大氣CO2濃度和溫度升高影響作物產量的光合生理及分子生物學機制

張春雨,李彥生,于鎮(zhèn)華,劉俊杰,王光華,劉曉冰,吳俊江,殷奎德,金 劍,

(1.中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農業(yè)生態(tài)重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江八一農墾大學 農學院，黑龍江 大慶 163319；3.黑龍江省農業(yè)科學院大豆研究所/農業(yè)農村部大豆栽培重點實驗室/黑龍江省大豆栽培重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086)

0 引 言

大氣CO2濃度和溫度升高是全球氣候變化最為顯著的兩個特征。大氣CO2濃度已經從18世紀60年代工業(yè)革命時期的280 μmol·mol-1，增加至目前的412 μmol·mol-1，如果人類繼續(xù)加速煤、石油和天然氣等化石燃料的開發(fā)和利用，預計到2050年全球大氣CO2濃度將達到 550 μmol·mol-1，到本世紀末大氣CO2濃度將超過700 μmol·mol-1[1]。并且，大氣CO2濃度不斷增加導致吸收的太陽輻射能增多，溫度上升產生“溫室效應”，21世紀末地球表面平均溫度將同時增加2.0～3.7 ℃[2]。

大氣CO2濃度和溫度升高將對作物生長、生理過程及產量產生重要影響[3-4]。CO2是植物光合作用的原料，目前大氣CO2濃度尚未達到C3作物的CO2飽和點，理論上大氣CO2濃度升高對作物生長產生的“肥料效應”，將有利于作物光合能力和產量的提高[5]。溫度作為影響作物生長的主要環(huán)境因子，其變化顯著影響作物生物量以及產量的形成[6-7]。目前，關于大氣CO2濃度或溫度升高單獨作用對作物生理和產量的影響研究較多[8-11]，但是CO2濃度和溫度是同時作用于作物的環(huán)境因子，僅從CO2或者溫度單方面探究氣候變化對作物生理和產量的影響，不足以全面解析氣候變化下作物生產的未來趨勢。

開展大氣CO2和溫度升高對作物生長的交互作用的研究，預測未來氣候變化下作物產量潛力將成為當前農業(yè)研究的重要任務之一。近年來，國內外學者開展了有關農作物對CO2和溫度升高交互作用響應的研究，包括玉米[12-13]、水稻[14-15]、大豆[16-17]和小麥[18]等主要作物，但缺乏對這些研究系統(tǒng)性的分析總結，以提升氣候變化影響作物生產的理論基礎和探索應對路徑。本文以評述二者對作物生長的交互作用，綜述作物光合生理和相關基因表達及產量形成對大氣CO2濃度和溫度升高互作的響應，為未來氣候變化下作物的穩(wěn)定生產提供理論參考。

1 CO2濃度和溫度升高對光合速率的互作效應

CO2是植物光合作用的原料，植物通過葉綠素吸收光能，同化CO2，形成植物生長發(fā)育所需的碳水化合物。利用開放式CO2升高設施(FACE，Free Air CO2Enrichment)研究發(fā)現，CO2濃度升高能夠提高作物的光合速率，產生“肥料效應”[5]。然而，通常溫度升高對光合速率的影響與CO2濃度升高作用相反。例如，Adachi等[19]通過連續(xù)2年升溫FACE(T-FACE)系統(tǒng)研究了水稻光合速率對氣候變化的響應，結果表明，與對照相比，大氣中CO2濃度增加200 μmol·mol-1使灌漿中期水稻葉片光合速率平均提高了26%，但CO2濃度升高且溫度升高2℃條件則使光合速率明顯下調了23%，其原因可能與溫度升高抑制植物光合酶系統(tǒng)有關。光合作用需要在核酮糖-1,5二磷酸羧化酶/加氧酶(Rbulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco)作用下對CO2進行固定，Rubisco的羧化活性決定了飽和光合速率。關于野生稻(Oryzameridionalis)的研究發(fā)現，Rubisco羧化活性隨著大氣CO2濃度升高而增加，而溫度升高能顯著降低Rubisco羧化活性[20]，進而影響植物葉片光合作用。

