土壤水分亏缺和大气CO2浓度升高对冬小麦光合特性的影响

为深入理解未来大气CO2浓度([CO2])升高背景下农田生态系统结构与功能对土壤水分亏缺的响应机制,利用可精准控制[CO2]的大型环境生长箱,研究了土壤水分亏缺和大气[CO2]升高对冬小麦气孔特征、净光合速率、水分利用效率、叶片碳氮含量、非结构性碳水化合物含量、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)活性及其基因表达量的影响.本研究结果表明,水分亏缺导致冬小麦的总生物量和净光合速率(Pn)分别相比对照降低33％和29％,而[CO2]升高可以在一定程度上缓解水分亏缺对冬小麦生长及生理过程造成的不利影响.同时,水分亏缺还使冬小麦气孔开度及其空间分布格局规则性的降低,但高[CO2]可以通过增加气孔密度和提高气孔分布的规则程度,进一步优化冬小麦叶片的气体交换效率.另外,[CO2]升高增加水分亏缺条件下冬小麦的Pn,但同时却导致蒸腾速率(Tr)降低25％,从而提高叶片的瞬时水分利用效率(WUEI)61％.此外,水分亏缺条件下[CO2]升高不仅导致Rubisco酶初始活性、活化率以及可溶性蛋白含量分别增加66％、38％和15％,而且还分别提高Rubisco酶编码基因RbcL3和RbcS2的表达水平453％和417％.上述结果表明,水分亏缺条件下,[CO2]升高可以通过调整气孔特征和Rubisco酶活性及其编码基因表达水平,进一步优化冬小麦的气体交换效率,从而提高植株生物量、净光合速率以及水分利用效率.研究结果将为深入理解未来气候变化背景下冬小麦响应[CO2]升高和水分亏缺的生理及分子机制提供理论依据.