植物生理与分子生物学学报， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ ２００６， ３２ （６）： ６９１－６９６691
光合作用对光和二氧化碳响应的观测方法探讨
陈根云＊，俞冠路＊，陈悦，许大全＊＊
中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，上海
２０００３２
摘要：用便携式光合仪ＬＩ－６４００观测自然条件下生长的盆栽蚕豆叶片光合作用对光和二氧化碳的响应发现：（１）用未经过光合诱导的叶片观测光合作用对光的响应会得到即使在全太阳光强下光合作用仍然不饱和的假象；（２）利用某些经验方程计算的饱和光强远低于实际观测值；（３）在观测光合作用对ＣＯ２的响应过程中，每一次ＣＯ２浓度变化都应当伴随一次光合仪的匹配步骤，否则所得结果偏差很大；（４）在不饱和光下观测光合作用对ＣＯ２的响应，会导致对叶片光合能力的低估。
关键词：净光合速率；光合能力；光合诱导；光合响应；饱和光强；蚕豆中图分类号：Ｑ９４５
叶（从植株上部数）用于光合作用测定。
１．２ 叶片光合作用测定
使用便携式光合作用测定仪（ＬＩ－６４００； ＬＩ－ＣＯＲ，Ｉｎｃ， Ｌｉｎｃｏｌｎ， ＮＥ， ＵＳＡ）进行叶片气体交换测定。在测定过程中由该测定仪控制光照强度、ＣＯ２浓度和叶室温度。
光合作用对光强变化响应的观测：考虑到自然条件下生长的Ｃ３植物叶片光合作用的饱和光强即光量子通量密度（ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｐｈｏｔｏｎ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ， ＰＰＦＤ）大多在１ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１左右的事实，首先将蚕豆植株置于人工光源碘钨灯（１ ０００ Ｗ）下，让待测定叶片在ＰＰＦＤ为１ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的光下、普通空气中诱导约６０ｍｉｎ，待叶片光合诱导期结束后，开始进行光合作用对光响应的观测。先从光强１０００µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１开始，以每次增加１００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的幅度依次提高光强，当光合速率不再随光强的增高而增加时，再以每次递减１００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的幅度，逐步将光强降低到２００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１，然后以每次变化约３０ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的幅度逐步递减至约３０ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１。在每个光强下停留２￣３ ｍｉｎ后记录光合速率值。
上面叙述的是光合作用对光强变化响应观测的通常作法。为了说明光合作用的光诱导过程结束与否和光强变化顺序对观测结果的重要影响，比较了观测前被置于黑暗中未经光诱导的叶片在光强由低到高变化时的光响应情况。
光合作用对ＣＯ２浓度变化响应的观测：具体步骤与Ａｉｎｓｗｏｒｔｈ等（２００２）、Ｌｏｎｇ和Ｂｅｒｎａｃｃｈｉ （２００３）所描述的相似。在通过光合作用对光强变化响应的观测确知自然条件下生长的蚕豆叶片光合作用饱和光
２００６－０６－１３收到，２００６－１０－２５接受。
国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（Ｎｏ． ２００５ＣＢ１２１１０６）资助。＊共同第一作者。
＊＊通讯作者（Ｅ－ｍａｉｌ： ｄｑｘｕ＠ｓｉｐｐｅ．ａｃ．ｃｎ； Ｔｅｌ： ０２１－５４９２４２３１）。
光合作用效率是人们描述光合机构功能和运转状况的基本指标，是光合机理研究的重要内容，也是揭示光合作用调节规律的有力工具。人们常说的光合作用效率，往往涉及光合速率和光合量子效率等一些指标（许大全２００２）。虽然有关光合作用的文献中经常涉及这些指标和参数，可是对获得它们的方法步骤却很少具体描述（许大全等１９８７； Ｌｏｎｇ和Ｈａｌｌｇｒｅｎ １９８５； ｖｏｎ Ｃａｅｍｍｅｒｅｒ ２０００），以致不少初学者提供的这些指标和参数由于所用观测及计算方法失当而缺乏可信性。因此，很有必要对这些观测方法进行一番探讨。我们以室外自然条件下的盆栽蚕豆为材料，研究了光合作用对光和ＣＯ２响应的观测中可能发生的一些偏差及后果。
１ 材料与方法
１．１ 植物材料的培养
从２００５年夏天收获的蚕豆（Ｖｉｃｉａ ｆａｂａ）种子中选取饱满者，放在２６℃恒温培养箱中发芽，５￣６ ｄ后种入装土的塑料盆，置于室外自然条件下生长，适时浇水。出苗约３０ ｄ后，选取刚完全展开的第３片
692 植物生理与分子生物学学报 ３２卷
强的前提下，先让待测叶片在饱和光强下和普通空气中诱导约６０ ｍｉｎ。在光合作用达到稳态即诱导期结束后，依次在ＣＯ２浓度分别为３５０、２５０、２００、１５０、１００、５０ µm ｏｌ／ｍｏｌ的条件下测定光合速率值，然后将ＣＯ２浓度调回３５０ µm ｏｌ／ｍｏｌ，待光合速率读数稳定后，再以每次变化１００￣２００ µm ｏｌ／ｍｏｌ的步幅逐步调高ＣＯ２浓度，直至净光合速率不再随ＣＯ２浓度增高而增加时（大约１ ２００ µm ｏｌ／ｍｏｌ）止。对于ＬＩ－６４００型分析仪来说，在整个观测过程中，每次ＣＯ２浓度变化后都需要按照仪器说明书指示的步骤进行１次光合仪的匹配操作，让同一气体样品流经样品室和参比室，使其重新平衡。然后再停留３ ｍｉｎ左右后记录这一ＣＯ２浓度下的净光合速率值。
为了说明在对ＣＯ２浓度变化响应的观测中随时进行光合仪匹配操作的必要性和在饱和光下进行这种观测的重要性，还分别在不做这种匹配和光不饱和情况下进行了这种观测，以便比较。
１．３ 叶片最大羧化速率和最大电子传递速率的计算
根据Ｆａｒｑｕｈａｒ等（１９８０）、ｖｏｎ Ｃａｅｍｍｅｒｅｒ和Ｆａｒｑｕｈａｒ （１９８１）的模型，植物叶片光合速率（Ａ）与有关因素的关系可以用如下公式（１）表示。这里，Ｏ为氧浓度，Ｃｉ为胞间ＣＯ２浓度，τ为光合作用碳同化的关键酶１，５－二磷酸核酮糖（ＲｕＢＰ）羧化酶／加氧酶（Ｒｕｂｉｓｃｏ）的专一性因子（ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ），Ｒｄ为暗呼吸速率。将公式（２）、（３）或（４）代入公式（１），用Ｓｉｇｍａ－Ｐｌｏｔ或其他软件分别计算Ｖｃ （Ｒｕｂｉｓｃｏ羧化速率）、Ｊ（电子传递速率）和光合产物磷酸丙糖的利用速率（ＴＰＵ）。如果光合作用对ＣＯ２响应的观测是在饱和光下进行的，计算得到的数值就是它们的最大值。其中，Ｗｃ、Ｗｊ和Ｗｐ是分别由Ｒｕｂｉｓｃｏ活力、ＲｕＢＰ和无机磷的再生支持的潜在的ＣＯ２同化速率，Ｋｃ和Ｋｏ分别为Ｒｕｂｉｓｃｏ对ＣＯ２和Ｏ２的米氏常数，Ｖｏ是Ｒｕｂｉｓｃｏ加氧速率。
A =(1−τ⋅C ) ⋅min(W c , W j , W p ) −R d
i V c max ⋅C i
W = c C +K (1+O /K )
i c o
0. 5⋅O
１．４ 统计分析
实验数据的平均值获得以及作图用ＳｉｇｍａＰｌｏｔ９．０ （ＳＰＳＳ， Ｉｎｃ． ＵＳＡ）进行。
２ 结果与讨论
２．１ 光合诱导对光响应曲线的影响
光合作用是光推动的生物合成过程，在有限光（不饱和）下其速率自然依赖于光照强度。当植物从暗中转移到光下或从弱光转移到强光下时，其光合速率需要经过一个或长或短的诱导过程逐渐达到该光强下的最高水平（Ｏｓｔｅｒｈｏｕｔ和Ｈａｓｓ １９１８； Ｐｒｉｎｓｌｅｙ和Ｌｅｅｇｏｏｄ １９８６），因此在光合诱导未完成时测得的光合速率不能反映叶片的稳态水平。
