大气CO2浓度和气温升高对藜麦生长及碳氮代谢的影响

郝蕴彰 李 萍 宗毓铮 张东升 史鑫蕊 郝兴宇

（山西农业大学农学院，山西 太谷 030801）

藜麦（Chenopodium quinoaWilld）是藜科藜属植物，具有丰富的营养价值，被国际营养学家称为“营养黄金”、“超级谷物”、“未来食品”。藜麦是一种可满足人体所有营养需求的单体植物［1］，且具有耐旱、耐寒、耐贫瘠等特点［2］。目前，由人类活动导致CO2浓度升高和气温升高已成为不争的事实，在“典型浓度路径”（representative concentration pathways，RCPs）情节下，到21世纪末全球气温可能比1850—1900年超出1.5 ℃［3］，CO2浓度可达到850 µmol·mol-1（RCP6）［4］。CO2作为植物光合作用必需的原料，其浓度高低必然会影响植物的生长［5］。碳氮代谢是植物最基本的生理过程，可影响植物生长发育。温度作为影响植物光合作用的主要环境因素之一，在适宜的温度范围内增温会使植物叶片光合速率升高，超过适宜温度后则会影响植物的生长发育［6］。因此，研究CO2浓度和气温升高后藜麦的生长和碳氮代谢变化，对在未来气候变化背景下指导藜麦生产具有重要意义。

CO2浓度升高会对植物的生长发育及光合作用产生影响，但CO2浓度升高对C3和C4作物的影响不同。对于C3作物，CO2浓度升高能提升植物的光合速率，进而促进植物的生长发育。研究发现，CO2浓度升高不仅促进了辣椒生长，增加了株高、产量等，还增加了辣椒叶片净光合速率和水分利用效率及叶绿素和糖含量［7］。张凯等［8］研究表明，CO2浓度升高能使春小麦叶片光合能力增强。Sumit 等［9］研究表明，CO2浓度升高会使麻疯树光合作用增强，从而促进其生长，并且有利于淀粉、蔗糖的合成。对于C4作物，CO2浓度升高会使玉米、谷子等气孔导度降低，蒸腾速率下降，但使其水分利用效率升高，间接改善植物的水分状态，从而促进植物的光合作用和生长发育［10-11］。CO2浓度升高可提高C3作物藜麦的净光合速率和水分利用效率，从而增加藜麦产量［12］。

CO2浓度升高会对植物的碳氮代谢产生影响，研究发现，CO2浓度升高使玉米花后功能叶碳组分中的可溶性糖浓度及灌浆后期叶片碳氮比显著提高［13］。李曼等［14］研究表明，CO2浓度加倍显著提高了黄瓜叶片蔗糖、淀粉、还原糖含量及蔗糖合成酶（sucrose synthetase，SS）和硝酸还原酶（nitrate reductase，NR）活性，但谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）和谷氨酸合酶（glutamate synthase，GOGAT）活性并未显著增加。王军可［15］研究表明，温度升高使糖酵解关键酶己糖激酶和丙酮酸激酶活性及三羧酸循环关键酶α-酮戊二酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶活性显著下降。综上，目前大多数研究都是基于CO2浓度升高或温度升高的单因素影响试验，有关CO2浓度和温度升高复合条件对作物生长以及碳氮代谢影响的研究相对较少。因此本研究以藜麦为材料，在人工气候室开展CO2浓度和温度升高对藜麦生长及碳氮代谢影响的研究，旨在为未来气候变化下藜麦的生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试藜麦品种为稼祺100（山西稼祺农业科技有限公司培育），其生育时间大约为180 d左右。

