有不少報道[7,13-14]),但報道的光合參數(shù)較少且主要聚集常規(guī)水稻[15-16]。據(jù)作者所知,高CO2濃度環(huán)境下雜交稻光合響應(yīng)的日變化尚未見報道。一般來說,短期CO2熏蒸使水稻的光合作用增強(qiáng),但長期生長于CO2富集環(huán)境下會出現(xiàn)光合適應(yīng)(acclimation)或下調(diào)(down-regulation)現(xiàn)象[7,13],雜交稻大田生長后期是否亦存在光合適應(yīng)現(xiàn)象？品種間是否存在差異？明確這些問題對更新未來稻作生產(chǎn)的預(yù)測模擬,制訂應(yīng)對策略具有重要意義。

與氣室不同,FACE試驗基于標(biāo)準(zhǔn)的作物管理技術(shù),在空氣自由流動的大田條件下對作物表現(xiàn)進(jìn)行研究,提供了對未來作物生長環(huán)境的真實模擬[17]。由于FACE系統(tǒng)的獨特性,這一技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)(1989),便在全球氣候變化研究中得到廣泛應(yīng)用[4, 17-18]。1998年,FACE技術(shù)被日本科學(xué)家首次用于稻田生態(tài)系統(tǒng)的研究[19],2001年中國通過國際合作建成稻田FACE實驗平臺[20],該平臺迄今為止已連續(xù)運行了15a[14],并取得重要進(jìn)展[6,7]。本試驗以生產(chǎn)上最新育成的曾創(chuàng)高產(chǎn)紀(jì)錄的秈粳雜交稻甬優(yōu)2640和雜交秈稻Y兩優(yōu)2號[21]為材料,利用這一稻田開放系統(tǒng)模擬本世紀(jì)中葉大氣CO2濃度,研究其對高產(chǎn)雜交稻光合作用日變化和物質(zhì)積累量的影響,以期為高CO2濃度環(huán)境下最大化雜交稻生產(chǎn)力提供新的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與平臺

本實驗于2014年在中國稻田FACE平臺上進(jìn)行,該試驗平臺位于江蘇省揚州市小紀(jì)鎮(zhèn)良種場試驗田內(nèi)(119°42′0″E,32°35′5″N)。實驗土壤類型為清泥土,年均降水量980 mm左右,年蒸發(fā)量大于1100 mm,年平均溫度約14.9 ℃,年日照時間大于2100 h,年平均無霜期220 d,耕作方式為-冬閑單季種植。土壤理化性質(zhì)：有機(jī)碳18.4 g/kg,全氮 1.45 g/kg,全磷 0.63 g/kg,全鉀 14.0 g/kg,速效磷 10.1 mg/kg,速效鉀 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。平臺共有3個FACE試驗圈和3個對照(Ambient)圈。FACE圈之間以及FACE圈與對照圈之間的間隔>90 m,以減少CO2釋放對其它圈的影響。FACE圈設(shè)計為正八角形,直徑12 m,平臺運行時通過FACE圈周圍的管道向中心噴射純CO2氣體,利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對平臺的CO2濃度和水稻冠層溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制,根據(jù)大氣中的CO2濃度、風(fēng)向、風(fēng)速、作物冠層高度的CO2濃度自動調(diào)節(jié)CO2氣體的釋放速度和方向,使水稻主要生育期FACE圈內(nèi)CO2濃度保持比大氣環(huán)境高200 μmol/mol。對照田塊沒有安裝FACE管道,其余環(huán)境條件與自然狀態(tài)一致[12]。平臺熏氣時間為6月28日至10月26日,每日熏氣時間為日出至日落,熏蒸期間對照圈平均 CO2濃度為 (371.9±2.0) μmol/mol,FACE 圈實際 CO2處理濃度為 (571.9±0.3) μmol/mol,FACE 圈較對照圈平均增加(199.2±1.9) μmol/mol。水稻生育期內(nèi)溫度及光照有效輻射變化情況見圖1。

圖1 2014年水稻生育期內(nèi)溫度及光合有效輻射變化情況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