从图１可以看到，经过充分诱导的叶片光合作用的光响应曲线基本上是一条直角双曲线，其整个过程大致可分为３个阶段：第１阶段（ＰＰＦＤ小于２５０µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的部分）为光合速率随光强增加而直线上升的阶段，直线的斜率即为表观（因为是按入射到叶片的而非叶片实际吸收的ＰＰＦＤ计算的）光合量子效率；第２阶段（ＰＰＦＤ约为２５０￣１ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的部分）为光合速率随光强增加而曲线上升阶段；第３阶段（ＰＰＦＤ大于１ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１
的部分）几乎为一平
（１）
图１ 光合诱导对蚕豆叶片光合作用光响应的影响
（２）
Ｆｉｇ．１ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｔｏ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｖｅｓ
Ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｌｉｇｈｔ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ａｔ
W j =
J ⋅C i
4(C i +O /τ)
（３）(4)
３５０ µm ｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌ ａｎｄ １２ºC． Ｂｅｆｏｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｆｕｌｌｙ ｄａｒｋ－ａｄａｐｔｅｄ ｌｅａｆ ｗａｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｗｉｔｈ ｌｉｇｈｔ ｏｆ １ ０００ µm ｏｌ ｐｈｏｔｏｎｓ ｍ－２ ｓ－１ｆｏｒ ０ ｈ （ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｌｅ） ｏｒ １ ｈ （ｆｉｌｌｅｄ ｃｉｒｃｌｅ）．
Ｗｐ＝３·TPU +0.5·V o ·O
６期陈根云等： 光合作用对光和二氧化碳响应的观测方法探讨 693
台，这时光合速率几乎不再随光强的增加而增加，光合速率已经达到饱和水平（实心点）。而未经光合诱导的响应曲线则明显不同，其光合速率一直随着光强的增加而升高，即使光强达到２ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１时，其光合作用还没有达到光饱和（空心点）。
由此可见，在进行光合作用对光响应的观测以及作物不同品种或不同处理间光合作用比较时，都应当特别注意这个光合诱导的问题，一定要在叶片的光合诱导期结束（在田间条件下常常要在上午１０点之后）之后方可进行，否则会造成很大偏差，甚至导致假象。
２．２ 用光响应观测资料计算的饱和光强不可靠
饱和光强是光合速率不再随光强的升高而增高即光合作用达到饱和时的光强。确定饱和光强有２种不同方法：一是用经验方程对光响应观测资料进行计算和拟合（Ｗａｌｋｅｒ １９８９），如Ｐｈｏｔｏｓｙｎ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ软件就是；二是根据光响应曲线的走势进行估计。然而，这样计算得到的饱和光强是否符合实际，值得认真研究。从图１的光响应曲线可以看出，蚕豆叶片光合作用的饱和光强为１ ０００￣１ １００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１，而用图１中叶片经过充分光诱导后观测的数据和这种软件计算得到的饱和光强仅为４５０ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１，两者的差别很大。
为了检验这种计算的饱和光强正确与否，先将刚完全展开的蚕豆叶片置于５００ µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１的光强下诱导９０ ｍｉｎ，然后测定其在更强的光下的净光合速率（Ｐｎ）。结果如图２所示：在光强从５００开始逐渐增加到１ ０００ µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１的过程中，Ｐｎ随光强的增强而不断升高，没有饱和的迹象；而叶片在１ １００µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１光强下诱导４０ｍｉｎ后，Ｐｎ没有随着光强从１ １００逐步增强到１ ５００ µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１而增加。可见，叶片光合作用的饱和光强并不是计算的４５０µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１，而应该是１ ０００￣１ １００ µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１。尽管用肉眼从光响应曲线估计的饱和光强不像计算值那样可以“精确”到个位数，而只能准确到百位数，说出一个大致的范围，但是却比计算值更接近真实，因而也就更可靠。
２．３ ＣＯ２响应观测中改变ＣＯ２浓度时重新匹配光合仪的必要性
ＬＩ－６４００光合仪使用说明书指出，在光合作用测定前或在变换所用空气ＣＯ２浓度后，必须对仪器
图２ 蚕豆叶片光合作用的饱和光强的检验
Ｆｉｇ．２ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｆ
Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｌｅａｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｔｏ ｌｉｇｈｔ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｔ ３５０µmｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌ ａｎｄ １５ºC ａｆｔｅｒ ｐｒｅ－ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＰＰＦＤ ｏｆ ５００µmｏｌ ｍ－２ ｓ－１ ｆｏｒ ９０ ｍｉｎ ａｎｄ １ １００ µmｏｌ ｍ－２ ｓ－１ ｆｏｒ ４０ ｍｉｎ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｆｏｒ Ｐａｒｔ Ａ ａｎｄ Ｐａｒｔ Ｂ． Ｔｈｉｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎｌｅａｆ ｗａｓ １ ０００－１ １００ µmｏｌ ｐｈｏｔｏｎｓ ｍ－２ ｓ－１ ｒａｔｈｅｒ ｔｈａｎ ４５０ µmｏｌｐｈｏｔｏｎｓ ｍ－２ ｓ－１ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏ ｌｉｇｈｔ （Ｆｉｇ．１）．
进行匹配操作。那么，在进行ＣＯ２响应观测过程中是否有必要每次变换ＣＯ２浓度后都要对仪器进行重新匹配？如果不随时进行匹配结果会怎么样呢？为了回答这些问题，我们对ＣＯ２响应观测过程中进行匹配和不进行匹配的２种情况进行了比较。结果表明，当胞间ＣＯ２浓度（Ｃｉ）超过６００µm ｏｌ／ｍｏｌ之后，没有采取匹配步骤（实心点）与采取匹配步骤（空心点）后所测得的光合速率值明显不同，并且这２个数值间的差值随ＣＯ２浓度的增高而增大，以至后来净光合速率竟随着ＣＯ２浓度的增高而逐渐降低（图３）。如下实验证明这种降低是与叶片生理状态无关的假象。
众所周知，当叶室内没有叶片时，由于没有光合作用和呼吸作用发生，仪器的净光合速率读数应当为零。可是，如果在每次改变流经叶室空气的ＣＯ２浓度后都不经过仪器重新匹配步骤就读数，会发现ＬＩ－ＣＯＲ光合仪的“净光合速率”读数并不总是零，而是随ＣＯ２浓度变化而有规律地变化（图４）。这表明，测定前在３５０ µm ｏｌ／ｍｏｌ的ＣＯ２浓度下对仪