1.2 试验设计

试验地位于山西省晋中市太谷区山西农业大学农学院试验基地（37.42°N，112.58°E）。在藜麦整个生长季内设置对照CK（CO2浓度和气温与室外测定值相同）、EC（CO2浓度为室外测定值+200 µmol·mol-1，气温与室外测定值相同）、ET（CO2浓度与室外测定值相同，气温为室外测定值+2 ℃）和ECT（CO2浓度为室外测定值+200 µmol·mol-1，气温为室外测定值+2 ℃）共4个处理。利用控制气室（铝合金框架玻璃结构，每个气室长8 m，宽3 m，高3.2 m，该系统由邯郸冀南新区盛炎电子科技有限公司设计）进行大气CO2浓度和温度控制，玻璃气室采用自然光，透光率为80%～90%。采用自动控制模块控制气温和CO2浓度，对照气室气温与室外温度一致，根据室内外气温差异，通过主控电脑控制大功率空调达到目标温度。控制系统通过气室内的CO2传感器采集室内的空气并测定其CO2浓度，并将此数据传输到主控电脑，按照控制程序控制各气室电磁阀的开闭，将各个气室的CO2浓度控制在目标浓度，室内安装环流风机，保证室内气温与CO2浓度均匀一致。藜麦于2021年4月15日在塑料桶中（直径37 cm，高34 cm，底部打孔）播种。供试土壤为褐潮土，pH 值8.5，有机质含量12.3 g·kg-1，全N 含量1.12 g·kg-1，每个处理种植6 桶，每桶1 穴，每穴3 粒，播种深度3 cm，施尿素和磷酸二铵各20 g·kg-1。藜麦出苗后每穴留苗1 株，桶底部留下3 个孔进行排水。播种后浇水1 L 以保证藜麦可以发芽，苗期每周浇水1 L，在藜麦生长发育时期每3～5 d浇水2 L，以确保没有干旱胁迫，种植期间无病虫害干扰，于2021年10月20日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 形态指标的测定 在藜麦完全成熟后，在2021年10月20日将气室内藜麦地上部分收获后进行风干考种。对所有藜麦的株高、茎粗、主穗长、分枝数、有效分枝数、单株干重、穗重、粒重、粒数等进行测量。

1.3.2 光合作用指标的测定 于灌浆期（8月10日，晴天）9∶00—11∶30 随机选取3 株生长均一的植株，利用Li-6400XT 便携式气体交换系统（美国Li-COR 公司）测定植株主茎倒数第一片功能叶片的光合参数，测定时各处理叶室光合有效辐射（photosynthetic active radiation，PAR）设为1 600 µmol·m-2·s-1，流速设为500µmol·s-1，参比室CO2浓度依气室情况设定（CK 和ET处理的参比室CO2浓度设定与室外CO2浓度一致，EC和ECT 处理的参比室CO2浓度设定为室外CO2浓度+200 µmol·mol-1），叶室温度依气室情况设定（CK 和EC 处理的叶室温度稳定在26±0.5 ℃，ET 和ECT 处理的叶室温度稳定在28±0.5 ℃），待系统预热稳定后（约20～30 min）选择完全展开的倒2 叶，测定净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、气孔导度（stomatal conductance，Gs）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr），并按以下公式计算叶片水分利用效率（water use efficiency，WUE）［13］：

WUE=Pn/Tr。

1.3.3 碳代谢相关指标的测定 在藜麦灌浆期（2021年8月10日），每个处理分别选择长势相同且完全展开的叶片取样，放入液氮后带回实验室-80 ℃超低温冰箱中保存，用于后续生理指标测定。可溶性糖和淀粉含量采用蒽铜比色法测定［16］。蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS）活性采用郭茜茜［17］的方法进行测定。叶绿素含量用95%的乙醇提取，再用分光光度计（上海仪电分析仪器有限公司）分别在波长645、663 和652 nm 下测定吸光度值，光合色素采用95%的无水乙醇浸提法进行测定［16］。

1.3.4 能量代谢相关指标的测定 丙酮酸激酶、α-

酮戊二酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶活性采用北京索莱宝公司试剂盒进行测定，3次重复。

1.3.5 氮代谢相关指标的测定 硝酸还原酶活性采用离体法进行测定，谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶活性采用北京索莱宝公司试剂盒进行测定，3次重复。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 对所有试验数据进行整理和图表绘制。运用SPSS 23 软件单因素ANOVA 和Duncan 法进行方差分析和多重比较（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 大气CO2浓度和气温升高对藜麦生物量的影响

