植物碳同位素分馏在水分利用效率研究中的应用

史芮林，张庆芬，李 铭，李全起，张明明

（山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

0 引言

有限的水资源制约着作物产量的增加和粮食的生产安全，所以水资源的利用和分配直接影响着农业可持续发展[1-2]。如何提高植物对水分的高效利用是当前农业研究的一个重要方面，并能够作为植物抗旱性育种选择的重要指标。植物的水分利用效率(WUE)在3个不同水平上划分为叶片WUE、群体WUE和产量WUE[3]。理论上，植物群体水平WUE就是植物累计一段时期的干物质积累量与作物耗水量的比值，测算需要在大田试验中进行，工作复杂繁琐，而且作物蒸腾和地面蒸发很难分辨，因此计算出来的WUE不够准确；而叶片水平上WUE，是运用光合测定仪测出来光合速率(Pn)与蒸腾速率(Tr)的比值，只能表示某一叶片某一瞬时的WUE，不能代表作物整个生育期的WUE[4-5]。所以作物WUE测量的常规传统方法有许多不足，寻求准确性高、快速简便的WUE测定技术至关重要。

Nier等[6]通过研究发现植物在进行光合作用时优先吸收12C，排斥13C，因此CO2在通过光合作用形成植物组织的过程中会发生碳同位素分馏。植物碳同位素分馏特征取决于植物进行的光合途经和气候因子与生态环境，因此，有可能将稳定碳同位素技术应用到植物WUE的研究中[7]。本研究综述国内外运用稳定碳同位素分馏在植物WUE研究中的进展，可为促进国内运用稳定碳同位素提高WUE和育种选择提供理论依据。

1 稳定碳同位素的基本理论

1.1 稳定碳同位素的基本原理

经研究人员发现[8]，碳同位素在自然界中有15种存在形式，稳定碳同位素分别是12C、13C，其他碳同位素均有放射性。另外在所有的稳定碳同位素中，12C自然丰度最大，为98.89%，13C自然丰度为1.11%。同位素分馏是由于某元素同位素在参与生化反应和物理反应等过程中，原子或分子重新分配导致反应前后同位素含量的差异[7]。分馏主要分为动力学同位素分馏和热力学同位素分馏这两大类，与化学成分及化学成分变化、温度压力、溶液性质等因素相关，产生同位素分馏的各种作用称为同位素分馏效应[9]。同位素的分馏程度一般用α分馏系数来表示，见公式(1)。

其中RA与RB分别是反应物和生成物的重轻碳同位素丰度之比(13C/12C)[4]。

由于13C/12C数值很低不便于相互比较、冗长复杂且极难测准，所以通常采用样品的稳定碳同位素丰度比(RY)相对于国际标准物质(PDB)稳定碳同位素丰度比(RB)的碳同位素比率(δ13C)来表示碳同位素含量[10]，计算见公式(2)、(3)。

公式(2)和(3)中：Δ13C为碳同位素分辨率，δs为样品中的δ13C值，δa为空气中CO2的δ13C值(-8‰)[4,11]。

1.2 植物稳定碳同位素的分馏

植物组织中13C/12C值在生长过程中不断变化，且大气CO2中的13C/12C值普遍高于植物组织的[12]。13C/12C值的变化包含了碳循环在参与作物生长整个过程中的大量信息，阐明了碳同位素分馏是植物通过光合作用固定大气中CO2在形成自身组织过程中产生的，而分馏的大小与气候因子、作物品种及其光合作用途径等因素密切相关[13-15]。

C4、CAM和C3物种的光合作用途径各不相同，因此具有不同的分馏能力，δ13C值也不相同。C4植物的Ci/Ca与δ13C值之间的关系相对于C3植物而言会减弱一些[12,16]，因为C4植物中含有维管束鞘细胞会使向植物体内循环的CO2泄露出来重新进入叶肉细胞当中，正是因为维管束鞘CO2泄漏和不同光合羧化酶对CO2的同化过程，导致C4植物的碳同位素分馏作用更加复杂，但是对生长环境和生理特性的影响较小[17-19]。公式(4)和(5)分别为C3和C4植物光合作用过程中分馏模式的公式[20]。

式中[17,20-21]：δ13Cp和δ13Ca分别为植物叶片细胞内和空气中CO2的δ13C值；Ci/Ca为叶片胞内外CO2浓度之比；a为经气孔产生的不同扩散系数(4.4‰)；f为CO2从叶肉细胞渗漏到维管束鞘细胞的比率（一般为0.20～0.37）；b为C3和C4植物中二磷酸核酮糖(RuBP)羧化酶羧化过程中碳同位素分馏程度(27‰)，b0为C4植物中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶羧化过程中碳同位素分馏程度(-5.7‰)。