器所做的匹配（让同一气体样品流经仪器的样品室和
694 植物生理与分子生物学学报 ３２卷
图３ ＣＯ２响应观测中采用与不采用匹配步骤所得响应曲线的比较
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏＣＯ２ ｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｖｅｓ ｗｉｔｈ （ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｌｅ） ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ （ｆｉｌｌｅｄ
ｃｉｒｃｌｅ） ｍａｔｃｈ ｓｔｅｐs
during observation
Observations were made at 1 000
µmol photons m
-2 s
-1
and 18ºC
．
图４ 叶室内没有叶片时光合仪读数随流经叶室空气ＣＯ２浓度的变化而变化
Ｆｉｇ．４ Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｒｅａｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎａｌｙｚｅｒ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈａｌｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｉｒ ｆｌｏｗｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｌｅａｆ ｃｈａｍｂｅｒｗｉｔｈｏｕｔ ｌｅａｆ
Ｂｅｆｏｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａ ｍａｔｃｈ ｓｔｅｐ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｚｅｒ ａｔ ３５０µm ｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｆ ｃｈａｍｂｅｒ ｗａｓ ｃｌｏｓｅｄ． Ｅａｃｈ ＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ｋｅｐｔ ｆｏｒ ３ ｍｉｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｋｉｎｇ ｒｅａｄｉｎｇ． Ｃａ： ＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａｉｒ．
参比室，使它们之间浓度读数差值为零）不适用于其他ＣＯ２浓度下的测定，而且离这个浓度越远偏差越大。看来，在使用ＬＩ－６４００型光合仪进行ＣＯ２响应
观测的过程中，每次变换ＣＯ２浓度后都必须进行仪器的匹配操作，以保证所得光合速率数值的准确。
用饱和光下光合作用对ＣＯ２响应观测资料计算的体内最大羧化速率（Ｖｃｍａｘ）、最大电子传递速率（Ｊｍａｘ）和最大磷酸丙糖利用速率（ＴＰＵｍａｘ）现在被广泛设想为光饱和光合速率的主要限制因素（Ｌｏｎｇ和Ｂｅｒｎａｃｃｈｉ２００３）。从表１结果可以看到，匹配与否对于Ｖｃｍａｘ、Ｊｍａｘ和ＴＰＵｍａｘ的计算值也有很大影响，这再次证明了ＣＯ２响应观测中每次变换ＣＯ２浓度后对仪器进行匹配操作的必要性。
表１ 在光合对ＣＯ２响应观测过程中不采用光合仪匹配步骤对
Ｖｃｍａｘ、Ｊｍａｘ和ＴＰＵｍａｘ计算值的影响
Ｔａｂｌｅ １ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｏｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｃｈ ｓｔｅｐ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｎａｌｙｚｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ＣＯ２ ｏｎｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ Ｖｃｍａｘ， Ｊｍａｘ ａｎｄ ＴＰＵｍａｘ
Ｖｃｍａｘ Ｊｍａｘ ＴＰＵｍａｘ（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１）（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１）（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１）Ｍａｔｃｈ ４５ ２１３ １１．９Ｎｏ ｍａｔｃｈ
３４．７
１２７
１７．２
Ｖｃｍａｘ， Ｊｍａｘ ａｎｄ ＴＰＵｍａｘ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ Ｆｉｇ．３．
２．４ 测定光强对于光合作用ＣＯ２响应观测的影响
图５所示为２种光强（ＰＰＦＤ分别为３００和１ ０００µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１）下观测得到的Ｐｎ对胞间ＣＯ２浓度变化的响应曲线。２条曲线的变化趋势基本相同，都可以分为３个阶段：第１阶段为近似直线段（Ｃｉ小于２００µm ｏｌ／ｍｏｌ），叶片的光合速率随着胞间ＣＯ２浓度的增大而迅速增高，直线的斜率即为叶肉导度或羧化效率（Ｋｕ和Ｅｄｗａｒｄｓ １９７７）； 第２阶段为曲线段（Ｃｉ为２００￣１ ０００ µm ｏｌ／ｍｏｌ），光合速率随胞间ＣＯ２浓度增高而较慢地增高；第３阶段几乎也是直线段（Ｃｉ大于１ ０００ µm ｏｌ／ｍｏｌ），光合速率基本上不再随胞间ＣＯ２浓度的增加而增加，表明它已达到了饱和水平。
当然，在饱和光下测得的光合速率总是明显高于有限光下的测定值。值得注意的是，不同光强下观测计算的Ｒｕｂｉｓｃｏ的羧化速率（Ｖｃ）、电子传递速率（Ｊ）和磷酸丙糖利用速率（ＴＰＵ）值差异很大（表２），只有在饱和光下得到的这些参数才是各自的最大值。这说明，必须在使光合作用饱和的饱和光下进行光合作用对ＣＯ２浓度响应的观测，因为非饱和光下的
观测会导致对叶片光合能力的低估。因此，在进行
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参 考 文 献
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图５ 两种测定光强下蚕豆叶片光合速率对ＣＯ２浓度变化的响应Ｆｉｇ．５ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｖｅｓ ｔｏ ＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓＢｅｆｏｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｄａｒｋ－ａｄａｐｔｅｄ ｌｅａｆ ｗａｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｔｏ ｐｈｏｔｏｓｙｎ－ｔｈｅｓｉｚｅ ｆｉｒｓｔ ａt 300 µmol photons m-2 s -1 (filled circle), then at 1 000µmol photons m-2 s -1 (open circle) for 1 h. The photosynthetic re-sponses to CO2 were observed at given light intensity, 350 µmol CO 2
/mol, and 20ºC.
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ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｐｉｎａｃｈ ｌｅａｖｅｓ． Ｂｉｏｃｈｉｍ Ｂｉｏｐｈｙｓ Ａｃｔａ ８４９：