由表1、2 可知，CO2浓度升高（EC）使藜麦的株高、茎直径、分枝数、有效分枝数、地上部分生物量、单株粒重、单株粒数较CK 分别显著增加了8.12%、18.46%、17.39%、33.33%、50.14%、38.20%、54.13%。温度升高（ET）使藜麦的茎直径、穗长、单株穗重、单株粒重、单株粒数分别较CK降低了20.48%、15.90%、65.08%、75.73%、74.42%。升温和CO2浓度升高复合处理（ECT）使藜麦的株高、分枝数、有效分枝数、地上部生物量分别较CK 增加了10.60%、26.09%、27.78%、

表1 大气CO2浓度和气温升高对藜麦形态指标的影响Table 1 Effects of elevated CO2 concentration and increased air temperature on the growth of quinoa

42.56%。

表2 大气CO2浓度和气温升高对藜麦生物量和产量构成的影响Table 2 Effects of elevated CO2 concentration and increased air temperature on the biomass and yield components of quinoa

2.2 大气CO2浓度和气温升高对藜麦光合作用的影响

由图1 可知，CO2浓度升高（EC）处理下的藜麦净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率分别较CK 显著增加了60.56%、99.12%、92.96%、23.14%。与CK 相比，温度升高（ET）处理下的藜麦气孔导度、蒸腾速率分别增加了72.69%、54.55%，但水分利用效率下降了9.57%。在升温和CO2浓度升高复合处理（ECT）下，藜麦净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率分别较CK 显著增加了49.31%、72.27%、74.72%、10.16%。综上，CO2浓度升高减缓了干旱胁迫对藜麦光合作用的不利影响。

图1 大气CO2浓度和气温升高对藜麦气体交换参数的影响Fig.1 Effects of elevated CO2 concentration and increased air temperature on gas exchange parameters of quinoa

由表3 可知，CO2浓度升高（EC）处理下，藜麦叶片的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素含量分别较CK 显著增加了24.76%、33.33%、14.29%、24.79%。温度升高（ET）处理下藜麦叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量分别较CK显著降低了33.33%、33.33%、35.71%。升温和CO2浓度升高复合处理（ECT）下的藜麦叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量与CK无显著差异。

表3 大气CO2浓度和气温升高对藜麦叶片光合色素含量的影响Table 3 Effects of elevated CO2 concentration and increased air temperature on photosynthetic pigment content of quinoa of leaf leaves/(mg·g-1)

2.3 大气CO2浓度和气温升高对藜麦碳代谢的影响

2.3.1 对可溶性糖含量的影响 可溶性糖包括绝大部分的单糖、寡糖，可以在植物体内作为能量储存、转移的介质。由图2 可知，CO2浓度升高（EC）、CO2浓度升高和温度升高复合处理（ECT）的可溶性糖含量较CK无显著差异。升温处理（ET）使可溶性糖含量较CK显著降低48.78%。

图2 大气CO2浓度和气温升高对藜麦叶片可溶性糖含量的影响Fig.2 Effects of elevated CO2 concentration and increased air temperature on soluble sugar content of quinoa leaves

2.3.2 对蔗糖转运的影响 蔗糖是光合作用的主要产物，蔗糖合成酶的作用是催化蔗糖生成果糖和二磷酸尿苷葡糖（uridine diphosphate glucose，UDPG），UDPG 可作为合成淀粉的糖基供体。蔗糖磷酸合成酶催化蔗糖合成，是蔗糖代谢的关键酶之一。由图3可知，与CK 相比，CO2浓度升高和温度升高（ECT）复合处理下蔗糖含量显著升高了365.71%，而其他处理与对照无显著差异；CO2浓度升高（EC）处理使蔗糖合成酶活性显著升高了73.27%，而升高温度（ET）与CO2浓度升高和温度升高复合处理（ECT）使蔗糖合成酶活性显著下降了24.53%、38.36%；CO2浓度升高（EC）、温度升高（ET）与CO2浓度升高和温度升高复合处理（ECT）使蔗糖磷酸合成酶活性显著下降了44.35%、58.52%、57.70%。

图3 大气CO2 浓度和气温升高对藜麦叶片蔗糖转运的影响Fig.3 Effects of elevated CO2 concentration and increased air temperature on sucrose transport of quinoa leaves

