玉米和花生間作體系光合碳同化酶活性對CO2濃度升高的響應(yīng)特征

李 雪，劉 娟，薛華龍，孫增光，王 飛，尹 飛，劉 領(lǐng)，焦念元*

(1 河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/河南省旱地農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南洛陽 471023；2 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，鄭州 450002)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評估報(bào)告指出，如不加以控制則21世紀(jì)末全球大氣CO2濃度將超過700 μmol·mol-1[1]。CO2是作物生長最重要的影響因子之一，其濃度升高可提前作物生育期、改善根冠比、增加生物量及產(chǎn)量[2]，并且作為光合碳同化底物可直接影響作物氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及碳同化進(jìn)程，進(jìn)而影響光合作用[3]。目前全球正面臨CO2濃度升高所帶來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)挑戰(zhàn)，研究作物光合碳同化酶活性對CO2濃度升高的響應(yīng)特點(diǎn)，對應(yīng)對全球氣候變化，確保糧食安全至關(guān)重要。

已有研究表明，短時(shí)間的供應(yīng)CO2可以促進(jìn)單作C4作物丙酮酸磷酸雙激酶(PPDK)基因的表達(dá)及活性[4]，增加其光合速率；C3植物葉片氣孔導(dǎo)度會(huì)隨著CO2濃度升高而下降，對CO2響應(yīng)的敏感度隨著溫度增高而增加，在高CO2濃度下，Rubisco酶活性得到促進(jìn)，光合最適溫度提高，進(jìn)而提高葉片光合速率[5]。還有研究表明CO2濃度升高能提高單作黃瓜葉片抗氧化酶活性以及葉綠素含量，增加“午休”時(shí)段的光合速率，顯著緩解高溫對光合作用的脅迫傷害[6]；在干旱條件下，高CO2濃度還可以改善由干旱脅迫引起的氧化損傷，提高植物的抗逆能力[7]。高CO2濃度環(huán)境使單作水稻和玉米的葉綠素含量提高，凈光合速率增加，但氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率下降[8]。葉子飄等認(rèn)為大豆葉片的凈光合速率以及電子利用效率隨著CO2濃度增高而增大，但不同濃度下羧化效率差異并不顯著[9-10]。而惠俊愛等認(rèn)為CO2濃度增高促進(jìn)了玉米淀粉積累，但Rubisco酶活性變化不顯著，且葉片中葉綠素含量下降[11]。但也有研究表明，當(dāng)長時(shí)間給單作作物供應(yīng)CO2時(shí)會(huì)導(dǎo)致光適應(yīng)現(xiàn)象，即由CO2帶來的促進(jìn)效用消失[12]，這可能與CO2濃度升高導(dǎo)致作物碳的源庫失衡有關(guān)[13]。而在玉米、花生間作復(fù)合體系中，CO2濃度升高能改善復(fù)合群體冠層結(jié)構(gòu)，提高玉米對強(qiáng)光、花生對弱光的利用，實(shí)現(xiàn)光能的分層立體利用[14]，進(jìn)一步改善間作玉米、花生的光合生理特性[15-16]。那么，升高CO2濃度對間作玉米、花生的光合碳同化酶活性產(chǎn)生了哪些影響？