表２ 从不同光强 （ＰＰＦＤ）下蚕豆叶片光合作用对ＣＯ２响应观测资料计算得到的体内二磷酸核酮糖羧化酶（Ｒｕｂｉｓｃｏ）羧化速率（Ｖｃ）、电子传递速率（Ｊ）和磷酸丙糖利用速率（ＴＰＵ）
Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｒａｔｅｓ ｏｆ ＲｕＢＰ ｃａｒｂｏｘｙｌａｔｉｏｎ （Ｖｃ）， ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ（Ｊ） ａｎｄ ｔｒｉｏｓｅ－ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ （ＴＰＵ） ｉｎ ｖｉｖｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｒｏｍｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ＣＯ２ ｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｆｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｔ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｐｈｏｔｏｎ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ（ＰＰＦＤ） ＰＰＦＤ（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１） ３００ １０００
Ｖｃ（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１） ２６ ３７
Ｊ ＴＰＵ（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１） ８５．５ １３８
（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１） ７．０８ １７．９
２４４－２５３
ｖｏｎ Ｃａｅｍｍｅｒｅｒ Ｓ （２０００）． Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ Ｌｅａｆ
Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ． Ｃｏｌｌｉｎｗｏｏｄ： ＣＳＩＲＯ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ
ｖｏｎ Ｃａｅｍｍｅｒｅｒ Ｓ， Ｆａｒｑｕｈａｒ ＧＤ （１９８１）． Ｓｏｍｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ
ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｓｅｘｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｌｅａｖｅｓ． Ｐｌａｎｔａ １５３： ３７６－３８７
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ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ． Ｐｈｉｌ Ｔｒａｎｓ ＲＳｏｃ Ｌｏｎｄ Ｂ Ｂｉｏｌ Ｓｃｉ ３２３： ３１３－３２６
Ｘｕ Ｄ－Ｑ （许大全） （２００２）． Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ （光合作用效
率）． Ｓｈａｎｇｈａｉ： Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｐｒｅｓｓ （ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
Ｘｕ Ｄ－Ｑ （许大全）， Ｌｉ Ｄ－Ｙ （李德耀）， Ｑｉｕ Ｇ－Ｘ （邱国雄）， Ｓｈｅｎ Ｙ－
Ｇ （沈允钢）， Ｈｕａｎｇ Ｑ－Ｍ （黄启民）， Ｙａｎｇ Ｄ－Ｄ （杨迪蝶），Ｂｅａｄｌｅ ＣＬ （１９８７）． Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｓｔｏｍａｔａｌ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｂａｍｂｏｏ （Ｐｈｙｌｌｏｓｔａｃｈｙｓ ｐｕｂｅｓｃｅｎｓ）
Ｖｃ， Ｊ ａｎｄ ＴＰＵ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ Ｆｉｇ．５．
光合作用对ＣＯ２浓度响应的观测之前，必须通过实
验确知被测定叶片光合作用的饱和光强是多少。
ｌｅａｖｅｓ． Ａｃｔａ Ｐｈｙｔｏｐｈｙｓｉｏｌ Ｓｉｎ （植物生理学报） １３： １５４－１６０（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
696 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ ２００６， ３２ （６）： ６９１－６９６
Exploring the Observation Methods of Photosynthetic Responses to Light
and Carbon Dioxide
CHEN Gen-Yun *, YU Guan-Lu*, CHEN Yue, XU Da-Quan**
Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China
Abstract: Through observing the responses ofphotosynthesis in leaves of broad bean grown un-der natural conditions to light and CO2 using a por-table photosynthetic analyzer LI-6400, the follow-ing findings were obtained. (1) Observing the re-sponse of photosynthesis to light using a leaf with-out being induced by light might lead to an artifactthat photosynthesis was not saturated even underfull sunlight (Fig.1). (2) The calculated saturatinglight intensity of photosynthesis by some empiri-cal equations was much lower than actual valueobtained by observing (Fig.2). (3) During obser-vation of photosynthetic response to CO2, each stepof changing CO2 concentration should be accom-panied by a match step of the photosynthetic
analyzer, otherwise, there will be substantial de-viations in the results obtained (Figs.3,4; Table 1).(4) Observing photosynthetic response to CO2 atnon-saturating light might lead to an underestima-tion of leaf photosynthetic capacity (Fig.5; Table2).