2.3.3 对淀粉含量的影响 由图4 可知，与CK 相比，温度升高（ET）处理下淀粉含量显著下降了55.84%，而CO2浓度升高（EC）与CO2浓度升高和温度升高复合处理（ECT）淀粉含量分别显著增加了58.01%、87.94%。

图4 大气CO2浓度和气温升高对藜麦叶片淀粉含量的影响Fig.4 Effects of elevated CO2 concentration and increased air temperature on starch content of quinoa leaves

2.4 大气CO2浓度和气温升高对藜麦糖酵解及三羧酸循环关键酶的影响

糖酵解和三羧酸循环是主要的产能过程，其产生的ATP 用于淀粉的合成。由图5 可知，CO2浓度升高（EC）与CO2浓度升高和温度升高复合处理（ECT）分别使藜麦丙酮酸激酶活性较CK 显著升高了217.86%、220.22%，而温度升高（ET）处理与CK无显著差异。与CK 相比，EC、ET 和ECT 处理均使α-酮戊二酸脱氢酶活性显著升高，其中ET处理最高；ECT处理使琥珀酸脱氢酶活性显著升高，而EC、ET处理与CK无显著差异。

图5 大气CO2浓度和气温升高对藜麦糖酵解及三羧酸循环关键酶活性的影响Fig.5 Effects of elevated CO2 concentration and increased air temperature on key enzymes in glycolysis and tricarboxylic acid cycle of quinoa leaves

2.5 大气CO2浓度和气温升高对藜麦氮代谢的影响

硝酸还原酶、谷氨酸合成酶是氮素同化过程的关键酶。由图6 可知，与CK 相比，CO2浓度升高（EC）、温度升高（ET）与CO2浓度升高和温度升高复合处理（ECT）均使谷氨酸合成酶活性显著降低，分别降低了55.13%、69.41%、66.21%；EC、ET 和ECT 处理均使硝酸还原酶活性升高，其中ECT最高，显著增加了77.13%。

图6 大气CO2浓度和气温升高对藜麦叶片硝酸还原酶、谷氨酸合成酶活性的影响Fig.6 Effects of elevated CO2 concentration and increased air temperature on nitrate reductase and glutamate synthase activity of quinoa leaves

3 讨论

3.1 大气CO2浓度和气温升高对藜麦光合生理与叶绿素含量的影响

光合色素是植物进行光合作用的基础，叶绿素含量的高低直接反映了植物叶片的光合特性［18］。前人研究发现，大气CO2浓度升高使大豆叶片的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著增加［19］。本研究同样发现，CO2浓度升高使藜麦叶片的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素含量升高，净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、气孔导度显著增加，与叶绿素含量的变化趋势一致。大量研究表明，随着CO2浓度升高，净光合速率（Pn）会缓慢升高，到达CO2饱和点时趋于稳定，CO2浓度升高会使植物的气孔导度下降并使水分利用效率增加［20-21］。本研究中，CO2浓度升高增加了藜麦的水分利用效率，这与前人研究结果一致［12］。但CO2浓度升高使气孔导度升高这一结果与前人在糜子［22］和树豆［23］中的研究结果不同。推测是由于CO2浓度升高时，保卫细胞信号传递模式发生改变，但需要进一步研究。此外，本研究中温度升高使藜麦叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量显著降低，这与李娜等［24］的研究结果一致。但温度升高使藜麦的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率增加，水分利用效率下降，原因可能是藜麦为耐干旱作物，温度升高提高了藜麦对光的适应能力从而使其净光合速率增加，并使气孔打开进而增加了蒸腾速率。CO2浓度升高和温度升高复合处理使藜麦的净光合速率较对照显著增加，且增加幅度高于温度升高单独处理；同时CO2浓度升高和温度升高复合处理的水分利用效率高于温度升高单独处理，这与刘昭霖等［25］和徐辉等［26］的研究结果一致。