磷素作為光合磷酸化底物，產(chǎn)生光合碳同化所需要的能量ATP[17]，施用磷肥能促進(jìn)作物光合磷酸化生產(chǎn)ATP[18]，提高單作玉米凈光合速率、葉綠素含量[19]、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度[20]。同時(shí)，施磷還能在一定程度上緩解由干旱造成的氣孔導(dǎo)度降低，提高單作玉米水分利用效率[21]。缺磷使作物葉片光合性能減弱，導(dǎo)致減產(chǎn)[21]，而CO2濃度升高能夠有效彌補(bǔ)缺磷帶來的減產(chǎn)效應(yīng)[22]。在間作體系中，于CO2濃度升高條件下，磷肥對間作玉米和間作大豆的生長優(yōu)勢有顯著促進(jìn)作用[23]，改善間作玉米的光合特性[15]。施磷能顯著提高間作玉米和花生的葉綠素含量，增強(qiáng)其功能葉對光的捕獲及轉(zhuǎn)化能力[24-25]。那么，CO2濃度升高條件下，磷肥對間作玉米、花生的光合碳同化酶活性及凈光合速率有哪些調(diào)控效應(yīng)？為了探究以上問題，在升高CO2濃度條件下，本研究考察了間作玉米、花生功能葉的凈光合速率和Rubisco、Ru5PK等光合碳同化關(guān)鍵酶活性的變化特點(diǎn)，從酶水平揭示間作玉米、花生功能葉光合碳同化特點(diǎn)對CO2濃度升高的響應(yīng)機(jī)理，為將來CO2濃度升高環(huán)境下間作玉米、花生綠色高產(chǎn)高效栽培提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018-2019年在河南科技大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(33°35′N，111°8′E)進(jìn)行。試驗(yàn)點(diǎn)地處溫帶，屬于半濕潤、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.1～14.6 ℃，年平均降雨量約610 mm，年平均蒸發(fā)量約2 116 mm，年日照時(shí)2 300～2 600 h，無霜期216～223 d，年平均輻射量約492 kJ·cm-2。試驗(yàn)地土壤為黃潮土，質(zhì)地為中壤；0～20 cm土層土壤理化性質(zhì)分別為：土壤容重1.35 g·cm-3、堿解氮33.96 mg·kg-1、速效磷6.84 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)10.74 g·kg-1和pH 7.65。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為玉米雜交種‘豫單9953’，花生品種‘花育16’，以玉米、花生間作2∶4模式為研究對象。設(shè)置CO2濃度和施磷量雙因素完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，CO2濃度設(shè)環(huán)境CO2濃度(390±50 μmol·mol-1,Ca)和升高CO2濃度 (700±50 μmol·mol-1, Ce)2個(gè)水平，施磷量設(shè)不施磷 (P0)和施磷 (P180，180 kg P2O5·hm-2) 2個(gè)水平，共組成4個(gè)處理組合CaP0、CeP0、CaP180和CeP180，均在開頂式氣室(open-top-chamber，OTC)內(nèi)進(jìn)行。玉米、花生間作采用2∶4 (2行玉米間作4行花生)模式，玉米寬窄行種植，寬行行距160 cm，窄行行距40 cm，株距20 cm，花生播種于寬行之中，行距30 cm，株距20 cm，玉米花生之間行距35 cm，間作帶寬2 m。南北向種植，每個(gè)小區(qū)寬6 m，長8 m，包含3個(gè)帶寬，每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)小區(qū)均基施90 kg N·hm-2(肥源為尿素)，再于玉米大喇叭口期追施90 kg N·hm-2；施磷處理每個(gè)小區(qū)均基施180 kg P2O5·hm-2(肥源為磷酸二氫銨)，其他管理同大田生產(chǎn)。各處理在2018年于6月4日播種、9月16～22日收獲，在2019年于6月18日播種、9月28日～10月9日收獲。

CO2濃度升高采用開頂式氣室(open-top-chamber，OTC)，以罐裝液態(tài)CO2為CO2氣源。試驗(yàn)期間，采用德國LOE公司生產(chǎn)的減壓閥控制CO2氣室內(nèi)CO2濃度在(700±50) μmol·mol-1。OTC為長方體鋼架結(jié)構(gòu)，寬6 m，長8 m，高2.5 m，面積48 m2，在玉米苗期開始供CO2，為減少內(nèi)部氣體外溢，上部框架邊緣增加0.5 m寬45度收縮口，安裝電風(fēng)扇確保氣室內(nèi)空氣流動(dòng)、CO2濃度均勻。室壁采用陽光板，透光率達(dá)90%以上。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 功能葉凈光合速率2018年苗后62 d和2019年苗后37、58、68和95 d使用LI-6400XT型光合儀(LI-COR, 美國)，選擇晴天在9:30～12:00自然光強(qiáng)下測量功能葉凈光合速率。測量時(shí)均測定方向相同的玉米穗位葉以及花生主莖倒三葉，每個(gè)小區(qū)重復(fù)3次。