2 稳定碳同位素在水分利用效率研究中的进展

2.1 稳定碳同位素与水分利用效率的关系

Farquha等[21]在研究中首次发现了C3植物叶片Δ13C值与Ci/Ca具有相关性，根据植物叶片Ci/Ca与植物WUE、Pn和气孔导度(Gs)比值关系，得出方程式(6)～(8)。

式中[20-21]：1.6为水汽和CO2在空气中的扩散速率比率；Δe为叶片内外水气压差。

根据方程(4)、(5)、(8)可以得出C3和C4植物WUE与δ13C和Δ13C的关系，得出方程式(9)和(10)[7]。

从方程式(4)、(9)、(10)得出 δ13C值可以作为反映C3植物Ci/Ca值和WUE的一种手段，而且WUE与Ci和Ca有非常紧密的联系。C4植物由于CO2的固定机理繁琐，导致碳同位素分馏比较复杂，有研究表明[17]在不同胁迫处理下维管束鞘细胞泄漏(f)具有不稳定性。Ellsworth[12]等通过研究表明，植物叶片的δ13C值也能够很好的指示C4植物的WUE。

2.2 植物碳同位素分馏与水分利用效率的关系

2.2.1 不同器官部位对δ13C与水分利用效率的影响 通过测定植物不同部位器官的δ13C值能够反应出不同时间尺度累计的WUE，而且植物一方面在进行光合作用过程中固定碳，一方面进行蒸腾作用消耗水分，由光合产物转化为其他产物的过程中会产生碳同位素分馏[22-23]；另外，由于植物不同部位器官具有不同化学组成成分也会引起碳同位素分馏，导致植物不同部位器官的 δ13C 值有差异[24]。在小麦[23]、花生[25]、甘薯[26]等植物研究中得到相同结论，表明了不同器官δ13C的值不同，比如作物的籽粒和根比叶片和茎更容易吸收13C，其原因是籽粒和根系属于库器官，CO2通过光合作用形成碳水化合物从源到库的运输过程中可能发生了碳同位素分馏。

2.2.2 气候因子对δ13C和水分利用效率的影响 在局域上，植物分布随着海拔升高以及季节变化，植物的δ13C值和WUE也会随之变化，有研究表明旱季植物叶片的δ13C值和WUE均显著高于雨季[27]。哈丽古丽·艾尼等[28]研究了新疆南北疆8种不同生境林龄群体胡杨叶片的δ13C值，结果表明随纬度升高，林叶片δ13C值呈增大趋势，且与WUE呈正相关性。植物分布研究发现，C3植物对13C的分馏能力较强，其δ13C值一般在-23‰～35‰，C4植物的δ13C值一般在-9‰～-19‰[20]，根据测定青藏高原植物δ13C值的变化范围，这一变化可能与纬度升高所带来的温度有关，分辨出C3植物主要分布在高纬度地区[29]，C4植物主要分布在低纬度地区[30]，因此得出温度可能是分辨C3、C4植物分布的一个主要因素[31]。光照强度和时间是植物进行光合作用的一个重要限制因子，黄甫昭等[32]通过对喀斯特季节性雨林同一树种不同生境下叶片δ13C值及WUE的研究，表明同一树种δ13C值和WUE也是从洼地到山顶逐渐增大，因为随着植物地理位置的升高，日照时间长、光照强度高以及土壤覆盖度的降低增加了光照面。也有研究表明植物阳生叶和林冠上层叶的δ13C值和WUE分别比阴生叶和下层叶高，并且植物叶片日内WUE上午略大于下午，这是由于光照强度增强加大叶片水分的消耗，降低叶片细胞内的CO2浓度，使植物δ13C值增大[33]。