Key words: net photosynthetic rate; photosynthetic capacity;photosynthetic induction; photosynthetic response; saturating lightintensity; broad bean
Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂａｓｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆＣｈｉｎａ （Ｎｏ． ２００５ＣＢ１２１１０６）．
＊ Ｔｈｅ ｔｗｏ ａｕｔｈｏｒｓ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｔｏ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ．
＊＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ （Ｅ－ｍａｉｌ： ｄｑｘｕ＠ｓｉｐｐｅ．ａｃ．ｃｎ； Ｔｅｌ： ８６－２１－５４９２４２３１）．
植物生理与分子生物学学报， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ ２００６， ３２ （６）： ６９１－６９６691
光合作用对光和二氧化碳响应的观测方法探讨
陈根云＊，俞冠路＊，陈悦，许大全＊＊
中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，上海
２０００３２
摘要：用便携式光合仪ＬＩ－６４００观测自然条件下生长的盆栽蚕豆叶片光合作用对光和二氧化碳的响应发现：（１）用未经过光合诱导的叶片观测光合作用对光的响应会得到即使在全太阳光强下光合作用仍然不饱和的假象；（２）利用某些经验方程计算的饱和光强远低于实际观测值；（３）在观测光合作用对ＣＯ２的响应过程中，每一次ＣＯ２浓度变化都应当伴随一次光合仪的匹配步骤，否则所得结果偏差很大；（４）在不饱和光下观测光合作用对ＣＯ２的响应，会导致对叶片光合能力的低估。
关键词：净光合速率；光合能力；光合诱导；光合响应；饱和光强；蚕豆中图分类号：Ｑ９４５
叶（从植株上部数）用于光合作用测定。
１．２ 叶片光合作用测定
使用便携式光合作用测定仪（ＬＩ－６４００； ＬＩ－ＣＯＲ，Ｉｎｃ， Ｌｉｎｃｏｌｎ， ＮＥ， ＵＳＡ）进行叶片气体交换测定。在测定过程中由该测定仪控制光照强度、ＣＯ２浓度和叶室温度。
光合作用对光强变化响应的观测：考虑到自然条件下生长的Ｃ３植物叶片光合作用的饱和光强即光量子通量密度（ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｐｈｏｔｏｎ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ， ＰＰＦＤ）大多在１ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１左右的事实，首先将蚕豆植株置于人工光源碘钨灯（１ ０００ Ｗ）下，让待测定叶片在ＰＰＦＤ为１ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的光下、普通空气中诱导约６０ｍｉｎ，待叶片光合诱导期结束后，开始进行光合作用对光响应的观测。先从光强１０００µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１开始，以每次增加１００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的幅度依次提高光强，当光合速率不再随光强的增高而增加时，再以每次递减１００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的幅度，逐步将光强降低到２００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１，然后以每次变化约３０ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的幅度逐步递减至约３０ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１。在每个光强下停留２￣３ ｍｉｎ后记录光合速率值。
上面叙述的是光合作用对光强变化响应观测的通常作法。为了说明光合作用的光诱导过程结束与否和光强变化顺序对观测结果的重要影响，比较了观测前被置于黑暗中未经光诱导的叶片在光强由低到高变化时的光响应情况。
光合作用对ＣＯ２浓度变化响应的观测：具体步骤与Ａｉｎｓｗｏｒｔｈ等（２００２）、Ｌｏｎｇ和Ｂｅｒｎａｃｃｈｉ （２００３）所描述的相似。在通过光合作用对光强变化响应的观测确知自然条件下生长的蚕豆叶片光合作用饱和光
２００６－０６－１３收到，２００６－１０－２５接受。
国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（Ｎｏ． ２００５ＣＢ１２１１０６）资助。＊共同第一作者。
＊＊通讯作者（Ｅ－ｍａｉｌ： ｄｑｘｕ＠ｓｉｐｐｅ．ａｃ．ｃｎ； Ｔｅｌ： ０２１－５４９２４２３１）。
光合作用效率是人们描述光合机构功能和运转状况的基本指标，是光合机理研究的重要内容，也是揭示光合作用调节规律的有力工具。人们常说的光合作用效率，往往涉及光合速率和光合量子效率等一些指标（许大全２００２）。虽然有关光合作用的文献中经常涉及这些指标和参数，可是对获得它们的方法步骤却很少具体描述（许大全等１９８７； Ｌｏｎｇ和Ｈａｌｌｇｒｅｎ １９８５； ｖｏｎ Ｃａｅｍｍｅｒｅｒ ２０００），以致不少初学者提供的这些指标和参数由于所用观测及计算方法失当而缺乏可信性。因此，很有必要对这些观测方法进行一番探讨。我们以室外自然条件下的盆栽蚕豆为材料，研究了光合作用对光和ＣＯ２响应的观测中可能发生的一些偏差及后果。
１ 材料与方法
１．１ 植物材料的培养
从２００５年夏天收获的蚕豆（Ｖｉｃｉａ ｆａｂａ）种子中选取饱满者，放在２６℃恒温培养箱中发芽，５￣６ ｄ后种入装土的塑料盆，置于室外自然条件下生长，适时浇水。出苗约３０ ｄ后，选取刚完全展开的第３片
692 植物生理与分子生物学学报 ３２卷
强的前提下，先让待测叶片在饱和光强下和普通空气中诱导约６０ ｍｉｎ。在光合作用达到稳态即诱导期结束后，依次在ＣＯ２浓度分别为３５０、２５０、２００、１５０、１００、５０ µm ｏｌ／ｍｏｌ的条件下测定光合速率值，然后将ＣＯ２浓度调回３５０ µm ｏｌ／ｍｏｌ，待光合速率读数稳定后，再以每次变化１００￣２００ µm ｏｌ／ｍｏｌ的步幅逐步调高ＣＯ２浓度，直至净光合速率不再随ＣＯ２浓度增高而增加时（大约１ ２００ µm ｏｌ／ｍｏｌ）止。对于ＬＩ－６４００型分析仪来说，在整个观测过程中，每次ＣＯ２浓度变化后都需要按照仪器说明书指示的步骤进行１次光合仪的匹配操作，让同一气体样品流经样品室和参比室，使其重新平衡。然后再停留３ ｍｉｎ左右后记录这一ＣＯ２浓度下的净光合速率值。
为了说明在对ＣＯ２浓度变化响应的观测中随时进行光合仪匹配操作的必要性和在饱和光下进行这种观测的重要性，还分别在不做这种匹配和光不饱和情况下进行了这种观测，以便比较。
１．３ 叶片最大羧化速率和最大电子传递速率的计算
根据Ｆａｒｑｕｈａｒ等（１９８０）、ｖｏｎ Ｃａｅｍｍｅｒｅｒ和Ｆａｒｑｕｈａｒ （１９８１）的模型，植物叶片光合速率（Ａ）与有关因素的关系可以用如下公式（１）表示。这里，Ｏ为氧浓度，Ｃｉ为胞间ＣＯ２浓度，τ为光合作用碳同化的关键酶１，５－二磷酸核酮糖（ＲｕＢＰ）羧化酶／加氧酶（Ｒｕｂｉｓｃｏ）的专一性因子（ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ），Ｒｄ为暗呼吸速率。将公式（２）、（３）或（４）代入公式（１），用Ｓｉｇｍａ－Ｐｌｏｔ或其他软件分别计算Ｖｃ （Ｒｕｂｉｓｃｏ羧化速率）、Ｊ（电子传递速率）和光合产物磷酸丙糖的利用速率（ＴＰＵ）。如果光合作用对ＣＯ２响应的观测是在饱和光下进行的，计算得到的数值就是它们的最大值。其中，Ｗｃ、Ｗｊ和Ｗｐ是分别由Ｒｕｂｉｓｃｏ活力、ＲｕＢＰ和无机磷的再生支持的潜在的ＣＯ２同化速率，Ｋｃ和Ｋｏ分别为Ｒｕｂｉｓｃｏ对ＣＯ２和Ｏ２的米氏常数，Ｖｏ是Ｒｕｂｉｓｃｏ加氧速率。
