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                    光合作用光能利用效率研究進入實時、原位、定量解析新時代!
                    發布時間:2022-03-31   點擊次數:16次
                    光合作用光能利用效率研究進入實時、原位、定量解析新時代!
                    提高冠層光能利用效率(LUE)和能量轉化效率(ec)是提高作物產量潛力的主要方式。在當前碳達峰、碳中和研究得到全社會關注的今天,提高光合作用,加大大氣的CO2固定并實現長期封存,也為未來實現碳中和提供關鍵解決方案(Janson et al., 2020)。盡管目前對于光合作用理論最大值都已經有共識(Zhu et al., 2008),然而針對特定植物或者作物來講,限制光合效率的關鍵點是什么?如何提高當前植物的光合效率已經成為當前植物科學研究的焦點之一。迄今為止,LUE和ec的相關研究一般在作物中開展,而且這些研究大都基于生物量測量,即在較長時間段(比如2周或者1個月)之內,測量植物生物量的變化及植物吸收的總太陽光能,進而估算LUE和ec等。這種方法簡單容易操作,然而時間分辨率低、生物量樣品間由于種植地塊之間的環境差異等造成測量精度較低;同時,該方法難以實現實時、原位光能利用效率測量。這一切都限制了利用該方法開展大規模的植物光能利用效率的自然變異及其關鍵控制因子的深入研究。
                    近幾年來,對光合改良相關研究獲得越來越大的關注,光合效率尤其是冠層光合效率研究方法也得到突飛猛進的發展。目前,冠層光合、呼吸及蒸騰速率的測量系統得到迅速發展及持續優化(Song et al., 2016; 2018; 2021);可以有效整合冠層結構及生理參數計算及解析冠層光合作用的群體光合物理數學模型也得以建立(Song et al., 2013; Chang et al.,2019; Wang et al., 2017);這為開展實時、原位的冠層光合研究提供了理論及技術基礎。

                    日前,中科院分子植物卓越中心朱新廣團隊利用CAPTS,實時、原位的量化分析了作物冠層LUE和ec,標志著作物光能利用效率研究進入了實時、原位、定量解析的新時代。該研究發現,具有不同冠層結構的兩個小麥品種在5個生長時期的LUE變化范圍在0.01~0.05 mol CO2 mol-1photon且在中等光強下LUE最高, ec的變化范圍為0.5%至3.7%(為C3作物理論最大值的11%~80%),光強是控制LUE和ec變異的主要因素。本研究通過冠層氣體交換測量,估算從分蘗期到灌漿期的平均ec為2.17%,即理論最大值的47.2%(圖1及2)。


                    圖1,利用自主研制的多測量箱冠層光合氣體交換測量系統multi-CAPTS進行田間小麥冠層光合速率測量。通過移動測量箱測量不同時期的小麥冠層光合速率和土壤呼吸速率并計算整個植物的凈CO2通量。環境中的光環境信息、溫度及相對濕度信息在冠層光合測量時同時測量得到。


                    圖2,小麥冠層凈CO2通量Acr,冠層光能利用效率LUE及光能轉化效率ec的日變化曲線。ZY1和YM2為兩個不同小麥品種在5個時期,分蘗期(118 DAS),孕穗期(127 DAS),抽穗期(145 DAS),灌漿早期(161 DAS)和灌漿后期(173 DAS)。數據為mean±sd(n=3 plots)。

                    利用測量的冠層光合CO2吸收可以有效預測地上部分的生物量(圖3);而且基于冠層光合測量所得到的平均冠層光能利用率(RUE)為1.5~1.7 g MJ-1,與基于地上部分生物量干重測得的RUE數值接近(圖3)。LUE和ec在一天不同時間及不同生長季有大幅動態變化,且在絕大多數時間跟理論最大值之間有巨大差異,這意味著改良冠層光合作用以提高小麥產量潛力還具有很大提升空間。


                    圖3,不同時期地上部生物量BM干重(A)以及BM與累積凈CO2固定量之間的關系(B,C),生物量測量值BM與冠層吸收的總光能之間的關系(D,E)以及基于multi-CAPTS的氣體交換測量的生物量預測值與冠層吸收的總光能之間的關系(F,G)。光能利用率RUE為生物量與冠層吸收總光能之間線性關系的斜率。圖A數據為mean ± sd (n=15) ** p < 0.005, * p <0.05 (Students’ t test). 圖B-G數據為mean ± sd (n=3 plots).
                    該研究是第一次全生育期、實時的小麥光能利用效率的精確原位測量;這些測量為后續開展控制小麥冠層光合效率的關鍵結構、代謝及環境因子提供了數據支持,并使得開展小麥冠層光能利用效率的遺傳解析成為可能。跟小麥類似,目前主要作物的田間光能利用效率都尚未進行系統研究。當前發展的冠層光合測量設備、解析冠層光合效率的系統模型及其解析方法,結合當前的基因組學信息,為未來冠層光合效率的機理解析、遺傳研究奠定了基礎??梢灶A見,冠層光合效率的機理解析及遺傳研究將成為光合作用研究的一個關鍵領域;其研究必將極大推動作物的高光效育種及栽培跨上一個新臺階。這些研究方法也將為培育創制全新的碳匯植物,即有高光能利用效率且可以有效將固定的碳長期保存的植物,提供關鍵技術支持。
                    中國科學院分子植物科學卓越創新中心植物分子遺傳國家重點實驗室朱新廣組宋青峰博士為該論文第一作者,朱新廣研究員為該論文通訊作者。該項研究得到了巴斯夫公司根特創新中心、中國科學院先導專項、國家自然科學基金、科技部、蓋茨基金會(RIPE)及雜交水稻國家實驗室開放課題的資助。

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