小麦不同 VPD 条件下2H、18O 和13C 对蒸腾与光合性能评估的差异研究

为探究不同水汽压亏缺（VPD）对小麦光合与蒸腾的影响，研究人员分析13C、18O 和2H 同位素在各器官的特征。发现高 VPD 升高三种同位素值，2H 在不同营养类型器官差异显著，为小麦耐旱研究提供新视角。

　　在气候变化背景下，大气湿度波动对作物生长的影响日益受到关注。水汽压亏缺（Vapor Pressure Deficit，VPD）作为衡量大气蒸发需求的关键指标，其变化会显著影响植物的蒸腾作用与光合作用。然而，目前对于不同 VPD 条件下，氢（²H）、氧（¹⁸O）和碳（¹³C）同位素在植物不同器官中的分馏机制及对生理性能的指示作用，仍存在诸多未解之谜。例如，²H 因其易交换性和受器官营养类型影响的双重特性，在评估植物性能时的应用一直受限，而¹³C 和¹⁸O 虽分别作为光合和蒸腾的指标，但三者在不同 VPD 下的协同变化规律尚不明确。为填补这些研究空白，来自国外研究机构的科研团队开展了相关研究，其成果发表在《The Crop Journal》。

研究人员以 durum 小麦品种 “Sula” 为材料，在控温控湿的生长室中设置高（40±5% RH）、低（80±5% RH）两种 VPD 条件，通过水培方式种植。采用稳定同位素标记技术，对营养液进行²H 和¹⁸O 富集处理，结合自然丰度条件，分析了灌浆中期各器官（旗叶、穗轴、颖片、芒、籽粒）的¹³C、¹⁸O 和²H 同位素组成，同时测定了光合气体交换参数、叶绿素含量及农艺性状。主要技术方法包括：利用 LI-6400XT 测定光合速率（Amax）、气孔导度（G_s）等生理指标；通过元素分析仪 - 质谱联用技术（EA-IRMS）分析稳定同位素组成；采用 cryogenic vacuum distillation 提取器官水分并测定其同位素比值；运用主成分分析（PCA）等统计方法解析同位素与生理指标的相关性。

3.1 VPD 对生理与农艺参数的影响

高 VPD 显著降低了光合速率、气孔导度、胞间 CO₂浓度（C_i）、光系统 II 潜在效率（F_v'/F_m'）、电子传递速率（ETR）等光合性状，以及 shoot 干重、籽粒产量等农艺指标，仅蒸腾速率（T_r）升高，表明高 VPD 诱导了大气水分胁迫，抑制了小麦生长与产量形成。

3.2 VPD 对器官稳定同位素组成的影响

• 碳同位素（¹³C）：高 VPD 下，各器官水溶性组分（WSF）和干物质中的¹³C 值均显著富集，与气孔导度降低导致的 CO₂同位素分馏增强一致。旗叶¹³C_WSF与光合参数呈负相关，印证了其作为水分利用效率（WUE）指标的可靠性。
• 氧同位素（¹⁸O）：高 VPD 条件下，器官水溶性组分和籽粒干物质中的¹⁸O 值升高，且在强蒸腾器官（旗叶、籽粒）中富集更显著，反映了蒸腾驱动的水分蒸发对¹⁸O 分馏的主导作用。
• 氢同位素（²H）：高 VPD 下，干物质中²H 值整体升高，但在不同营养类型器官中表现差异：光合自养器官（旗叶、颖片）²H 贫化，混合营养器官（穗轴、芒）次之，异养器官（籽粒）富集最显著，揭示了代谢途径对²H 分馏的重要影响。

3.3 同位素与生理性状的相关性

自然丰度条件下，¹³C_WSF和¹⁸O_WSF与光合参数（G_s、C_i、ETR）呈负相关，²H_DM（尤其是籽粒）与气孔导度、胞间 CO₂浓度负相关，表明三者均能反映 VPD 引起的生理变化。主成分分析显示，同位素 signatures 与光合性状分别聚于坐标轴两侧，进一步支持了高 VPD 下蒸发胁迫与光合抑制的关联。

3.4 器官水分同位素组成的 VPD 效应

高 VPD 下，旗叶和籽粒水分的¹⁸O 和²H 值显著升高，而穗轴和茎基部水分受 VPD 影响较小，表明蒸腾活跃的器官中，水分蒸发导致同位素富集，而运输组织的水分同位素组成更接近水源，验证了蒸腾路径对同位素分馏的影响。

研究表明，¹⁸O 和²H 同位素组成可作为小麦在不同 VPD 条件下生理性能的表型指标。¹⁸O 主要受蒸腾驱动的水分蒸发影响，适用于评估蒸腾效率；²H 则因受器官营养类型和代谢过程调控，在异养器官（如籽粒）中的富集特征可作为碳代谢和能量代谢的标志物。此外，¹³C 与¹⁸O、²H 的协同变化，为综合评估小麦对大气水分胁迫的响应提供了多维度视角。该研究不仅深化了对植物同位素分馏机制的理解，也为作物耐旱育种的表型筛选提供了新的技术思路，有助于通过同位素指纹解析小麦在复杂环境中的适应性策略，推动精准农业和气候变化下的作物管理研究。