作物不同發(fā)育階段對CO2和溫度升高的交互作用響應不同[21]。袁嫚嫚等[22]利用稻田T-FACE平臺，進行了CO2濃度(+200 μmol·mol-1)和溫度升高(比環(huán)境溫度高1～2℃)對水稻不同時期光合速率交互影響試驗，結果表明，在CO2濃度和溫度的交互作用下，灌漿后期比灌漿中期的光合速率下降了35.7%，加速了生育后期光合速率的下降，進而可能加速了水稻的生育進程和產量形成。同樣，Cai等[23]在CO2濃度為500 μmol·mol-1和溫度升高1.5～2 ℃互作的FACE環(huán)境中發(fā)現，小麥抽穗期至灌漿期的光合速率隨時間的變化呈逐漸下降趨勢。然而，大豆和水稻在溫度和CO2濃度升高的共同作用下，開花期至成熟期的光合速率均高于對照，同時各生育時期光合速率之間具有相似的變化趨勢[24]，因此，在大氣CO2濃度升高200 μmol·mol-1和溫度升高1.5～ 2℃的氣候環(huán)境下，將有利于未來大豆和小麥產量潛力的提升。

CO2濃度升高對植物凈光合速率的影響程度取決于溫度的變化。研究發(fā)現，相較于熱帶氣候條件，冷涼氣候環(huán)境下的CO2濃度和溫度同時升高對作物凈光合速率的交互作用更加明顯[25-26]。CO2濃度升高有利于提高植物凈光合速率的溫度反應，使C3作物光合作用具有更高的耐熱性[27-28]。CO2濃度的升高能夠降低氣孔導度，進一步通過限制CO2的進入降低凈光合效率，植物葉片溫度也因此而改變[3,29]。Meta分析結果表明，CO2濃度升高對熱脅迫下豆科作物的凈光合速率存在積極影響[30]。未來全球溫度升高對植物碳通量的影響程度大于大氣CO2濃度的升高所帶來的影響，例如CO2濃度增加提高了夏大豆的凈光合速率，但溫度升高凈光合速率下降，并且與CO2單獨作用相比，在CO2和溫度共同作用下凈光合速率較低[24]，水稻的FACE研究中也得到相似結論[31]。但有研究指出，溫度升高2℃并未明顯降低水稻葉片凈光合速率[19]，原因可能是不同植物響應溫度升高的敏感程度存在差異，另一方面可能是在CO2和溫度共同作用下，CO2的刺激作用強于溫度。因此，不同作物對溫度和CO2濃度升高的互作效應的生理響應調控機制仍需進一步研究。

2 CO2濃度和溫度升高對光呼吸的影響

CO2濃度對植物光呼吸具有直接或間接的調控作用。植物光呼吸是植物細胞吸收O2，在Rubisco加氧作用下消耗乙醇酸釋放CO2的過程。C4植物由于葉片特殊的維管束花環(huán)結構，細胞內具有較高的CO2濃度，極大的減弱了光呼吸程度。較C4植物而言，C3植物的光呼吸活性高，光呼吸消耗光合作用形成碳水化合物的20%～50%[32]，該過程顯著影響植物碳水化合物的積累和光合效率的進一步提高。Walker等[33]認為，在未來大氣CO2濃度為1 000 μmol·mol-1和溫度升高3.7℃共同作用下，消除光呼吸將對光合作用提升12%～55%。僅為高溫條件下(30 ℃)的研究表明，由于光呼吸的影響，使C3作物將光能轉化為碳水化合物的效率降低49%[34]。

氣候變化影響光呼吸的機制主要與Rubisco功能有關[35]。Rubisco是一個雙功能酶，它既催化RuBP的羧化反應，同時又催化RuBP的加氧反應，CO2和O2互為是Rubisco加氧和羧化反應的競爭性抑制劑。Rubisco的羧化作用和加氧作用的相對速率取決于CO2和O2的相對濃度，較高的CO2濃度會促進Rubisco羧化作用，將3分子的CO2、3分子的RuBP與3分子的H2O結合形成6分子的3-磷酸甘油酸(PGA)，抑制了植物的光呼吸。然而，也有研究發(fā)現，CO2濃度升高至550 μmol·mol-1時，大豆葉片中Rubisco羧化活性(Vc，max)下調了4%～6%[36]，其中Rubisco蛋白含量下降22%，表達Rubisco蛋白的相關rbcSH和rbcL基因表達量均下調[37]。這可能與氮養(yǎng)分缺乏導致的光合作用抑制有關[38]。不僅CO2濃度能夠調控Rubisco酶活性，溫度也是可以直接改變Rubisco活性調控光呼吸的外界環(huán)境因子。隨著溫度的升高，與Rubisco氧化活性(Vo)相比，其羧化活性(Vc)下調，因此在一定CO2濃度條件下，具有更高的Vo/Vc值。Cen等[39]在溫室環(huán)境中對紅薯(Ipomoeabatatas)葉片的Rubisco激活狀態(tài)分析表明，當溫度在10～40 ℃之間時，Rubisco激活狀態(tài)隨著溫度的升高呈現先增加后降低的趨勢，CO2濃度對Rubisco激活狀態(tài)具有負調控作用。由于高濃度CO2能夠調控Rubisco氧化活性而抑制光呼吸，未來植物葉片很可能在更高的溫度下生長，更高的葉片溫度會刺激植物光呼吸速率[39]。光呼吸是植物必不可少的生理生化過程，未來大氣CO2濃度和溫度升高的氣候條件下，作物光呼吸對CO2濃度和溫度共同作用的響應以及對作物生產力的深遠影響值得深入研究和探討。