1.2 試驗處理和材料培育

本試驗為裂區(qū)試驗設(shè)計,主區(qū)為CO2處理,設(shè)置大氣環(huán)境CO2濃度(Ambient CO2)和高CO2濃度(Elevated CO2,比環(huán)境CO2濃度高200 μmol/mol)；裂區(qū)為兩個雜交新組合,分別為甬優(yōu)2640(秈粳雜交稻)和Y兩優(yōu)2號(雜交秈稻,2013年被農(nóng)業(yè)部核定為超級稻品種)。

大田旱育秧,5月20日播種,6月21日移栽,單本栽插(每穴1株)?？偸┑繛?2.5 g/m2,采用復(fù)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),分蘗肥(6月28日)和穗肥(7月25日)均占30%。總施P、K肥均為9 g/m2,采用復(fù)合肥,全作基肥施用。水分管理：6月21日—7月20日保持水層(約3 cm),7月21日—8月10日多次輕擱田(自然落干后保持3d→灌水1d→干旱4d→灌水1d,如此4d干旱1d灌水反復(fù)),8月11日—收獲前10日間隙灌溉(3d保水2d干旱)之后斷水至收獲。其它管理亦按高產(chǎn)田標(biāo)準(zhǔn)和要求執(zhí)行。

1.3 測定內(nèi)容與方法

(1)光合作用參數(shù) 在水稻抽穗期選擇生長一致的植株記號標(biāo)記,分別在抽穗期及穗后24 d,從9：30—17：30每隔2h,采用LI- 6400 xt光合測定系統(tǒng)(LI-COR公司,美國)測定凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、葉片胞間與周圍空氣CO2濃度之比等光合作用相關(guān)參數(shù),并計算葉片瞬時水分利用效率(WUE=Pn/Tr)；氣孔限制值(Ls)=1-葉片胞間與周圍空氣CO2濃度之比。測定時采用CO2小鋼瓶(LI-COR公司,美國)控制Ambient圈CO2濃度為380 μmol/mol及FACE圈CO2濃度為580 μmol/mol。利用系統(tǒng)自配 LED 紅藍(lán)光源補光,光量子通量設(shè)定為1200 μmol m-2s-1。測定劍葉葉片中上部的上表面,每處理連續(xù)測定2—3株取平均值。

(2)干物質(zhì)重量 參照本課題前期已報道的方法[22]：于水稻成熟期(即試驗區(qū)80%植株進(jìn)入黃熟期),根據(jù)連續(xù)40穴田間普查的單穴平均莖蘗數(shù),各小區(qū)取代表性植株6穴。取樣時保護(hù)好易折斷的器官,將植株分為葉片、 莖鞘和稻穗等部位,各部位器官 105 ℃ 殺青 30 min、 70 ℃ 烘至恒重后(約 72 h)稱量干重。地上部干重(g/m2)=葉片+莖鞘+稻穗干重(g/m2)。

1.4 統(tǒng)計分析

本試驗所有數(shù)據(jù)均以Excel 2013處理和圖表繪制。采用一般線性模型,以SPSS 22.0進(jìn)行方差分析,采用Duncan法作多重比較,顯著水平設(shè)P≤0.01、P≤0.05、P≤0.1、P>0.1, 分別用**、*、+和 ns表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 高CO2濃度對雜交稻凈光合速率的影響

處理和對照水稻葉片凈光合速率(Pn)變化曲線均呈現(xiàn)出單峰,最高峰出現(xiàn)在9:00或11:00,尤其是在13:30以后,Pn明顯下降(圖2)。葉片同一時刻Pn隨生育進(jìn)程明顯下降,兩品種趨勢一致。兩組合比較,多數(shù)情況下甬優(yōu)2640葉片平均Pn大于Y兩優(yōu)2號,兩測定時期趨勢一致。高CO2濃度使兩組合抽穗期各時刻測定的葉片Pn均大幅增加,但抽穗后24 d的響應(yīng)明顯變?。簝善贩N全天平均,抽穗和抽穗24 dPn的增幅分別為51%和27%(圖2)。兩組合比較,抽穗期各時刻葉片Pn對CO2的響應(yīng)種間差異較少,但抽穗24 d甬優(yōu)2640的響應(yīng)能力明顯大于Y兩優(yōu)2號：高CO2濃度使甬優(yōu)2640 在9:30、11:30、13:30和15:30 葉片Pn平均分別增加39%、26%、30%和13%,除最后1次外均達(dá)0.01顯著水平,但Y兩優(yōu)2號只有11:30葉片Pn的增幅達(dá)0.05顯著水平(圖2和表1)。

