综述：气候变化下提高C4植物内在水分利用效率的机遇

《New Phytologist》：Opportunities for improving intrinsic water use efficiency in C4 plants under climate change

这篇综述系统探讨了在气候变化背景下提升C4作物内在水分利用效率（iWUE）的生理与育种策略。文章深入分析了C4光合作用（C4 photosynthesis）的高效性源于其碳浓缩机制（CCM），使其在低胞间CO2浓度（Ci）和低气孔导度（gs）下仍能维持高光合速率（A），从而具备高iWUE（A/gs）。面对未来高温、干旱及大气CO2浓度升高的压力，综述指出通过优化气孔行为（如调节气孔密度SD、气孔大小SS及动力学）、叶片形态（如减小叶宽LW以改善边界层导度gbl和能量平衡）以及关键生化过程（如增强PEPC、RuBisCO活性并减少维管束鞘泄漏度φ），是平衡碳获取与水分损失、培育气候韧性作物的关键。文章还强调了整合高通量表型（如遥感、碳同位素δ13C分析）与基因组选择（GS）等前沿技术的重要性。

　　

I. 引言

C₄光合作用在开花植物谱系中独立演化超过60次，尤其在禾本科植物中。凭借其碳浓缩机制，C₄作物能够在相对较低的胞间CO₂浓度和较低的气孔导度下实现高光合速率。水分利用效率可在多个生物学尺度上概念化。在叶片水平，内在水分利用效率定义为净CO₂同化速率与气孔导度的比值，能更好地反映气孔行为和光合能力。C₄植物固有的高iWUE体现了其在低g_s条件下高效同化CO₂的特性。

然而，C₄植物并不能免受人为气候变化的影响。气温上升、热浪以及降水模式改变加剧了水资源短缺。全球气温升高可能超过许多C₄物种光合作用的最适范围，潜在地阻碍生长和产量。更频繁的干旱和增加的水汽压亏缺威胁着C₄作物的节水优势。

尽管大气CO₂浓度升高由于RuBisCO饱和而对C₄光合作用几乎没有直接影响，但它可以通过降低g_s间接提高iWUE。在高VPD、极端干旱和温度变异性增加的条件下，提高iWUE对于减轻生产力损失仍然至关重要。

II. C₄光合作用的演化与生理学

C₄光合作用的起源与扩张可追溯到渐新世，当时气候干燥化及大气CO₂浓度急剧下降的环境压力促进了C₄途径从祖先C₃途径演化而来。如今，C₄物种虽仅占陆地植物物种的约3%，但由于其在温暖、低CO₂和干旱条件下的高光合效率，贡献了全球约19.5%的陆地光合作用。这类群包括许多世界最高产的作物，如玉米、甘蔗、高粱等。

在驯化过程中，作物性状通常向有利于栽培的方向选择，例如更大的种子、减少的落粒性等。这些性状常与快速生长、资源获取表型相关，但也可能伴随胁迫恢复力降低。许多C₄作物的叶片表现出低气孔密度，这使得气孔密度的变异对g_s的影响比气孔大小的变异更为显著。

C₄叶片解剖结构与Kranz结构是其高效性的基础。关键演化步骤包括脉管密度增加、维管束鞘细胞增大、叶肉细胞围绕富含RuBisCO的维管束鞘细胞排列形成Kranz结构等。这些变化减少了光呼吸，并增强了低Ci和气孔关闭（如水分和热胁迫下）条件下的性能。高效的运输系统，如叶肉细胞和维管束鞘细胞间的胞间连丝，促进了C₄酸的移动。

碳浓缩机制是C₄光合作用的核心。大气CO₂扩散进入叶肉细胞，经碳酸酐酶转化为碳酸氢盐，随后由PEPC固定为草酰乙酸，并转运至维管束鞘细胞。在此，亚型特异性的脱羧酶释放CO₂，再由RuBisCO固定。这种机制通过两种关键方式最小化光呼吸：PEPC对碳酸氢盐的亲和力高于RuBisCO对CO₂的亲和力且不受O₂影响；维管束鞘的低气体渗透性确保了CO₂浓度的升高。

III. 气候变化下C₄光合作用的限制因素

在气候变化下，C₄作物面临一系列扩散性和生化限制因素的复杂相互作用。

扩散性限制

气孔导度是RuBisCO活性之后最大的扩散性限制。虽然在CCM作用下，C₄植物能在低g_s下高效运行，但在干旱或高VPD条件下g_s的进一步降低会减少Ci，限制A并削弱生产力。这产生了一个权衡：通过低g_s节水提高了iWUE，但可能限制CO₂扩散。