A =(1−τ⋅C ) ⋅min(W c , W j , W p ) −R d
i V c max ⋅C i
W = c C +K (1+O /K )
i c o
0. 5⋅O
１．４ 统计分析
实验数据的平均值获得以及作图用ＳｉｇｍａＰｌｏｔ９．０ （ＳＰＳＳ， Ｉｎｃ． ＵＳＡ）进行。
２ 结果与讨论
２．１ 光合诱导对光响应曲线的影响
光合作用是光推动的生物合成过程，在有限光（不饱和）下其速率自然依赖于光照强度。当植物从暗中转移到光下或从弱光转移到强光下时，其光合速率需要经过一个或长或短的诱导过程逐渐达到该光强下的最高水平（Ｏｓｔｅｒｈｏｕｔ和Ｈａｓｓ １９１８； Ｐｒｉｎｓｌｅｙ和Ｌｅｅｇｏｏｄ １９８６），因此在光合诱导未完成时测得的光合速率不能反映叶片的稳态水平。
从图１可以看到，经过充分诱导的叶片光合作用的光响应曲线基本上是一条直角双曲线，其整个过程大致可分为３个阶段：第１阶段（ＰＰＦＤ小于２５０µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的部分）为光合速率随光强增加而直线上升的阶段，直线的斜率即为表观（因为是按入射到叶片的而非叶片实际吸收的ＰＰＦＤ计算的）光合量子效率；第２阶段（ＰＰＦＤ约为２５０￣１ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１的部分）为光合速率随光强增加而曲线上升阶段；第３阶段（ＰＰＦＤ大于１ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１
的部分）几乎为一平
（１）
图１ 光合诱导对蚕豆叶片光合作用光响应的影响
（２）
Ｆｉｇ．１ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｔｏ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｖｅｓ
Ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｌｉｇｈｔ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ａｔ
W j =
J ⋅C i
4(C i +O /τ)
（３）(4)
３５０ µm ｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌ ａｎｄ １２ºC． Ｂｅｆｏｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｆｕｌｌｙ ｄａｒｋ－ａｄａｐｔｅｄ ｌｅａｆ ｗａｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｗｉｔｈ ｌｉｇｈｔ ｏｆ １ ０００ µm ｏｌ ｐｈｏｔｏｎｓ ｍ－２ ｓ－１ｆｏｒ ０ ｈ （ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｌｅ） ｏｒ １ ｈ （ｆｉｌｌｅｄ ｃｉｒｃｌｅ）．
Ｗｐ＝３·TPU +0.5·V o ·O
６期陈根云等： 光合作用对光和二氧化碳响应的观测方法探讨 693
台，这时光合速率几乎不再随光强的增加而增加，光合速率已经达到饱和水平（实心点）。而未经光合诱导的响应曲线则明显不同，其光合速率一直随着光强的增加而升高，即使光强达到２ ０００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１时，其光合作用还没有达到光饱和（空心点）。
由此可见，在进行光合作用对光响应的观测以及作物不同品种或不同处理间光合作用比较时，都应当特别注意这个光合诱导的问题，一定要在叶片的光合诱导期结束（在田间条件下常常要在上午１０点之后）之后方可进行，否则会造成很大偏差，甚至导致假象。
２．２ 用光响应观测资料计算的饱和光强不可靠
饱和光强是光合速率不再随光强的升高而增高即光合作用达到饱和时的光强。确定饱和光强有２种不同方法：一是用经验方程对光响应观测资料进行计算和拟合（Ｗａｌｋｅｒ １９８９），如Ｐｈｏｔｏｓｙｎ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ软件就是；二是根据光响应曲线的走势进行估计。然而，这样计算得到的饱和光强是否符合实际，值得认真研究。从图１的光响应曲线可以看出，蚕豆叶片光合作用的饱和光强为１ ０００￣１ １００ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１，而用图１中叶片经过充分光诱导后观测的数据和这种软件计算得到的饱和光强仅为４５０ µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１，两者的差别很大。
为了检验这种计算的饱和光强正确与否，先将刚完全展开的蚕豆叶片置于５００ µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１的光强下诱导９０ ｍｉｎ，然后测定其在更强的光下的净光合速率（Ｐｎ）。结果如图２所示：在光强从５００开始逐渐增加到１ ０００ µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１的过程中，Ｐｎ随光强的增强而不断升高，没有饱和的迹象；而叶片在１ １００µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１光强下诱导４０ｍｉｎ后，Ｐｎ没有随着光强从１ １００逐步增强到１ ５００ µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１而增加。可见，叶片光合作用的饱和光强并不是计算的４５０µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１，而应该是１ ０００￣１ １００ µｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１。尽管用肉眼从光响应曲线估计的饱和光强不像计算值那样可以“精确”到个位数，而只能准确到百位数，说出一个大致的范围，但是却比计算值更接近真实，因而也就更可靠。
２．３ ＣＯ２响应观测中改变ＣＯ２浓度时重新匹配光合仪的必要性
ＬＩ－６４００光合仪使用说明书指出，在光合作用测定前或在变换所用空气ＣＯ２浓度后，必须对仪器
图２ 蚕豆叶片光合作用的饱和光强的检验
Ｆｉｇ．２ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｆ
Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｌｅａｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｔｏ ｌｉｇｈｔ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｔ ３５０µmｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌ ａｎｄ １５ºC ａｆｔｅｒ ｐｒｅ－ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＰＰＦＤ ｏｆ ５００µmｏｌ ｍ－２ ｓ－１ ｆｏｒ ９０ ｍｉｎ ａｎｄ １ １００ µmｏｌ ｍ－２ ｓ－１ ｆｏｒ ４０ ｍｉｎ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｆｏｒ Ｐａｒｔ Ａ ａｎｄ Ｐａｒｔ Ｂ． Ｔｈｉｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎｌｅａｆ ｗａｓ １ ０００－１ １００ µmｏｌ ｐｈｏｔｏｎｓ ｍ－２ ｓ－１ ｒａｔｈｅｒ ｔｈａｎ ４５０ µmｏｌｐｈｏｔｏｎｓ ｍ－２ ｓ－１ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏ ｌｉｇｈｔ （Ｆｉｇ．１）．