圖2 高CO2濃度對雜交稻抽穗期(a,b)和抽穗后24 d(c,d)不同時刻劍葉凈光合速率(Pn)的影響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)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤, Date is mean±SE (n=3)；ns： 不顯著non-significance, P>0.1;+ P≤0.1; * P≤0.05; **P≤0.01; YY2640, 甬優(yōu)2640; YLY2, Y兩優(yōu)2號

2.2 高CO2濃度對雜交稻氣孔導(dǎo)度的影響

兩品種葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)的日變化與Pn相似,兩期處理和對照葉片Gs均以9:00或11:00Gs最高(圖3)。抽穗后24 d各時刻平均Gs小于抽穗期(甬優(yōu)2640)或與抽穗期相近(Y兩優(yōu)2號)。高CO2濃度使供試組合各測定時刻Gs均明顯下降,兩品種全天平均,抽穗期和抽穗后24 d分別下降29%和31%；但從整個日變化進(jìn)程看,兩品種的響應(yīng)模式差異很大,特別是抽穗后24 d,Y兩優(yōu)2號上午兩個測定時段的響應(yīng)明顯大于下午,而甬優(yōu)2640呈相反趨勢(圖3)。CO2處理與品種對抽穗后24 d不同時刻葉片Gs均有不同程度互作效應(yīng)(表1)。

表1 高CO2濃度對雜交稻抽穗期和抽穗后24 d劍葉光合參數(shù)影響的方差分析

Table 1 Analysis of variance for photosynthetic parameters of the flag leave of hybrids in response to elevated CO2concentration at heading and 24 days after heading

Pn:凈光合速率 net photosynthetic rates;Gs:氣孔導(dǎo)度, stomatal conductance;Tr:蒸騰速率, transpiration rate;WUE:水分利用效率, water use efficiency;Ci:葉片胞間CO2濃度, internal cellular CO2concentration; *P值表示差異達(dá)0.05以上顯著水平

圖3 高CO2濃度對雜交稻抽穗期(a,b)和抽穗后24 d(c,d)不同時刻葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響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)

2.3 高CO2濃度對雜交稻蒸騰速率的影響

處理和對照水稻葉片蒸騰速率(Tr)日變化亦呈單峰曲線,最高峰出現(xiàn)在11:00或13:30,兩個生育時期趨勢基本一致(圖4)。抽穗后24 d各時刻葉片Tr明顯小于(甬優(yōu)2640)或接近于(Y兩優(yōu)2號)抽穗期對應(yīng)時刻。兩品種比較,抽穗期不同時刻葉片平均Tr均為甬優(yōu)2640大于Y兩優(yōu)2號,但抽穗后24 d因不同時刻而異。高CO2濃度環(huán)境下伴隨葉片Gs下降(圖3),Tr亦隨之下降,但降幅明顯小于前者：兩品種全天平均,抽穗期、抽穗后24 d葉片Gs均下降12%,不同時刻變幅分別為8%—16%和9%—14%,多達(dá)0.1以上顯著水平(表1)。兩品種Tr對CO2響應(yīng)的快慢差異較大：甬優(yōu)2640上午響應(yīng)明顯小于下午,但Y兩優(yōu)2號相反,抽穗期和抽穗后24 d趨勢一致(圖4)。方差分析表明,CO2與品種的互作對抽穗后24 d 11:30和15:30Tr的影響分別達(dá)0.05和0.1顯著水平(表1)。

2.4 高CO2濃度對雜交稻水分利用效率的影響

處理和對照水稻葉片水分利用效率(WUE)無一致的日變化規(guī)律(圖5)。Y兩優(yōu)2號抽穗期不同時刻葉片WUE明顯大于抽穗后24 d,但甬優(yōu)2640兩期對應(yīng)時刻WUE的差異較小。高CO2濃度使水稻各時刻WUE均顯著或極顯著增加：抽穗期和抽穗后24 d全天平均分別增加86%、49%,隨生育期推移增幅明顯減少,兩組合表現(xiàn)一致(圖5)。兩組合比較,Y兩優(yōu)2號抽穗期WUE對CO2的響應(yīng)明顯大于甬優(yōu)2640,表現(xiàn)在CO2與品種間互作多達(dá)0.1以上顯著水平,而抽穗24 d兩品種無明顯差異(圖5和表1)。