维管束鞘导度和泄漏度是另一个重要限制。泄漏度增加了每固定碳的ATP成本，降低了C₄循环的能效。g_bs是温度依赖性的，在高温下其下降会减少向RuBisCO的CO₂输送。

叶肉导度曾被认为在C₄植物中可忽略不计，但近期研究表明其在温度和干旱胁迫下会下降，成为一个显著限制。胁迫引起的叶肉细胞结构变化（如细胞壁增厚）和脱水导致的水孔蛋白活性降低是主要原因。

边界层导度在特定微环境下变得重要，尤其是在密集冠层或静风炎热环境中。较宽的叶片会产生较厚的边界层，阻碍对流热和CO₂交换，常迫使气孔保持开放以维持冷却，从而降低iWUE。

生化限制

RuBisCO活性是主要的生化瓶颈。高温会降低RuBisCO的活化状态、羧化效率及催化周转速率，使其成为未来气候下的关键脆弱点。干旱条件下，RuBisCO含量和活化状态也会因氮素再动员和氧化胁迫而下降。

PEPC催化叶肉细胞中HCO₃^?的初始固定，为C₄循环提供底物。虽然比RuBisCO更具热稳定性，但PEPC也对环境胁迫敏感。温度和光通过翻译后磷酸化正向调节PEPC。

碳酸酐酶在叶肉细胞质中将CO₂快速转化为HCO₃^?，为PEPC提供底物。虽然在热或脱水条件下其蛋白稳定性和表达可能下降，成为潜在限制，但通常含量丰富且作用迅速。

光照下的呼吸作用涉及叶肉和维管束鞘线粒体。尽管C₄植物能重新固定大部分呼吸释放的CO₂，减少碳损失，但高温和胁迫可能增加呼吸需求或损害与光合作用的协调。

IV. 气候变化下的气孔导度与叶片性状

气孔导度直接决定iWUE。在日益加剧的气候胁迫下，优化g_s对于平衡生产力与节水至关重要。

气孔导度与解剖控制

气孔密度、气孔大小和气孔分布模式是g_s的解剖学决定因素。通常，具有较高气孔密度和较小气孔大小的叶片表现出较高的g_s。在C₄物种中，降低g_s的策略（如较低的气孔密度或较大的气孔大小）可以在不显著损害碳同化的情况下提高iWUE。

C₄禾本科植物的哑铃形保卫细胞及其附属细胞结构提供了机械优势，使保卫细胞能够快速改变孔大小。这些附属细胞还作为离子库，促进保卫细胞的膨压变化。尽管具有这种解剖结构，C₄禾本科植物的g_s始终低于C₃对应物种，这表明可能存在专门的信令机制来维持气孔限制。

脉管密度和脉间距离影响气孔分布和气体交换能力。减少脉间距离会增加气孔密度和脉管密度，增强气孔与木质部之间的水力连通性。这种更紧密的整合提高了气孔对环境内部线索响应的速度和灵敏度。

气孔动力学与C₄光合作用

气孔动力学，即气孔对环境条件变化的响应方式，在C₄物种中了解较少。气孔开度的变化是由离子和溶质跨保卫细胞膜的运输驱动的。为了优化iWUE，气孔必须对光或VPD的变化做出快速响应。

研究表明，在C₄禾本科植物中，气孔动力学更依赖于生化分子调控而非解剖性状 alone。快速的气孔运动需要离子通道、糖转运蛋白和水孔蛋白的协调活动。增强气孔动力学是提高iWUE的一条有前途的途径，特别是在高VPD或间歇性干旱条件下，更快的气孔关闭可以防止不必要的水分流失，而不会大大损害光合作用。

叶宽作为iWUE的整合性状

叶宽已成为C₄禾本科植物中与iWUE密切相关的整合形态性状，是作物育种可靠的遗传决定因素。较宽的叶片通常具有较厚的边界层和较大的热获取表面积，增加了通过蒸腾冷却维持热稳态的需求。这导致气孔导度增加，从而降低iWUE。

相反，较窄的叶片具有较小的细胞但较高的气孔和脉管密度，缩短了蒸发部位与气孔之间的距离。这导致水分在叶片水力网络中分布更均匀，气孔开度更小，g_s更低。改善的水合作用意味着窄叶在水分充足条件下需要较少的蒸发冷却。

叶宽还可能通过其对细胞壁厚度和叶绿体定位的影响来影响叶肉导度。选择窄叶基因型可能在冠层水平增强iWUE，特别是在对高g_s和边界层效应更敏感的NADP-ME和PEP-CK C₄亚型中。