3 大氣CO2濃度和溫度升高對作物氣孔導度的調控

氣孔是植物與大氣進行氣體交換的主要通道，氣孔導度(gs)是影響植物光合作用和碳代謝速率的關鍵因素。很多研究表明，CO2濃度增加會使氣孔導度下降[31,40-41]，而溫度對氣孔的影響研究結果存在較大差異。一些學者認為溫度升高增加氣孔導度[42]，也有研究指出高溫使氣孔導度下降[43]，還有研究表明，溫度對氣孔導度沒有影響[44]。由于CO2濃度和溫度同時影響植物的碳代謝，因此研究二者對植物葉片氣孔導度的影響，揭示植物對CO2濃度和溫度升高互作的響應是必要的。

氣孔導度是指示植物氣體交換、水分利用率等的重要生理指標，大氣CO2濃度和溫度升高對作物氣孔導度降低，廣泛存在于C3和C4作物之間，并且不同作物葉片氣孔導度對CO2濃度和溫度升高的響應程度不同。連續(xù)2年的CO2濃度和溫度升高的試驗表明，CO2濃度升高到700 μmol·mol-1和溫度升高4℃，抽穗期的小麥氣孔導度表現出顯著下降的趨勢[45]。有關小麥氣孔導度對CO2濃度和溫度升高的交互作用響應的研究結果表明，小麥氣孔導度表現為不同程度的下降趨勢[46]；通過2年的FACE試驗表明，大氣CO2濃度升高至600 μmol·mol-1，大豆生殖生長階段的氣孔導度下降，但是凈光合速率仍能維持在較高水平，一定程度上緩解了溫度升高(+5 ℃和+9 ℃)條件下氣孔導度降低造成的光合同化降低，間接的維持了大豆產量的穩(wěn)定[47]。開頂式氣室(OTC)研究表明，在CO2濃度和溫度共同作用下，水稻葉片氣孔導度顯著下調，表現出與光合作用相同的趨勢[21]。例如，袁嫚嫚在CO2濃度和溫度同時升高作用的研究中指出，水稻氣孔導度與凈光合速率顯著相關[22]。但是，也有部分研究者認為在CO2濃度和溫度升高條件下，氣孔的調控機制與光合作用無關[48-49]。溫度和CO2濃度升高對氣孔導度的調控是否與光合作用有關仍需進一步研究驗證。

玉米是典型的C4作物，具有能夠富集CO2的花環(huán)結構，一般胞間CO2濃度可以達到大氣CO2濃度的3倍以上[50]。FACE試驗結果表明，大氣CO2濃度升高200 μmol·mol-1和溫度升高2.7 ℃，玉米葉片氣孔導度顯著下降，但是光合速率并未發(fā)生明顯變化，水分利用效率顯著提高[13]，從而促進了干旱條件下的生物量和產量[4]。因此，在未來的氣候環(huán)境下，大氣CO2濃度和溫度升高可能有利于提高玉米的抗干旱能力，緩解因缺水對生物量和產量的影響，提高未來氣候條件下玉米生產的穩(wěn)定性。然而，氣候變化下不同作物的抗旱生理反應仍然需要深入探討。

4 CO2濃度和溫度升高對作物光合相關轉錄組的影響

近年來，轉錄組測序技術已經被廣泛用于探索氣候變化對作物生長影響的研究中[40,51-52]。利用轉錄組測序技術(RNA-seq)，從基因的差異表達、代謝途徑以及主要信號通路等方面，開展植物基因與生理生化水平的綜合分析，更好地解析未來大氣CO2濃度和溫度升高的交互作用影響作物產量的分子機制。