2.5 高CO2濃度對雜交稻胞間CO2濃度的影響

葉片胞間CO2濃度(Ci)的測定結(jié)果列于圖6和表1。11:30和13:30測定的葉片Ci總體上略小于每期起始和最后的測定值。抽穗和抽穗24 d平均Ci差異較小,兩組合表現(xiàn)一致。高CO2濃度使稻葉各時刻Ci均

圖4 高CO2濃度對雜交稻抽穗期(a,b)和抽穗后24 d(c,d)不同時刻劍葉蒸騰速率(Tr)的影響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)

圖5 高CO2濃度對雜交稻抽穗期(a,b)和抽穗后24 d(c,d)不同時刻水分利用效率(WUE)的影響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)

大幅增加：抽穗期和抽穗后24 d全天平均分別增加43%(P<0.01)和50%(P<0.01)；抽穗期甬優(yōu)2640Ci對CO2的響應(yīng)明顯大于Y兩優(yōu)2號,但抽穗后24 d兩組合的響應(yīng)沒有差異(圖6)。CO2與品種對抽穗期不同時刻Ci多存在明顯的互作效應(yīng),但灌漿中期兩因子間沒有互作效應(yīng)(表1)。

圖6 高CO2濃度對雜交稻抽穗期(a,b)和抽穗后24 d(c,d)不同時刻劍葉胞間CO2濃度(Ci)的影響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)

2.6 高CO2濃度對雜交稻胞間CO2與空氣CO2濃度之比和氣孔限制值的影響

葉片胞間CO2與空氣CO2濃度之比(Ci/Ca)和葉片氣孔限制值(Ls)不同測定時刻的差異均較小,抽穗期和抽穗后24 d趨勢一致(表2)。高CO2濃度對抽穗期和抽穗后24 d各測定時刻水稻葉片Ci/Ca均略有增加,相應(yīng)地Ls稍有下降,但多未達(dá)顯著水平。CO2與品種的互作對不同時刻Ci/Ca和Ls均無顯著影響,兩測定時期趨勢一致(表2)。

表2 高CO2濃度對雜交稻抽穗期和抽穗后24 d不同時刻劍葉胞間CO2與空氣CO2濃度之比(Ci/Ca)以及氣孔限制值(Ls)的影響

Table 2 Effect of elevated CO2concentration on diurnal courses of the ratio of intercellular to air CO2concentration (Ci/Ca) and stomata limittion value (Ls) of the flag leaf of hybrids at heading and 24 days after heading

指標(biāo)Index品種VarietyCO2抽穗期Headingstage抽穗后24d24dafterheading9:0011:3013:3015:309:0011:3013:3015:30Ci/CaYY2640AmbientCO20.89±0.000.87±0.010.89±0.000.88±0.000.81±0.010.81±0.010.77±0.020.85±0.00ElevatedCO20.89±0.010.87±0.010.86±0.010.78±0.040.79±0.020.78±0.000.83±0.010.84±0.01YLY2AmbientCO20.87±0.010.86±0.010.8±0.000.89±0.020.91±0.000.87±0.010.85±0.010.89±0.00ElevatedCO20.82±0.020.85±0.020.79±0.020.83±0.010.88±0.000.86±0.010.85±0.010.9±0.00ANVOACO2nsnsns*nsnsnsnsVariety(V)**ns**ns********CO2×Vnsnsnsnsnsnsns**LsYY2640AmbientCO20.11±0.000.13±0.010.11±0.000.12±0.000.19±0.010.19±0.010.23±0.020.15±0.00ElevatedCO20.11±0.010.13±0.010.14±0.010.22±0.040.21±0.020.22±0.000.17±0.010.16±0.01YLY2AmbientCO20.13±0.010.14±0.010.2±0.000.11±0.020.09±0.000.13±0.010.15±0.010.11±0.00ElevatedCO20.18±0.020.15±0.020.21±0.020.17±0.010.12±0.000.14±0.010.15±0.010.1±0.00ANVOACO2nsnsns*nsnsnsnsVariety(V)**ns**ns********CO2×Vnsnsnsnsnsnsns**