1.3.2 功能葉中光合碳同化酶活性2018年玉米、花生苗后43、59和72 d時(shí)取玉米穗位葉、花生主莖倒三葉，置于液氮中暫時(shí)保存，后轉(zhuǎn)移至-80 ℃冰箱保存。在低溫環(huán)境下取玉米、花生功能葉樣0.25 g，重復(fù)3次，用植物組織破碎儀將其打碎，加入1.5 mL經(jīng)過預(yù)冷處理的Tris-HCl提取緩沖液(用50 mL的0.1 mol·L-1Tris和21.9 mL的0.1 mmol·L-1HCl，配置成pH 8.2提取緩沖液)，震蕩均勻后將其放入冷凍離心機(jī)中在4 ℃、15 000 r/min離心20 min，上清液即為待測的酶提取液，用于1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、磷酸丙酮酸雙激酶(PPDK)、3-磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)、NADP-蘋果酸脫氫酶(NADP-MDH)、5-磷酸核酮糖激酶(Ru5PK)、果糖-1, 6-二磷酸酯酶(FBPase)活性的測定。酶活性測定采用酶聯(lián)免疫法(ELISA)，按酶聯(lián)免疫試劑盒(上海酶聯(lián)生物科技有限公司)說明進(jìn)行反應(yīng)，用酶標(biāo)儀(Thermo Multiskan GO，美國)在450 nm波長下測定吸光度值計(jì)算酶活性(U·g-1)。

1.3.3 籽粒產(chǎn)量在收獲期，于各小區(qū)選取代表性2 m雙行的玉米果穗、花生植株，風(fēng)干后稱取玉米籽粒、花生莢果質(zhì)量，并計(jì)算其產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)分析與作圖，采用Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度升高和施磷對間作體系中玉米功能葉光合碳同化酶活性的影響

2.1.1 葉肉細(xì)胞內(nèi)光合碳同化酶活性葉肉細(xì)胞內(nèi)的光合碳同化酶主要包括磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、磷酸丙酮酸雙激酶(PPDK)和NADP-蘋果酸脫氫酶(NADP-MDH)，在C4作物光合碳同化過程中起到CO2初次羧化固定的作用。圖1顯示，間作體系中玉米功能葉葉肉細(xì)胞內(nèi)光合碳同化酶PEPC、PPDK和NADP-MDH活性在各處理下的變化趨勢相似。隨著出苗后天數(shù)的增加，各處理組合各酶活性均先升后降，并均在苗后59 d時(shí)最高；在同一時(shí)期，各酶活性在同一施磷水平下均表現(xiàn)為CO2濃度升高處理(Ce)不同程度高于環(huán)境CO2濃度處理(Ca)，在同一CO2濃度水平下大多表現(xiàn)為施磷處理(P180)不同程度高于不施磷處理(P0)。

其中，Ce玉米功能葉PEPC活性在P180水平下比同期Ca提高了14.3%～34.8%，在P0水平下比同期Ca提高了25.0%～30.0%，且均在苗后43 d和59 d時(shí)增幅達(dá)到顯著水平(P< 0.05)，均在72 d時(shí)增幅不顯著(P> 0.05)；P180處理玉米功能葉PEPC活性在Ca、Ce水平下分別比P0處理提高了15.0%～20.0%和6.7%～19.2%，但增幅僅分別在苗后43 d和59 d時(shí)達(dá)到顯著水平(圖1，A)。