較多的研究已經闡明作物對大氣CO2濃度升高的生理響應，例如光合效率、氣孔導度、葉片碳水化合物含量等生理指標的變化，這些生理的變化與基因的表達水平密切相關。生長在較高大氣CO2濃度的大豆，葉片中上調表達的光合作用相關基因數量多于下調表達，光合作用增強促進了碳水化合物的積累，β-淀粉酶表達量增加1.4倍，促進了光合產物的消耗與利用[40]。鷹嘴豆是僅次于大豆的豆科植物，Palit等通過RNA-seq分析表明，與對照相比，鷹嘴豆葉片糖轉運蛋白基因、糖原淀粉酶基因以及NADPH還原酶基因在CO2濃度為550 μmol·mol-1和700 μmol·mol-1處理下上調表達，CO2濃度升高也促進與葉綠素代謝途徑相關的23個DEGs表達，證實了CO2濃度升高影響了鷹嘴豆葉片C代謝和N代謝[53-54]。

通過RT-PCR技術對生長在大氣CO2濃度(+330 μmol·mol-1)和溫度升高(+4 ℃)條件下小麥旗葉的基因表達進行分析，與對照相比，發(fā)現LHCⅠ和PsaA等10個光反應基因和1個葉綠素合成基因呈不同程度下調表達[55]，從基因表達水平解釋了光合速率下降29%和總葉綠素含量下降25%的響應機理[46,56]。Vicente等通過De novo轉錄組分析表明，與溫度單獨升高相比，溫度和CO2濃度同時升高導致小麥旗葉光合基因下調表達量較少，僅有6個光合基因小幅下調表達，說明CO2濃度升高在一定程度上緩解了溫度升高對小麥初級代謝和次級代謝基因的下調表達，且激素代謝途徑中僅有2個油菜素甾體信號蛋白基因發(fā)生顯著響應，表明CO2濃度和溫度升高對小麥內源激素具有較小影響[57]。與對照的大氣環(huán)境相比，CO2濃度升高550 μmol·mol-1、溫度升高2℃以及同時升高導致吐絲期玉米光合作用代謝途徑的22個基因均呈下調表達趨勢，其中編碼Rubisco的rbcS基因表達量差異倍數的對數值分別為-3.12、-3.48和-2.29[58]，該基因在高等植物中具有調節(jié)Rubisco全酶活性的作用。

轉錄組測序技術具有高通量、廣泛的覆蓋度以及可獨立分析等優(yōu)點，在作物對氣候環(huán)境變化的響應機制的研究中已普遍應用[59]，但是在大氣CO2濃度和溫度同時升高對作物的影響研究尚未見較多報道，深入研究作物響應大氣CO2濃度和溫度同時升高的基因表達特征，解析其分子機制，對選育應對未來氣候變化的作物新品種具有重要意義。

5 大氣CO2濃度和溫度升高對產量的交互影響

大氣CO2濃度和溫度的變化不僅影響作物光合生理和基因表達，而且影響生物量和籽實產量，這關系到未來氣候變化條件下的糧食安全。以往研究表明，CO2濃度的增加促進了植物的光合作用，有利于生物量的積累[60-61]，但是溫度過高情況下呼吸作用隨之增強，加快了生育進程且降低了生物量的積累。如果溫度變化在最適植物生長范圍內，溫度的升高會促進植物的光合作用，而利于生物量的積累[19,62]。也有研究發(fā)現，CO2濃度和溫度升高交互作用對植物不同生長發(fā)育階段的生物量的影響不同，在營養(yǎng)生長階段，與對照相比，兩者的交互作用增加玉米的生物量，而生殖生長階段的生物量卻下降，但是并未影響產量和收獲指數[13]。在大氣CO2濃度為600 μmol·mol-1和溫度升高5 ℃的FACE環(huán)境條件下，大豆葉、莖和莢的總生物量比對照增加32.3%[47]，在其它作物的研究中也得到類似的結果[15,63-64]。