ns: 不顯著 non-significance; *P≤0.05; **P≤0.01

2.7 高CO2濃度對成熟期地上部及各器官生物量的影響

成熟期地上部及各器官生物量測定結(jié)果列于圖7。兩品種平均,高CO2濃度使成熟期地上部生物量平均增加271 g/m2,增幅達(dá)12.6%,達(dá)顯著水平。盡管對照圈兩組合地上部生物量沒有差異,但對CO2的響應(yīng)存在明顯的差異：高CO2濃度使甬優(yōu)2640和Y兩優(yōu)2號地上部生物量分別增加24.9%和1.3%,前者達(dá)顯著水平。兩品種平均,高CO2濃度使莖鞘和稻穗生物量平均增加9.0%(P=0.15)和17.3%(P<0.01),但使葉片干重略降。從不同品種看,高CO2濃度環(huán)境下甬優(yōu)2640葉片、莖鞘和稻穗生物量均呈明顯的增加趨勢,增幅達(dá)16%—29%,但對Y兩優(yōu)2號各器官生物量均無顯著影響。方差分析表明,CO2與品種互作對地上部、葉片以及稻穗生物量的影響均達(dá)到或接近0.05顯著水平(圖7)。

圖7 高CO2濃度對雜交稻結(jié)實期地上部總生物量、葉片、莖鞘和稻穗生物量的影響Fig.7 Effect of elevated CO2 concentration on dry weight of above-ground plant, leaf, stem-sheath and panicle同一圖中不同字母表示在0.05水平上差異顯著

3 結(jié)論與討論

選育響應(yīng)能力強(qiáng)但產(chǎn)量低的品種是沒有多大意義的,因此更需要了解的是目前稻作生產(chǎn)中的高產(chǎn)品種是否還具有較高的響應(yīng)能力。本研究選用超高產(chǎn)雜交稻組合甬優(yōu)2640和Y兩優(yōu)2號為供試材料,首次利用作物FACE技術(shù)開展雜交稻光合日變化的研究。成熟期測定顯示,對照圈生長的甬優(yōu)2640和Y兩優(yōu)2號每667 m2稻穗干重分別達(dá)770 kg和855 kg(圖7),遠(yuǎn)高于本省[23]和全國的平均水稻產(chǎn)量水平[24-25]。

氣室和FACE數(shù)據(jù)表明,多數(shù)情況下水稻長期處于高CO2濃度環(huán)境中會出現(xiàn)光合適應(yīng)現(xiàn)象[7,13-14]。本試驗表明,兩組合全天平均,CO2濃度增加200 μmol/mol使抽穗和灌漿中期劍葉Pn分別增加51%和27%,后者約為前者的二分之一,表現(xiàn)出明顯的光合下調(diào)；從不同組合看,抽穗期兩組合Pn對CO2的絕對和相對響應(yīng)差異均較小,但灌漿中期表現(xiàn)出明顯的品種差異：甬優(yōu)2640 劍葉Pn的響應(yīng)能力總體上明顯大于Y兩優(yōu)2號,前者不同時刻響應(yīng)多達(dá)顯著水平,后者多未達(dá)顯著水平(圖2)。高CO2濃度環(huán)境下Y兩優(yōu)2號較甬優(yōu)2640表現(xiàn)出更為明顯的光合下調(diào)現(xiàn)象,這種差異可能與總穎花量的響應(yīng)差異有關(guān)。同一平臺另一伴隨試驗的測定結(jié)果表明,高CO2濃度使總穎花量平均分別增加33%(P<0.01)和7.7%(P=0.06)。FACE水稻庫容(即總穎花量)增幅越大,對光合產(chǎn)物需求亦越大,進(jìn)而有助于減緩對光合的反饋抑制[16,18],這可能是甬優(yōu)2640灌漿中期Pn仍有較強(qiáng)響應(yīng)能力的重要原因。

