光合作用中O₂产生和异戊二烯排放及其影响因素

发表时间：2025-03-10

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摘

要

传统的光合作用研究主要关注净二氧化碳交换（A_net）。本研究通过同步测量净氧气产生（NOP）、异戊二烯排放以及O₂中的δ¹⁸O值，结合传统的CO₂/H₂O气体交换和叶绿素荧光技术，全面分析了光合作用的氧化还原预算。研究发现，A_net和NOP在光照和CO₂浓度变化下呈线性相关，平均同化商（AQ = A_net/NOP）接近1.0。然而，随着叶片温度升高，AQ值下降至0.87±0.28，表明光合作用产生的ATP和NADPH更多地被分配到光呼吸和脂质合成等代谢途径，而非CO₂同化。研究还发现，O₂和异戊二烯排放的最佳温度分别为35℃和39℃，支持了光依赖性脂质合成主要由Calvin-Benson循环未消耗的ATP/NADPH驱动的观点。

研

究

目

的

本研究旨在通过同步测量NOP、异戊二烯排放和O₂中的δ¹⁸O值，结合传统的气体交换和叶绿素荧光技术，全面理解光合作用的氧化还原预算。研究特别关注光照、CO₂浓度和温度对光合作用的影响，揭示水的氧化与电子传递速率（ETR）之间的紧密联系，并探讨光依赖性脂质合成在高温下的作用。

研

究

方

法

研究使用加州杨树（Populus trichocarpa）作为模型树种，结合高精度O₂光谱仪（CRDS）、质子转移反应质谱仪（PTR-MS）和商用叶片气体交换系统，构建了一个全环境控制的实验系统。该系统能够实时测量ETR、A_net、NOP、气孔导度（g_s）和异戊二烯排放。此外，研究还使用¹⁸O标记的水来测量光合作用总产氧（GOP）的最佳温度。

图1：实验设置示意图，展示了如何实时测量叶片与大气之间的CO₂、H₂O、O₂和异戊二烯通量。

实验系统包括小叶室（6 cm²）和大叶室（36 cm²），分别用于测量光、CO₂和温度响应曲线。小叶室集成了叶绿素荧光测定功能，而大叶室则用于控制叶温和光合有效辐射（PAR）光谱。气体分析仪器包括Picarro CRDS和PTR-MS，分别用于测量O₂浓度、δ¹⁸O值和异戊二烯排放。通过测量叶片室内外的O₂浓度变化（ΔO₂），研究者能够实时计算叶片的NOP通量。

研

究

结

论

图2：使用¹⁸O标记水时O₂演变的实时叶片气体交换通量，展示了δ¹⁸O值随叶温变化的动态。

图3：杨树叶在高温下的简化代谢模型，展示了温度升高对气孔导度、NOP和A_net的影响。

本研究通过同步测量O₂产生和异戊二烯排放，揭示了光合作用在不同环境条件下的氧化还原预算变化。研究结果表明，随着温度升高，光合作用产生的ATP和NADPH更多地被分配到光呼吸和脂质合成中，而非CO₂同化。这一发现支持了光依赖性脂质合成主要由Calvin-Benson循环未消耗的ATP/NADPH驱动的观点，并为理解植物在高温环境下的代谢适应机制提供了新的见解。

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原文链接：

https://doi.org/10.1111/pce.15124

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