玉米、大豆、小麥和水稻等作物對CO2濃度和溫度升高的產量響應存在差異(表1)。通過歷史產量數據與其生長季節(jié)溫度進行多元回歸分析發(fā)現，溫度較高的年份大豆產量呈現降低趨勢[65-66]。針對CO2濃度升高的“肥料效應”是否能夠抵消溫度升高對作物籽粒產量產生的負面影響，Ruiz-Vera等發(fā)現在平均溫度較低的季節(jié)，溫度升高3.5 ℃會降低大豆籽粒產量[24]，CO2濃度升高對溫度升高導致大豆產量的負效應沒有補償作用[64]。Cai等研究發(fā)現，CO2濃度升高到500 μmol·mol-1時小麥產量升高，溫度升高1.7 ℃產量下降，互作下產量仍下降9%～11.5%；同樣在水稻中發(fā)現CO2升高對產量的增益明顯，但CO2濃度和溫度升高綜合影響下產量下降，最大幅度達到34%，并且較升溫造成的減產程度略低[23]。當大氣CO2濃度升高到760 μmol·mol-1后，冬小麥產量提高21%，溫度升高3 ℃后，產量降低12%。而CO2濃度和溫度同時升高作用下，小麥的穗數顯著增加、千粒重顯著減少，但最終產量僅有較小幅度上升趨勢。這一結果表明，溫度升高條件下，產量構成因素對CO2濃度升高響應具有差異，CO2濃度升高至760 μmol·mol-1的“肥料效應”完全抵消了溫度升高3℃對冬小麥產量的負效應[67]。由于試驗地點與處理水平的不同，此種差異和抵消作用在作物中具有不同程度表現[4,64,68]。大氣CO2濃度的升高可以一定程度的抵消溫度升高對產量形成帶來的不利影響，但是CO2濃度升高的“肥料效應”將由溫度升高的程度決定。例如，環(huán)境溫度升高2 ℃，使得大氣CO2濃度升高至500 μmol·mol-1對水稻的增產(8%)效應完全消失[69]，甚至出現產量表現下降[21]。目前，關于大氣CO2濃度和溫度升高對糧食作物產量影響的互作效應較多的集中在水稻和小麥中。

表1 作物響應大氣CO2濃度和溫度同時升高的產量變化Table 1 Crop yield in response to simultaneous increase of atmospheric CO2 concentration and temperature

6 展 望

未來大氣CO2濃度和溫度的變化背景下，作物生長發(fā)育和產量將不可避免受到影響，急需解析與產量相關的光合生理和分子機制?；谝陨衔墨I綜述，我們提出大氣CO2濃度和溫度對作物光合生理的相互作用形成反饋機制(圖1)。一方面，在作物最適生長范圍內，溫度升高對CO2的“肥料效應”形成正反饋效應，特別是C3作物，可能促進葉綠素合成基因和Rubisco酶合成基因上調表達，刺激Rubisco酶的羧化活性，進一步提高作物的光合作用；另一方面，溫度升高超過作物最適范圍，刺激Rubisco酶的氧化活性，增強光呼吸，加快光合產物的消耗，抑制了CO2的“肥料效應”，形成了負反饋效應，對作物產量造成不利影響。

另外，不同作物或者相同作物的不同基因型對溫度和大氣CO2濃度下的生理和生長具有不同的反應，這些遺傳組成之間的差異為應對氣候變化提供了可能。隨著轉錄組學技術的快速發(fā)展，RNA-seq技術已經廣泛應用在單一氣候變化因子對作物影響的研究中，其在基因的特異性表達以及候選基因挖掘方面發(fā)揮著重要作用，可為解析作物應對多個氣候變化因子復合作用的響應機制，為深入了解未來氣候變化對作物生產的影響奠定基礎。

注：黑色箭頭代表光合分子生理過程，灰色箭頭代表光呼吸過程，虛箭頭代表科學假設。Note:Black and gray arrows indicate molecular physiological processes of photosynthesis and photorespiration,respectively.The dash arrows represent hypotheses that need experimental validation.圖1 大氣CO2濃度和溫度升高影響光合生理的反饋機制Fig.1 Feedback mechanism of photosynthetic physiology under elevated atmospheric CO2 concentration and temperature

作物生長發(fā)育往往受到大氣CO2濃度、溫度、水分以及O3濃度變化等氣候因子的交互影響，開展多氣候因子對作物生長發(fā)育的影響研究，有利于更加準確了解未來作物生產的變化情況。例如，在積溫較低的東北地區(qū)開展大氣CO2濃度和溫度升高的交互試驗，從生理和分子機制方面評估大豆、小麥、水稻等作物的產量潛力。作物的產量形成是環(huán)境和基因互作的結果，評估特定氣候變化下同種作物不同基因型的產量差異，應用轉錄組學、代謝組學及蛋白組學等多組學技術聯(lián)合解析作物分子生態(tài)機制，能為培育應對未來氣候變化的新品種奠定分子遺傳基礎。這些都將是未來我們關注的科研方向和開展的研究工作。