大氣CO2濃度增加時,植物葉片能主動降低Gs以適應(yīng)這種環(huán)境的變化。Cure和Acock對氣室試驗的綜述表明,在水分和氮素充足、CO2濃度為550 μmol/mol的條件下,水稻葉片Gs平均減少18%[26]。本文的FACE研究表明,兩品種全天不同時刻平均,CO2濃度增加200 μmol/mol使供試組合抽穗期和灌漿中期平均下降29%和31%,其中甬優(yōu)2640分別平均下降26%和22%,Y兩優(yōu)2號分別平均下降36%、37%(圖3)。本文FACE研究觀察到的葉片Gs對CO2的響應(yīng)要大于氣室試驗(封閉或半封閉條件),Y兩優(yōu)2號表現(xiàn)更為明顯。這種響應(yīng)的差異到底是由于熏蒸手段的不同造成的,還是與供試材料不同有關(guān)？作者認(rèn)為還需更多的試驗證據(jù),盡管其它作物上亦有類似報道[4-5]。有趣的是,從響應(yīng)日變化看,本研究發(fā)現(xiàn)甬優(yōu)2640Gs對CO2的響應(yīng)均較Y兩優(yōu)2號明顯滯后,因此上午兩個測定時段Gs的響應(yīng)Y兩優(yōu)2號明顯大于甬優(yōu)2640,而下午則剛好相反,不同時刻CO2與品種的互作效應(yīng)亦證明了這一點(圖3和表1)。這一現(xiàn)象亦與Pn響應(yīng)的日變化相一致：甬優(yōu)2640Pn對CO2的響應(yīng)上午總體上大于下午,而Y兩優(yōu)2號有相反趨勢(圖2)。以上結(jié)果提示,在研究水稻光合響應(yīng)時,不同處理相同(近)時間測定的重要性。

與前人研究結(jié)果一致[15],高CO2濃度環(huán)境下,供試材料不同時間測定的胞間CO2濃度(Ci)的水平大幅增加(圖6)。但不同的是,葉片氣孔限制值(Ls)特別是胞間CO2與空氣CO2濃度之比(Ci/Ca)對CO2的響應(yīng)多未達(dá)顯著影響,兩組合趨勢一致,表現(xiàn)在不同時間CO2與品種間多無互作效應(yīng)(表2)。高CO2濃度環(huán)境下稻葉的光合下調(diào)可歸因于氣孔限制(如氣孔數(shù)量和開度等)和非氣孔限制(如酶活力和光合組分等)。本試驗數(shù)據(jù)表明,盡管兩組合FACE圈葉片的Gs明顯低于對照圈葉片,但葉片Ci/Ca和Ls對CO2均無顯著響應(yīng),這說明氣孔限制可能不是供試雜交組合特別是Y兩優(yōu)2號灌漿中期葉片光合下調(diào)的決定因素。同一FACE研究對稻葉含氮率的測定結(jié)果表明,高CO2濃度使Y兩優(yōu)2號抽穗期和抽穗后24 d葉片含氮率平均分別下降7%和26%,均達(dá)顯著水平,但甬優(yōu)2640對應(yīng)時期葉片含氮率盡管稍有下降,但未達(dá)顯著水平(待發(fā)表)。據(jù)此,我們推測FACE圈Y兩優(yōu)2號明顯的光合適應(yīng)現(xiàn)象很可能是非氣孔因子造成的,即葉肉細(xì)胞內(nèi)一些參與光合作用的酶(如Rubisco)活性和含量的降幅明顯大于甬優(yōu)2640,因為低氮水平會導(dǎo)致這些光合酶的活性和濃度降低,后者被認(rèn)為高CO2濃度環(huán)境下作物光合下調(diào)的主要原因[27-29]。

大氣CO2濃度升高對葉片Gs的影響亦反映在水分利用上。高CO2濃度導(dǎo)致的Gs下降使氣孔阻力增加,減少葉片對水蒸氣的導(dǎo)度,所以盡管冠層溫度升高(數(shù)據(jù)未列出),單位葉面積蒸騰作用的強(qiáng)度也會降低[4]。本研究表明,高CO2濃度使供試組合各測定時刻蒸騰速率(Tr)均呈下降趨勢,平均降幅為12%(圖4)。與Gs響應(yīng)日變化一致(圖3),甬優(yōu)2640葉片Tr對CO2的響應(yīng)上午小于下午,而Y兩優(yōu)2號相反,兩個測定時期一致(圖4)。高CO2濃度使葉片Pn升高而Tr下降,因此,兩雜交組合不同時間水分利用效率(WUE)均大幅增加,抽穗期增幅明顯大于抽穗后24 d(圖5)[15]。葉片Tr和WUE對CO2的響應(yīng)品種間差異較小,表現(xiàn)CO2與品種間多無互作效應(yīng)(表1)。以上結(jié)果說明,高CO2濃度環(huán)境下兩品種的抗旱能力均明顯增強(qiáng)。已有綜述表明,C4作物亦有類似表現(xiàn)[5]。