2.2.3 水分条件对δ13C和水分利用效率的影响 在干旱及半干旱地区，水分条件是农业生产的主要限制因素之一。任书杰等[34]通过对整个中国区域尺度上C3植物WUE的研究表明，植物WUE和δ13C值随降雨量增加呈降低趋势，具有显著的负相关性。这是因为降水量增加会增强植物叶片对13C和12C的辨别，加大了对13C的排斥，导致δ13C值降低，两者间的关系与Stewart等[35]和Damesin等[36]的研究结论一致。但是也有研究表明植物的δ13C值与降水量成正相关或者反应不敏感[37-38]。因此水分条件的不同会导致植物对水分的有效利用以及对光合反应的效应不同[39]。另外也有研究表明[35,38,40]，长期处于水分缺失状态，植物的Gs会减小开度，Ci与Ca的比值减小，增大了植物的δ13C值。研究表明，中国农作物夏玉米[41]、小麦[24]，甘薯[26]等在适当和中度水分胁迫条件下植物叶片的δ13C值均呈现出了一种趋势，即随着水分胁迫程度的加大而升高，但是在重度水分胁迫条件下却出现了另一种现象，即植物叶片的δ13C值显著低于适当和中度水分胁迫条件下的δ13C值。这可能是因为重度水分胁迫加大了叶片气孔的开度或减弱了叶片的Pn[42-44]，使得Ci/Ca升高，导致叶片δ13C值降低，这与已有研究结果相一致[45-46]。可见，降雨量、光照强度和时长以及土壤水分都对植物δ13C值和WUE产生显著影响。

2.3 稳定碳同位素与植物抗旱节水育种的关系

植物WUE作为综合评价植物生长的一项指标，是一个可遗传的性状，也能够通过育种在抗旱方面体现出来。尽管有许多常规测定WUE的方法，但在大规模育种应用中受到限制，通过对δ13C值的分析，了解植物抗旱性及WUE，为植物的抗旱育种提供理论依据。

20世纪80年代，Farquha等[21]在针对小麦不同基因型的研究中首次证实，碳同位素分辨率Δ13C与叶片胞间CO2浓度呈现了相关现象，低Δ13C可以反映出高抗旱性和高WUE。随后国外许多学者利用稳定碳同位素技术对多种农作物[25,47-48]的WUE进行了相关研究，其优势是取样和测定时候不受空间和时间限制，测定值更为精确，他们认为δ13C和Δ13C可以作为C3植物WUE的抗旱育种指标。雍立华等[48]和Saranga等[49]分别对小麦和棉花两种作物抗旱性以及WUE进行研究发现δ13C值与WUE相关性较差。其原因为气候条件、环境因子以及作物的管理措施等对碳同位素分馏都有一定影响，会引起δ13C值的变化，故有研究表明δ13C与WUE[9,50-51]没有相关性或者呈负相关。目前中国对于碳同位素技术与WUE和抗旱性的应用主要集中于农作物方面。李树华等[52]对小麦、薛慧勤等[53]对花生的研究表明，作物的高WUE和产量可以用低Δ13C值来反映。与甘薯[26]、夏玉米[41,54]和甘蔗[55]等植物的试验结果也基本一致。对作物抗旱性评价的指标有很多[21-22]，比如胚芽鞘长度、Gs、Tr等指标与Δ13C呈正相关的研究较多。董建立等[56]通过对作物Δ13C与抗旱性的研究表明，作物的Δ13C与叶绿素含量具有正相关关系，为叶绿素含量作为抗旱评价指标提供了理论依据，因此δ13C、Δ13C可用作指示植物高WUE和选育抗旱品种的指标[21,57]。显然国内外学者已在稳定碳同位素技术方面开展了大量研究和分析，随着当前对培育更多节水作物的关注，以及干旱的预期增加，稳定碳同位素技术将继续在农业选育节水抗旱品种中发挥重要作用[58]。

3 展望

稳定碳同位素技术在测定植物WUE方面的优势为取样和测定不受空间和时间限制、测定值更为精确，并能消除常规测定WUE方法的局限性。利用该技术选育节水、抗旱、稳产作物品种深受当前广大研究者的青睐，但在水分关系研究应用中还存在一些问题需要进一步解决。在今后的研究中应该联合多种同位素技术以及完善相对应的同位素分析模型，在多尺度不同水平上进行WUE测定，减少分析结果的误差。进一步阐明植物气体交换模式、碳同位素分馏模式与WUE的关系，还要兼顾高产这一因素，确定δ13C或Δ13C指标与综合产量性状的相关参数。生态环境和遗传特性均对稳定碳同位素分馏有一定影响，应综合分析环境与基因型互作对碳同位素分馏的影响。碳同位素测定需要较高的成本、测样需要精密的操作以减少误差，有必要寻找代替Δ13C和δ13C确定不同物种的指标以降低成本。相信随着植物碳同位素分馏模式的精准化和理论模型的完善化，稳定同位素技术将在生态学、植物生理学、农学等研究领域方面具有重要的进展。