P0. 0 kg P2O5·hm-2；P180. 180 kg P2O5·hm-2；Ca.環(huán)境CO2濃度(390±50 μmol·mol-1)；Ce.增加CO2濃度 (700±50 μmol·mol-1)；PEPC.磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶；PPDK.磷酸丙酮酸雙激酶；NADP-MDH.NADP-蘋果酸脫氫酶; 不同小寫字母表示同一時(shí)期處理間在0.05水平差異顯著;下同圖1 CO2濃度升高和施磷對間作玉米功能葉PEPC、PPDK和NADP-MDH活性的影響P0. 0 kg P2O5·hm-2; P180.180 kg P2O5·hm-2; Ca. Ambient CO2 concentration(390±50 μmol·mol-1); Ce. Elevated CO2concentration (700±50 μmol·mol-1). PEPC. Phosphoenolpyruvate carboxylase; PPDK. Phosphopyruvate dikinase; NADP-MDH. NADP-malate dehydrogenase; Different lowercase letters mean significant difference among treatments during the same stage at 0.05 level. The same as belowFig.1 Effects of elevated CO2 concentration and phosphorus application on activities of PEPC, PPDK, and NADP-MDH in functional leaves of intercropping maize

同時(shí)，Ce 玉米功能葉的PPDK活性在P180水平下比Ca提高了11.1%～27.0%，并在苗后43和59 d達(dá)到顯著水平，在P0水平下比Ca提高了7.9%～18.1%，但均未達(dá)到顯著水平。在苗后43和59 d，P180處理玉米功能葉PPDK活性在Ca 和Ce水平下分別比P0處理提高了1.5%～6.4% 和6.9%～14.4%，而僅在苗后59 d的Ce水平下達(dá)到顯著水平。但在苗后72 d，玉米功能葉PPDK活性施磷處理反而呈顯著下降趨勢(圖1，B)。說明在間作玉米生育前期 CO2濃度升高以及施磷對PPDK活性都具有正調(diào)控效應(yīng)，而隨著生育進(jìn)程施磷帶來的正調(diào)控效應(yīng)逐漸削弱至消失。

另外，Ce處理間作玉米功能葉NADP-MDH活性在P180水平下比Ca處理提高了12.7%～21.4%，但僅在苗后43 d達(dá)到顯著水平，在P0水平下比Ca處理提高了20.8%～42.2%，在苗后43和72 d均達(dá)到顯著水平；在同一CO2濃度下，玉米功能葉NADP-MDH活性均表現(xiàn)為P180顯著大于 P0(P< 0.05)，在Ca和Ce水平下分別提高了7.7%～40%和6.9%～10.9%，但僅在苗后43和72 d的Ca水平下達(dá)到顯著水平(圖1，C)。這表明CO2濃度升高可增加間作玉米功能葉葉肉細(xì)胞內(nèi)碳同化酶活性，促進(jìn)對CO2的初次羧化，施磷在生育前中期對此有正調(diào)控作用。

2.1.2 維管束鞘細(xì)胞內(nèi)光合碳同化酶活性維管束鞘細(xì)胞內(nèi)的光合碳同化酶主要包括1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)、3-磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)和5-磷酸核酮糖激酶(Ru5PK)，其功能是對CO2進(jìn)行二次羧化固定，進(jìn)行卡爾文循環(huán)，完成后續(xù)碳同化過程。間作玉米功能葉維管束鞘細(xì)胞內(nèi)光合碳同化酶Rubisco、GAPDH和Ru5PK活性隨生育時(shí)期和處理的變化趨勢與其葉肉細(xì)胞內(nèi)光合碳同化酶相似，即均在苗后59 d時(shí)達(dá)到最大值，Ce處理均大體高于Ca處理，P180處理不同程度高于P0處理(圖2)。