高CO2濃度通過影響光合作用,最終影響干物質(zhì)生產(chǎn)。水稻對CO2響應(yīng)的基因型差異在氣室[30-31]和FACE研究中[32]均有報道,但這些研究多以常規(guī)稻為供試對象。與光合適應(yīng)結(jié)果一致,本研究成熟期測定數(shù)據(jù)表明,CO2與品種對地上部生物量有顯著的互作效應(yīng),甬優(yōu)2640生長對高CO2濃度的響應(yīng)能力明顯大于Y兩優(yōu)2號,地上部不同組分(葉片、莖鞘和稻穗)亦有相似趨勢(圖7)。結(jié)合光合數(shù)據(jù)可知,未來高CO2環(huán)境對雜交稻生產(chǎn)力的影響因品種而異,響應(yīng)小的組合(如Y兩優(yōu)2號)結(jié)實期光合下調(diào)明顯強(qiáng)于響應(yīng)大的組合(如甬優(yōu)2640)。這種品種間差異可能并非氣孔限制所致,而是參與光合作用的相關(guān)酶等非氣孔因子造成的,但其確切的生物學(xué)機(jī)制及其調(diào)節(jié)途徑還需進(jìn)一步的探索。

致謝：感謝中國科學(xué)院南京土壤研究所劉鋼、唐昊冶和朱國新老師對FACE系統(tǒng)的日常維護(hù)。

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Effect of increasing atmospheric CO2concentration on photosynthetic diurnal variation characteristics of hybrid rice: a FACE study

JING Liquan1, ZHAO Xinyong1, Zhou Ning1, Qian Xiaoqing2, WANG Yunxia2, Zhu Jianguo3, WANG Yulong1, YANG Lianxin1,*

1JiangsuKeyLaboratoryofCropGeneticsandPhysiology,Co-InnovationCenterforModernProductionTechnologyofGrainCrops,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China2CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China3StateKeyLaboratoryofSoilandSustainableAgriculture,InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China

The rising of atmospheric carbon dioxide (CO2) concentration has been blamed for global warming, but it promotes the leaf photosynthesis of crops because CO2is the main substrate for photosynthesis. In order to understand the effect of elevated CO2concentration on diurnal courses of CO2uptake of hybrid rice, a paddy field experiment utilizing free air CO2enrichment (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 CO2and the elevated CO2concentration (200 μmol/mol above ambient) from plant transplanting until grain maturity. Elevated CO2concentration significantly increased net photosynthetic CO2assimilation 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 CO2concentration significantly decreased stomatal conductance of two hybrids at both heading and grain filling stages, resulting in lower transpiration and higher water use efficiency. Greater CO2responses of leaf transpiration and stomatal conductance were observed in the morning for YLY 2, but YY 2640 showed higher CO2effects in the afternoon. Growth at elevated CO2concentration significantly increased intercellular CO2concentration, but had no clear effects on the ratio of intercellular to air CO2concentration and stomata limitation value, and the same trend was observed for the two varieties. The CO2effects on the above-ground biomass and its components were greater in YY 2640 than YLY 2, and it was reflected in the significant CO2by variety interactions. The results indicated that compared with YY 2640, the lower CO2gain 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.

hybrid rice; FACE (Free Air CO2Enrichment); carbon dioxide (CO2); photosynthetic; diurnal variation; adaptation

國家自然科學(xué)基金面上項目(31571597,31371563,31171460)；國家自然科學(xué)基金國際(地區(qū))合作與交流項目(31261140364)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2015M581870)；江蘇省博士后科研資助計劃(1501077C)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目資助

2015- 09- 26;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201509261974

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lxyang@yzu.edu.cn

景立權(quán),趙新勇,周寧,錢曉晴,王云霞,朱建國,王余龍,楊連新.高CO2濃度對雜交水稻光合作用日變化的影響——FACE研究.生態(tài)學(xué)報,2017,37(6):2033- 2044.

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 CO2concentration on photosynthetic diurnal variation characteristics of hybrid rice: a FACE study.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):2033- 2044.