3.2 大气CO2 浓度和气温升高对藜麦碳氮代谢的影响

碳氮代谢是植物最基本的两个过程，可影响植物的生长发育［24］。可溶性糖是植物光合作用的直接产物，也是淀粉合成的底物，在碳代谢中起着非常重要的作用［27-28］。本研究发现，升高温度使藜麦可溶性糖和淀粉含量较对照显著降低，说明温度升高对藜麦的物质代谢产生了影响。CO2浓度升高与升温和CO2浓度升高复合处理均使藜麦叶片淀粉含量显著增加，说明CO2浓度升高会促进叶片淀粉的合成，并且会减缓由温度升高所造成的负面影响。哈蓉［29］研究表明，CO2浓度升高会使光合产物积累增多，叶片蔗糖含量和蔗糖代谢酶活性增加。蔗糖是植物中光合碳同化物运输的主要形式［30］，蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合酶是蔗糖合成的关键酶［31-32］。本研究发现，CO2浓度升高和温度升高复合处理使蔗糖含量较对照显著升高，而其他处理则无显著差异，CO2浓度升高处理使蔗糖合成酶的活性显著升高，但蔗糖磷酸合成酶活性下降。说明CO2浓度升高会使蔗糖磷酸合成酶活性降低从而导致蔗糖含量降低。此外，温度升高会使蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性下降，从而使蔗糖合成和利用受阻，蔗糖含量无显著变化。升温和CO2浓度升高复合处理使藜麦叶片蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性下降，但蔗糖含量升高，原因有待进一步深入研究。

糖酵解与三羧酸循环是植物能量合成的两个主要途径［33］。本研究发现，CO2浓度升高使糖酵解关键酶丙酮酸激酶活性显著增加，温度升高时其活性无显著变化，而升温和CO2浓度升高复合处理同样使其活性显著增加，由此说明CO2浓度对丙酮酸激酶的活性影响较大。对三羧酸循环关键酶研究发现，CO2浓度升高使α-酮戊二酸脱氢酶活性增加，会增强藜麦叶片三羧酸循环，这与前人研究结果一致［34］。氮代谢方面，三个处理均使谷氨酸合成酶活性降低，或对谷氨酸合成不利，而谷氨酸又是合成蛋白质的前体，由此推测气候变化可能会影响藜麦蛋白质合成。硝酸还原酶是植物进行N 同化的关键酶［35］。喻尚其等［36］在玻璃罩内模拟CO2浓度升高试验发现，幼苗期水稻体内的硝酸还原酶活性随着大气CO2浓度的增加而增加。本研究同样发现，CO2浓度升高使硝酸还原酶活性提高，这与前人研究结果一致［37］，说明CO2浓度升高有利于藜麦氮素同化。

3.3 大气CO2浓度和气温升高对藜麦生物量和产量的影响

大气CO2浓度升高能促进植物生长发育，使植物地上部分的生物量增加［35］。本研究发现，CO2浓度升高会使藜麦光合作用增强，并使藜麦的糖酵解和三羧酸循环途径产生更多的能量，从而使可溶性糖和蔗糖含量提高，有利于藜麦的产量和生物量增加。此外，CO2浓度升高处理使藜麦的株高、茎直径、分枝数、有效分枝数、地上部生物量、单株粒重、单株粒数均显著增加，这与前人研究结果一致［38］。温度升高使作物生育时期缩短，从而导致作物干物质量减少［39］。本研究温度升高处理显著降低了藜麦的茎直径、穗长、单株穗重、粒重、粒数，原因可能是温度升高影响了藜麦的水分吸收，并且使藜麦的糖类合成受到影响，进而影响了能量供应，最终导致藜麦的生物量和产量下降。而升温和CO2浓度升高复合处理显著增加了藜麦的株高、分枝数、有效分枝数、地上部生物量，表明CO2浓度升高可以缓解温度升高对作物的负面影响。

4 结论

CO2浓度升高提高了藜麦叶片的光合速率和光合色素含量，从而提高叶片的光合能力；并且加强了藜麦叶糖酵解与三羧酸循环代谢途径，从而使藜麦的生物量和产量增加。温度升高降低了叶片光合色素含量，影响藜麦叶片的光合作用，使藜麦的水分利用效率下降；并使可溶性糖含量降低，进而影响蔗糖的合成与分解；同时导致糖酵解关键酶活性降低和三羧酸循环代谢紊乱，从而使其能量代谢紊乱，最终导致藜麦的生物量和产量下降。CO2浓度升高会减缓温度升高对藜麦生物量和产量造成的不利影响，并促进碳代谢，有利于氮素同化。