其中，玉米功能葉Rubisco活性于苗后43和72 d時(shí)在各處理組合間無顯著差異；在苗后59 d時(shí)，Ce處理玉米功能葉Rubisco活性在P0和P180水平下分別比Ca提高了21.1%和37.1%，但僅后者達(dá)到差異顯著水平(P< 0.05)，此時(shí)P180處理玉米功能葉Rubisco活性在Ca和Ce水平下分別比P0處理增加18.2%和4.4%，但均未達(dá)到顯著水平(圖2，A)。同時(shí)，間作玉米功能葉的GAPDH活性于苗后43 d時(shí)在各處理間差異不顯著；在苗后59 和72 d時(shí)，Ce處理GAPDH活性在P0和P180水平下分別比Ca顯著提高30.6%～45.0%和26.5%～37.2%，P180處理GAPDH活性在Ce和Ca水平下分別比P0處理提高了4.9%～9.7%和4.9%～20.3%，但僅后者達(dá)到顯著水平(圖2，B)。另外，間作玉米功能葉Ru5PK活性于苗后43 d時(shí)在各處理間差異也不顯著，但表現(xiàn)為Ce> Ca；在苗后59 和72 d時(shí)，Ce處理Ru5PK活性在P0和P180水平下分別比Ca顯著提高10.6%～29.7%和15.3%～28.6%，P180處理Ru5PK活性在Ce和Ca水平下分別比P0處理增加6.6%～24.4%和7.5%～19.3%(圖2，C)。以上結(jié)果表明CO2濃度增高能促進(jìn)間作玉米功能葉維管束鞘細(xì)胞對CO2的二次羧化固定，施磷對其具有正調(diào)控作用。

Rubisco.1,5-二磷酸核酮糖羧化酶；GAPDH.3-磷酸甘油醛脫氫酶；Ru5PK.5-磷酸核酮糖激酶。下同圖2 CO2濃度升高和施磷對間作玉米功能葉維管束鞘細(xì)胞內(nèi)光合碳同化酶活性的影響Rubisco. 1, 5-ribulose bisphosphate carboxylase; GAPDH. 3-glyceraldehyde phosphate dehydrogenase; Ru5PK. Ribulokinase 5-phosphate. The same as belowFig.2 Effects of elevated CO2 concentration and phosphorus application on photosynthetic carbon assimilase activity in the tube bundle sheath cells of intercropped maize functional leaves

2.2 CO2濃度升高和施磷對間作體系中花生功能葉光合碳同化關(guān)鍵酶活性的影響

表1顯示，間作體系中花生功能葉的Rubisco、GAPDH、Ru5PK、果糖-1, 6-二磷酸酯酶(FBPase)活性在各處理下的變化趨勢相似。即隨著苗后天數(shù)的增加，各處理組合功能葉各酶活性均先升后降，并均在苗后59 d時(shí)最高，Ce處理均大體高于Ca處理，P180處理不同程度高于P0處理。其中，花生功能葉Rubisco活性于苗后72 d時(shí)在各處理組合間差異不顯著；在苗后43和59 d時(shí)，Ce處理Rubisco活性在P0和P180水平下分別比Ca顯著提高13.9%～39.4%和13.4%～40.9%，P180處理Rubisco活性在Ce和Ca水平下分別比P0處理提高了11.9%～30%和12%～13.9%，但僅后者達(dá)到顯著水平。同時(shí)，間作花生功能葉的GAPDH活性各處理間均存在顯著差異；Ce處理GAPDH活性在P0和P180水平下分別比Ca顯著提高26.5%～56.3%和17.7%～51.8%，P180處理GAPDH活性在Ce和Ca水平下分別比P0處理提高5.2%～9.5%和0.3%～33.9%。另外，間作花生功能葉的Ru5PK活性各處理間也存在顯著差異。Ce處理Ru5PK活性在P0和P180水平下分別比Ca顯著提高17.8%～51.8%和19.5%～61.4%，P180處理Ru5PK活性在Ce和Ca水平下分別比P0處理提高13.8%～29.7%和8.1%～43.9%,但僅后者達(dá)到顯著水平。此外，間作花生功能葉的FBPase活性在各處理間葉存在顯著差異，并表現(xiàn)為Ce>Ca、P180>P0；Ce處理FBPase活性在P0和P180水平下分別比Ca顯著提高31.5%～43.4%和22.0%～74.2%，P180處理FBPase活性在Ce和Ca水平下分別比P0處理提高15.5%～62.5%和24.4%～30.9%。以上結(jié)果表明CO2濃度增高能促進(jìn)花生功能葉暗反應(yīng)中對CO2羧化固定，施磷對其有著正調(diào)控作用。