V. 将C₄作物的iWUE提升至植株水平水分利用效率

植株水平水分利用效率通过方程与产量相关联。提高iWUE常被建议作为增强干旱条件下作物性能的策略，但其对产量的益处仍不确定。iWUE的增加通常源于g_s的降低而非光合速率的提高，这可能限制碳同化。

WUE_p受生理和农艺性状组合的影响。虽然iWUE常被用作WUE_p的代理指标，但它们的关系受到作物发育和冠层微气候复杂相互作用的影响。

较低的g_s可能节约水分，但也减少了蒸发冷却，增加了热胁迫和光合机构受损的风险。这种热脆弱性在极端温度下尤为显著。证据表明，植物可能在热胁迫期间主动增加g_s并降低iWUE以维持叶片冷却。

气孔导度与养分吸收密切相关。降低g_s可能损害蒸腾驱动的养分吸收。这种限制在低肥力、雨养系统中尤其显著，其中质流至关重要，会进一步损害光合能力。

VI. 改善气候变化下C₄作物的iWUE

对CO₂浓度升高和气候极端的生理响应

C₄光合作用的碳浓缩机制使RuBisCO活性在当前大气CO₂水平下基本饱和，因此长期以来认为CO₂浓度升高对C₄碳同化影响有限。然而，在水分限制条件下，CO₂浓度升高可通过降低g_s、减少蒸腾需求间接使C₄作物受益，从而提高iWUE。

然而，气温上升和热浪可能抵消这些收益，使许多C₄作物的光合作用超过最适温度范围。高温会损害RuBisCO活性、动力学和活化，增加呼吸，降低叶肉导度，从而降低光合效率和iWUE。

iWUE的遗传调控与分子靶点

在遗传水平上改善iWUE需要识别控制气孔发育、叶片解剖和光合代谢的调控基因和等位基因。在禾本科植物中，气孔密度和模式由一系列基因调控。操纵其中一些基因以减少气孔密度已显示出在不显著损害C₃和C₄作物碳获取的情况下降低g_s和增强iWUE的潜力。

其他候选基因和QTL包括那些影响叶角和光拦截的基因，从而影响冠层水平的产量和蒸腾效率。此外，参与叶肉导度调控的基因（如水孔蛋白）和碳酸氢盐供应（如CA）可能为提高热或干旱胁迫下的CO₂扩散和iWUE提供切入点。

在代谢方面，C₄循环关键酶的过表达或编辑可用于微调碳通量。合成生物学方法也正在使C₄性状向C₃作物（如水稻）的转移成为可能。

评估C₄植物iWUE的整合方法

碳同位素判别作为iWUE的代理指标：在C₃植物中，碳同位素判别与胞间CO₂浓度与环境CO₂浓度的比值相关。δ¹³C提供了评估C₃植物iWUE的时间积分代理指标。C⁴植物由于PEPC的较低¹³C歧视而显示出比C₃植物更低的Δ¹³C。Δ¹³C受C_i/C_a和泄漏度影响。尽管存在复杂性，δ¹³C仍然是iWUE高通量表型的有用整合性状。

高通量表型与遥感：最近遥感与近端传感技术的进步彻底改变了与iWUE相关性状的表型分析，实现了大规模、非侵入性测量。特别是多光谱和高光谱反射、热成像和叶绿素荧光可以监测气孔导度、冠层温度、叶绿素含量和蒸腾速率等生理性状。热成像是田间条件下g_s和蒸腾作用的可靠代理指标。

VII. 结论与未来方向

C₄光合作用是一项卓越的演化创新，在高光、高温和干旱条件下增强了碳同化和水分利用效率，而这些条件在气候变化下日益普遍。虽然由于碳浓缩机制，C₄物种的iWUE通常高于C₃物种，但未来的气候条件，特别是升高的温度和加剧的干旱，预计将考验C₄光合作用的生理极限。

本综述强调，改善C₄作物的iWUE需要协调理解解剖和生化限制因素。展望未来，需要一种多尺度和整合的方法，以确保在细胞和器官水平上对iWUE的改进能有效转化为现实农业条件下产量和资源利用效率的增益。应特别关注：

1. 1.
   培育C₄循环中耐热的光合酶。
2. 2.
   优化叶片形态和气孔模式以适应热和干旱韧性。
3. 3.
   利用野生亲缘和地方品种的自然变异来识别适应性性状。
4. 4.
   部署高通量表型和基因组选择以加速育种。
5. 5.
   开发考虑基因型×环境×管理相互作用影响iWUE和产量的预测模型。

通过跨分子生物学、生理学、农学、遥感和机器学习的跨学科合作，下一代C₄作物可以被量身定制，以应对粮食安全和环境可持续性的双重挑战。