进行匹配操作。那么，在进行ＣＯ２响应观测过程中是否有必要每次变换ＣＯ２浓度后都要对仪器进行重新匹配？如果不随时进行匹配结果会怎么样呢？为了回答这些问题，我们对ＣＯ２响应观测过程中进行匹配和不进行匹配的２种情况进行了比较。结果表明，当胞间ＣＯ２浓度（Ｃｉ）超过６００µm ｏｌ／ｍｏｌ之后，没有采取匹配步骤（实心点）与采取匹配步骤（空心点）后所测得的光合速率值明显不同，并且这２个数值间的差值随ＣＯ２浓度的增高而增大，以至后来净光合速率竟随着ＣＯ２浓度的增高而逐渐降低（图３）。如下实验证明这种降低是与叶片生理状态无关的假象。
众所周知，当叶室内没有叶片时，由于没有光合作用和呼吸作用发生，仪器的净光合速率读数应当为零。可是，如果在每次改变流经叶室空气的ＣＯ２浓度后都不经过仪器重新匹配步骤就读数，会发现ＬＩ－ＣＯＲ光合仪的“净光合速率”读数并不总是零，而是随ＣＯ２浓度变化而有规律地变化（图４）。这表明，测定前在３５０ µm ｏｌ／ｍｏｌ的ＣＯ２浓度下对仪
器所做的匹配（让同一气体样品流经仪器的样品室和
694 植物生理与分子生物学学报 ３２卷
图３ ＣＯ２响应观测中采用与不采用匹配步骤所得响应曲线的比较
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏＣＯ２ ｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｖｅｓ ｗｉｔｈ （ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｌｅ） ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ （ｆｉｌｌｅｄ
ｃｉｒｃｌｅ） ｍａｔｃｈ ｓｔｅｐs
during observation
Observations were made at 1 000
µmol photons m
-2 s
-1
and 18ºC
．
图４ 叶室内没有叶片时光合仪读数随流经叶室空气ＣＯ２浓度的变化而变化
Ｆｉｇ．４ Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｒｅａｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎａｌｙｚｅｒ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈａｌｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｉｒ ｆｌｏｗｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｌｅａｆ ｃｈａｍｂｅｒｗｉｔｈｏｕｔ ｌｅａｆ
Ｂｅｆｏｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａ ｍａｔｃｈ ｓｔｅｐ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｚｅｒ ａｔ ３５０µm ｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｆ ｃｈａｍｂｅｒ ｗａｓ ｃｌｏｓｅｄ． Ｅａｃｈ ＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ｋｅｐｔ ｆｏｒ ３ ｍｉｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｋｉｎｇ ｒｅａｄｉｎｇ． Ｃａ： ＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａｉｒ．
参比室，使它们之间浓度读数差值为零）不适用于其他ＣＯ２浓度下的测定，而且离这个浓度越远偏差越大。看来，在使用ＬＩ－６４００型光合仪进行ＣＯ２响应
观测的过程中，每次变换ＣＯ２浓度后都必须进行仪器的匹配操作，以保证所得光合速率数值的准确。
用饱和光下光合作用对ＣＯ２响应观测资料计算的体内最大羧化速率（Ｖｃｍａｘ）、最大电子传递速率（Ｊｍａｘ）和最大磷酸丙糖利用速率（ＴＰＵｍａｘ）现在被广泛设想为光饱和光合速率的主要限制因素（Ｌｏｎｇ和Ｂｅｒｎａｃｃｈｉ２００３）。从表１结果可以看到，匹配与否对于Ｖｃｍａｘ、Ｊｍａｘ和ＴＰＵｍａｘ的计算值也有很大影响，这再次证明了ＣＯ２响应观测中每次变换ＣＯ２浓度后对仪器进行匹配操作的必要性。
表１ 在光合对ＣＯ２响应观测过程中不采用光合仪匹配步骤对
Ｖｃｍａｘ、Ｊｍａｘ和ＴＰＵｍａｘ计算值的影响
Ｔａｂｌｅ １ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｏｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｃｈ ｓｔｅｐ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｎａｌｙｚｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ＣＯ２ ｏｎｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ Ｖｃｍａｘ， Ｊｍａｘ ａｎｄ ＴＰＵｍａｘ
Ｖｃｍａｘ Ｊｍａｘ ＴＰＵｍａｘ（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１）（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１）（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１）Ｍａｔｃｈ ４５ ２１３ １１．９Ｎｏ ｍａｔｃｈ
３４．７
１２７
１７．２
Ｖｃｍａｘ， Ｊｍａｘ ａｎｄ ＴＰＵｍａｘ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ Ｆｉｇ．３．
２．４ 测定光强对于光合作用ＣＯ２响应观测的影响
图５所示为２种光强（ＰＰＦＤ分别为３００和１ ０００µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１）下观测得到的Ｐｎ对胞间ＣＯ２浓度变化的响应曲线。２条曲线的变化趋势基本相同，都可以分为３个阶段：第１阶段为近似直线段（Ｃｉ小于２００µm ｏｌ／ｍｏｌ），叶片的光合速率随着胞间ＣＯ２浓度的增大而迅速增高，直线的斜率即为叶肉导度或羧化效率（Ｋｕ和Ｅｄｗａｒｄｓ １９７７）； 第２阶段为曲线段（Ｃｉ为２００￣１ ０００ µm ｏｌ／ｍｏｌ），光合速率随胞间ＣＯ２浓度增高而较慢地增高；第３阶段几乎也是直线段（Ｃｉ大于１ ０００ µm ｏｌ／ｍｏｌ），光合速率基本上不再随胞间ＣＯ２浓度的增加而增加，表明它已达到了饱和水平。
当然，在饱和光下测得的光合速率总是明显高于有限光下的测定值。值得注意的是，不同光强下观测计算的Ｒｕｂｉｓｃｏ的羧化速率（Ｖｃ）、电子传递速率（Ｊ）和磷酸丙糖利用速率（ＴＰＵ）值差异很大（表２），只有在饱和光下得到的这些参数才是各自的最大值。这说明，必须在使光合作用饱和的饱和光下进行光合作用对ＣＯ２浓度响应的观测，因为非饱和光下的
观测会导致对叶片光合能力的低估。因此，在进行
６期陈根云等： 光合作用对光和二氧化碳响应的观测方法探讨 695
参 考 文 献