表1 CO2濃度升高對間作花生功能葉光合碳同化酶活性的影響

2.3 CO2濃度升高和施磷對間作體系中玉米和花生功能葉凈光合速率的影響

圖3顯示，間作體系中玉米和花生功能葉凈光合速率在各處理下的變化趨勢相似，仍表現(xiàn)為Ce處理均大體高于Ca處理，施磷處理(P180)不同程度高于不施磷處理(P0)。

首先，在2018年，與Ca相比，二氧化碳濃度升高(Ce)和施磷(P180)均顯著提高了間作玉米苗后62 d的穗位葉凈光合速率(P< 0.05)，并表現(xiàn)為CeP180>CaP180>CeP0>CaP0(圖3，A)。在2019年，同一磷水平下，Ce處理間作玉米穗位葉凈光合速率在苗后37、58和68 d均顯著高于 Ca，增幅分別為14.8%～18.8%(P0)和18.1%～18.4%(P180)，在苗后95 d時(shí)則比Ca降低了6.4%～8.0%，但僅在P180處理下達(dá)到顯著水平；在同一CO2濃度下，P180處理間作玉米功能葉凈光合速率均高于P0處理，增幅在Ca和Ce處理下分別達(dá)到8.8%～28.2%和8.5%～26.1%。

其次，2018年苗后50 d和70 d時(shí)，二氧化碳濃度升高(Ce)和施磷(P180)均顯著提高了花生功能葉凈光合速率(圖3，B)。在2019年，同一磷水平下，花生功能葉凈光合速率在苗后30 d、50 d和70 d均表現(xiàn)為Ce 顯著高于 Ca，增幅分別為24.2%～32.3%(P0)和8.1%～14.4%(P180)；在苗后95 d時(shí)則表現(xiàn)為Ce低于Ca，降幅為5.8%～15.3%；在同一CO2濃度下，間作花生功能葉凈光合速率各時(shí)期均表現(xiàn)為P180高于 P0，Ca和Ce的增幅分別為15.0%～21.7%和11.6%～22.4%，且大多達(dá)到顯著水平?？梢?，CO2濃度升高對間作花生功能葉凈光合速率有顯著的促進(jìn)作用，施磷對其有正向調(diào)控作用。

圖3 CO2濃度升高對間作玉米(A)和間作花生(B)功能葉凈光合速率的影響Fig.3 Effects of elevated CO2 concentration on net photosynthetic rate in functional leaves of intercropped maize (A) and intercropped peanut (B)

