基于非叶片光合作用的大豆增产及冠层碳增益的研究

2023年发表在Plant Physiology上的一篇名为‘Impact of pod and seed photosynthesis on seed filling and canopy carbon gain in soybean’的文章引起了人们对豆荚等非叶绿色组织光合作用对大豆增产及提高种子饱满度的关注。
由于之前大多数光合作用研究主要集中在叶片光合作用上，人们对于除叶片之外的其它绿色组织（非叶绿色组织）的碳同化能力及其如何影响产量和种子质量了解有限。本研究主要探究了田间大豆豆荚和种子的光合效率，并评估了光合作用对成熟种子重量和组分构成的影响，为田间大豆豆荚和种子光合效率对产量的影响提供了参考。
本研究通过对田间大豆的豆荚和种子进行遮光处理，比较遮光前后大豆和豆荚种子的重量、组分、总光合速率、PSII效率等指标，并提出：大豆豆荚和种子的光合作用占成熟种子重量的13%~14%，且豆荚的碳同化和种子的光合作用可以弥补同组织呼吸产生的81%的碳损失。另外，通过研究者构造的冠层光合模型预测，大豆豆荚和种子可以达到植物每日碳增汇总量的9%。通过叶绿素荧光成像测定，未成熟的大豆种子光反应PSII效率的峰值出现在10-100mg的种子重量阶段，而豆荚PSII的效率峰值则出现在75到100mg的种子重量阶段。

主要结果：
1、本研究选取了Clark（图1A、B）和 William82（图2A、B）两个品种，用叶绿素荧光成像仪测定了PSII效率 Fq/Fm，发现豆荚的遮光处理降低了果实重量且PSII的荧光效率也显著降低。此外，研究者发现，遮光处理对不同品种的大豆种子组分含量的影响存在差别，但未遮光处理的豆荚的种子重量都显著高于进行遮光处理的种子重量（图1C、图2C）。

图1 田间条件下进行遮光和未遮光处理的Clark品种的豆荚种子的种子组分。（a）田间大豆的图片（“Clark”）。（b）当荚长度小于2 cm时，用于覆盖荚的铝箔表示。（c）种子重量，g/100粒种子。（d）种子的油脂百分比含量。（e）种子的蛋白质百分比含量。

图2 田间条件下进行遮光和未遮光处理William82品种豆荚种子的种子组分。（a）田间大豆的图片（“William82”）。（b）当荚长度小于2 cm时，用于覆盖荚的铝箔表示。（c）种子重量，g/100粒种子。（d）种子油脂百分比含量。（e）种子的蛋白质百分比含量。
 

2、研究表明未进行遮光处理的豆荚的净光合和总光合值显著高于遮光处理的；通过建模估计，正常光照的豆荚的最大量子效率（ΦCO2）比遮光处理的豆荚高10倍。当考虑在冠层群体中时，研究者进一步发现未进行遮光处理的豆荚的总光合速率始终要高于那些被遮光处理的豆荚。对于植物来说，豆荚的呼吸是一种碳损失，但是能进行正常光合作用的豆荚能弥补81%呼吸带来的碳损失。

图3， 2021年9月7日至16日，在美国UIUC能源农场实验基地测量得到的“William82”的豆荚光合参数。

3、研究者模拟了冠层群体中叶片和豆荚所处的面积指数和冠层分布情况（图4A），进一步对叶片和豆荚的总光合效率测定表明豆荚的光合对冠层CO2总同化的贡献约为9.6%。

图4 大豆光合作用的冠层模型。（a）冠层中每层的叶面积指数。1是最顶层，8是最底层。（b）预测模型中叶片和荚果的总呼吸量。
4、研究者用“William 82”这一品种的大豆，将其从未成熟开始分为7个阶段，并分别测定这7个阶段豆荚内种子的PSII效率、叶绿素浓度及叶绿素A/叶绿素B的发展趋势（图5D、E、F），得出在田间条件下，种子和豆荚的光合作用效率在100 mg发育阶段达到峰值。

图5 田间条件下，种子光合过程中发育的7个阶段：5~10毫克、10~25毫克、25~50毫克、50~75毫克、75~100毫克、100~200毫克、200~300毫克。（a）图中的大豆为2021年在伊利诺斯州田中的大豆William82。（b）采集的大豆种子的鲜重范围图片如图右侧所示。5到10毫克的种子在第一排，下面的种子依次较大。（c）b中同一盘种子的叶绿素荧光成像图。（d）Fq‘/Fm’的平均值，误差条表示SE（n = 41到48）。（e）总叶绿素水平的平均值，误差条表示SE（n=4~10）。（f）叶绿素a/b比值的平均值，误差条表示SE（n=4~10）
 

5、研究者还去除了豆荚中的种子，单独测定了豆荚的PSII光合速率、叶绿素浓度及叶绿素A/叶绿素B的发展趋势（图6D、E、F）。发现种子和豆荚的光合速率测定结果都表明，在100mg的发展阶段时，光合速率达到顶峰。

图6 田间条件下豆荚在7个发育阶段的光合活性。品种是“William82“。（a）2021年伊利诺斯州油田的大豆植株图片。（b）收集的大豆豆荚图片。豆荚内种子的新鲜重量范围如图左右标注所示。（c）b中同一盘豆荚的叶绿素成像图。（d）Fq‘/Fm’的平均值，误差条表示SE（n = 32~42）。（e）总叶绿素水平的平均值，误差条表示SE（n=6~12）。（f）叶绿素a/b比值的平均值，误差条代表SE（n=6~12）。
 

6、通过RNA-seq对光合作用相关的基因的表达情况进行分析发现，与光合暗反应中Rubisco酶相关的基因（图7A、B）、光捕获相关基因（图7C、D）、叶绿素合成相关基因（图7E、F）以及卡尔文循环的相关基因（图7G、H）在大豆种子发育初期就达到了最大表达，而值得关注的是，大部分与光合相关的基因的表达都比之前测定的种子光合速率达到最大值的时期要更前。研究者认为这种现象解释了在10-25mg阶段叶绿素水平下降的原因（图5E）：叶绿素合成相关基因在发育早期高表达，然后在5~6mg时期表达下降，而叶绿素降解相关基因则在发育后期逐渐活跃。这些数据都表明，在种子发育过程中，光合作用效率和叶绿素水平与基因表达密切相关。

图7 种子发育过程中光合作用相关基因的表达

总结与展望：
本研究与前人对大麦穗、小麦穗等光合情况的研究结果基本一致，尤其表现在非叶组织的碳同化功能会因物种、品种、环境的差异而不同。虽然大豆的豆荚和种子是异养器官，但其光合还是对种子增重有9%的贡献。且冠层下的豆荚可能在冠层发育密集（高叶面积指数）之前或之后获得更多的光，而文章采用的是冠层密集时期的模型，因此可能会低估豆荚和种子光合对冠层光合的贡献。
研究者也指出，尽管豆荚种子内部的有效光水平低，但大豆种子的光合活性却惊人地高，这也许是因为种子中叶绿体活性很高，且这些叶绿体具有与叶片叶绿体相似的叶绿素-蛋白复合物，同时有着较高比例的颗粒堆积。