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图５ 两种测定光强下蚕豆叶片光合速率对ＣＯ２浓度变化的响应Ｆｉｇ．５ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｖｅｓ ｔｏ ＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓＢｅｆｏｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｄａｒｋ－ａｄａｐｔｅｄ ｌｅａｆ ｗａｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｔｏ ｐｈｏｔｏｓｙｎ－ｔｈｅｓｉｚｅ ｆｉｒｓｔ ａt 300 µmol photons m-2 s -1 (filled circle), then at 1 000µmol photons m-2 s -1 (open circle) for 1 h. The photosynthetic re-sponses to CO2 were observed at given light intensity, 350 µmol CO 2
/mol, and 20ºC.
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表２ 从不同光强 （ＰＰＦＤ）下蚕豆叶片光合作用对ＣＯ２响应观测资料计算得到的体内二磷酸核酮糖羧化酶（Ｒｕｂｉｓｃｏ）羧化速率（Ｖｃ）、电子传递速率（Ｊ）和磷酸丙糖利用速率（ＴＰＵ）
Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｒａｔｅｓ ｏｆ ＲｕＢＰ ｃａｒｂｏｘｙｌａｔｉｏｎ （Ｖｃ）， ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ（Ｊ） ａｎｄ ｔｒｉｏｓｅ－ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ （ＴＰＵ） ｉｎ ｖｉｖｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｒｏｍｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ＣＯ２ ｉｎ ｂｒｏａｄ ｂｅａｎ ｌｅａｆｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｔ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｐｈｏｔｏｎ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ（ＰＰＦＤ） ＰＰＦＤ（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１） ３００ １０００
Ｖｃ（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１） ２６ ３７
Ｊ ＴＰＵ（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１） ８５．５ １３８
（µm ｏｌ ｍ－２ ｓ－１） ７．０８ １７．９
２４４－２５３
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光合作用对ＣＯ２浓度响应的观测之前，必须通过实
验确知被测定叶片光合作用的饱和光强是多少。
ｌｅａｖｅｓ． Ａｃｔａ Ｐｈｙｔｏｐｈｙｓｉｏｌ Ｓｉｎ （植物生理学报） １３： １５４－１６０（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
696 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ ２００６， ３２ （６）： ６９１－６９６
Exploring the Observation Methods of Photosynthetic Responses to Light
and Carbon Dioxide
CHEN Gen-Yun *, YU Guan-Lu*, CHEN Yue, XU Da-Quan**
Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China
Abstract: Through observing the responses ofphotosynthesis in leaves of broad bean grown un-der natural conditions to light and CO2 using a por-table photosynthetic analyzer LI-6400, the follow-ing findings were obtained. (1) Observing the re-sponse of photosynthesis to light using a leaf with-out being induced by light might lead to an artifactthat photosynthesis was not saturated even underfull sunlight (Fig.1). (2) The calculated saturatinglight intensity of photosynthesis by some empiri-cal equations was much lower than actual valueobtained by observing (Fig.2). (3) During obser-vation of photosynthetic response to CO2, each stepof changing CO2 concentration should be accom-panied by a match step of the photosynthetic
analyzer, otherwise, there will be substantial de-viations in the results obtained (Figs.3,4; Table 1).(4) Observing photosynthetic response to CO2 atnon-saturating light might lead to an underestima-tion of leaf photosynthetic capacity (Fig.5; Table2).
Key words: net photosynthetic rate; photosynthetic capacity;photosynthetic induction; photosynthetic response; saturating lightintensity; broad bean
Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂａｓｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆＣｈｉｎａ （Ｎｏ． ２００５ＣＢ１２１１０６）．
＊ Ｔｈｅ ｔｗｏ ａｕｔｈｏｒｓ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｔｏ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ．
＊＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ （Ｅ－ｍａｉｌ： ｄｑｘｕ＠ｓｉｐｐｅ．ａｃ．ｃｎ； Ｔｅｌ： ８６－２１－５４９２４２３１）．