2.4 CO2濃度升高和施磷對間作體系中玉米和花生籽粒產(chǎn)量的影響

Ce處理都不同程度提高了間作玉米、間作花生和間作體系的籽粒產(chǎn)量，且雙因素方差分析結(jié)果顯示，施磷和升高CO2濃度對間作玉米、間作花生和間作體系產(chǎn)量有顯著影響，磷水平與CO2濃度對間作玉米和間作體系產(chǎn)量具有顯著的正向交互作用(表2)。其中，Ce處理下間作玉米產(chǎn)量在P0和P180水平下分別比Ca顯著提高4.4%和52.0%，施磷處理間作玉米產(chǎn)量在Ce和Ca水平下分別比不施磷處理提高24.2%和67.2%。同時(shí)，Ce處理間作花生產(chǎn)量在P0和P180水平下比Ca處理分別提高了10.3%和24.0%，施磷處理下間作花生產(chǎn)量比不施磷處理提高了17.1%～19.3%。此外，Ce處理間作體系產(chǎn)量相比Ca提高了5.7%～47.0%，施磷處理下間作體系的產(chǎn)量與不施磷相比分別提高了23.3%～58.4%，且均達(dá)到顯著差異(P< 0.05)。這說明CO2濃度升高以及施磷均能促進(jìn)間作玉米、間作花生和間作體系產(chǎn)量。另外，相關(guān)分析結(jié)果顯示，玉米、花生間作體系籽粒產(chǎn)量與Rubisco等碳同化關(guān)鍵酶活性和凈光合速率均呈顯著性正相關(guān)(表3，表4)，即CO2濃度升高能顯著提高碳同化關(guān)鍵酶活性，促進(jìn)間作玉米、間作花生的凈光合速率，顯著提高了其玉米、花生間作體系的產(chǎn)量。

表2 CO2濃度升高對玉米、花生間作體系籽粒產(chǎn)量的影響

表3 間作玉米的產(chǎn)量、凈光合速率和光合碳同化酶活性間相關(guān)性分析

表4 間作花生產(chǎn)量、凈光合速率和光合碳同化酶活性間相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 CO2濃度升高能提高間作體系中玉米和花生的光合碳同化酶活性

光合碳同化過程中，CO2作為底物，其濃度對作物光合有一定的影響。CO2濃度升高能使水稻和玉米的葉綠素值增高，凈光合速率增加[8]，玉米葉面積指數(shù)增大[26]。有研究表明Rubisco，PPDK，F(xiàn)BPase等均為光敏感酶[17, 27]，受光調(diào)節(jié)，而王飛等認(rèn)為CO2濃度升高能進(jìn)一步提高間作玉米對強(qiáng)光、間作花生對弱光的利用[16]。本研究結(jié)果表明CO2濃度升高能增加間作玉米功能葉PEPC、PPDK和NADP-MDH酶活性，這說明CO2濃度升高能提高間作玉米葉肉細(xì)胞內(nèi)對光合底物的初步羧化固定能力；而在CO2濃度升高條件下，Rubisco、GAPDH和Ru5PK等3個(gè)酶活性顯著增加，說明CO2濃度升高促進(jìn)了間作玉米維管束鞘細(xì)胞中對CO2的二次羧化固定。通過對間作玉米凈光合速率與光合碳同化關(guān)鍵酶活性的相關(guān)性分析可知，凈光合速率與PEPC、PPDK、 NADP-MDH和Ru5PK等酶活性呈顯著正相關(guān)。CO2濃度升高能進(jìn)一步增強(qiáng)間作玉米對強(qiáng)光的利用，提高凈光合速率，是由于其PEPC、NADP-MDH、PPDK、Rubisco、GAPDH和Ru5PK等光合碳同化關(guān)鍵酶活性的增加。葉子飄等認(rèn)為大豆葉片的凈光合速率以及電子利用效率隨著CO2濃度增高而增大，但不同濃度下羧化效率差異并不顯著[9]。周寧等認(rèn)為高CO2濃度條件能提高水稻的凈光合速率和實(shí)際光量子產(chǎn)量[28]。周曉旭研究表明冬小麥的光能轉(zhuǎn)換率隨CO2濃度升高而增加[29]。本研究表明CO2濃度升高能提高間作花生的Rubisco、GAPDH、FBPase和Ru5PK酶活性，這說明CO2濃度升高能促進(jìn)間作花生功能葉Rubisco對CO2的羧化，1,3-PGA向3-磷酸甘油醛的轉(zhuǎn)化，果糖-6-磷酸(F-6-P)的生成，及Ru5PK催化RUBP的再生，加速碳同化。通過相關(guān)性分析可知間作花生凈光合速率與Rubisco、GAPDH、FBPase和Ru5PK等碳同化關(guān)鍵酶活性顯著相關(guān)，所以CO2濃度升高能進(jìn)一步提高間作花生對弱光的利用，提高凈光合速率，關(guān)鍵在于間作花生功能葉的Rubisco、GAPDH、FBPase和Ru5PK等碳同化關(guān)鍵酶活性的提高。

3.2 CO2濃度升高條件下，施磷對間作玉米和花生光合碳同化酶活性具有明顯正調(diào)控效應(yīng)

磷素是植物生長發(fā)育所必需的元素之一，在光合磷酸化過程中起著至關(guān)重要的作用，碳同化反應(yīng)過程依賴于光合磷酸化產(chǎn)生的能量而進(jìn)行[30-31]，磷肥的施用可促進(jìn)植株的光合磷酸化反應(yīng)[18, 32-33]，進(jìn)而促進(jìn)碳同化過程。徐明睿等認(rèn)為施磷可提高玉米葉面積指數(shù)以及SPAD值，改善葉片的光合性能[34]。本研究結(jié)果表明，CO2濃度升高后，增施磷肥比不施磷能提高間作玉米功能葉的PEPC、PPDK、NADP-MDH、Rubisco、GAPDH和Ru5PK和間作花生Rubisco、GAPDH、FBPase和Ru5PK等光合碳同化關(guān)鍵酶活性，這可能是因?yàn)槭┝啄艽龠M(jìn)光合磷酸化產(chǎn)生更多ATP，為光合碳同化提供更多的同化力，進(jìn)而激發(fā)光合碳同化關(guān)鍵酶活性，增強(qiáng)玉米、花生間作功能葉對CO2的羧化固定。因此，在CO2濃度升高條件下，施磷可顯著提高玉米、花生間作功能葉的凈光合速率，從而促進(jìn)光合作用。

3.3 CO2濃度升高和施磷可以提高間作玉米和花生的籽粒產(chǎn)量

CO2濃度升高對單作玉米的干物質(zhì)積累及產(chǎn)量有促進(jìn)作用[35]。同時(shí)有研究認(rèn)為在高CO2濃度環(huán)境下小麥、玉米產(chǎn)量顯著提高，與氮肥具有顯著的互作效應(yīng)[36, 37]。通過相關(guān)分析結(jié)果顯示產(chǎn)量與Rubisco等碳同化關(guān)鍵酶活性和凈光合速率均呈顯著性正相關(guān)，即CO2濃度升高能顯著提高碳同化關(guān)鍵酶活性，促進(jìn)間作玉米、間作花生的凈光合速率，顯著提高了其玉米、花生間作的產(chǎn)量，這可能與CO2濃度升縮短間作玉米營養(yǎng)生長期，延長籽粒灌漿期，增加穗粒數(shù)和粒重有密切關(guān)系[16]。有研究認(rèn)為施磷可以顯著提高玉米凈光合速率、促進(jìn)作物光合磷酸化生產(chǎn)ATP[18]，本研究結(jié)果表明，增施磷肥可促進(jìn)玉米花生間作體系的光合作用，促進(jìn)其生長發(fā)育，進(jìn)而提高產(chǎn)量。施磷提高單作施磷雙因素結(jié)果表明CO2濃度升高與磷肥有明顯的正互作效應(yīng)，這說明CO2濃度升高和施磷對玉米、花生間作產(chǎn)量具有正向協(xié)調(diào)作用。

4 結(jié) 論

CO2濃度升高通過提高間作玉米功能葉的PEPC、PPDK、NADP-MDH、Rubisco、GAPDH和Ru5PK和間作花生Rubisco、GAPDH、FBPase和Ru5PK等光合碳同化關(guān)鍵酶活性，促進(jìn)光合碳同化，提高凈光合速率，增加間作體系的產(chǎn)量；在CO2濃度升高條件下，施磷對玉米、花生間作光合碳同化關(guān)鍵酶活性、凈光合速率及產(chǎn)量均具有正調(diào)控作用。