《Plants》：OJIP-Derived Indices of Photochemical Characteristics in Sunflower and Maize: A Crop Type- and Cultivar-Level Assessment
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所有放氧光合生物均依赖光系统（PS）进行光依赖反应。尽管C4作物通常表现出比C3作物更高的光合能力，但两者之间PS功能的差异仍鲜有解析。本研究采用快速叶绿素a荧光诱导（OJIP瞬变）衍生PS功能指数，对C3向日葵和C4玉米各5个品种进行比较，在物种和品种两个水
所有放氧光合生物均依赖光系统（PS）进行光依赖反应。尽管C4作物通常表现出比C3作物更高的光合能力，但两者之间PS功能的差异仍鲜有解析。本研究采用快速叶绿素a荧光诱导（OJIP瞬变）衍生PS功能指数，对C3向日葵和C4玉米各5个品种进行比较，在物种和品种两个水平上评估其表现。OJIP瞬变提供了PSII性能（光合性能指数，PIabs）和PSI相对电子传递效率（以电子从QB向PSI受体的传递概率估算，即ΔVIP/ΔVJP）的稳健表型指数。尽管相对叶绿素读数（SPAD）较低，向日葵表现出更高的PIabs，平均为2.20，而玉米为1.16。PIabs在各物种内品种间也存在显著差异（玉米1.00–1.38；向日葵1.85–2.64），但此种内变异远小于作物类型间约两倍的差异。向日葵的ΔVIP/ΔVJP比值比玉米高25.65%，尽管品种水平变异显著，物种间差异仍占主导。SPAD在玉米品种间差异显著（54.8–65.4），而在向日葵品种间无显著差异，玉米始终较高（62.3 vs. 42.3）。主成分分析进一步表明，两种作物中SPAD与PIabs正相关，与ΔVIP/ΔVJP负相关。综上，研究结果揭示了向日葵与玉米之间光化学特征的显著差异，且作物类型间差异大于品种水平变异。
研究背景方面，高等植物含有两个嵌入类囊体膜的光系统（PS），即PSI和PSII，驱动电子传递并生成生化还原剂（NADPH?）和化学能（ATP），二者均为碳同化所必需。学界普遍认为C4植物因光呼吸途径受抑制及CO?浓缩机制的存在而具有优于C3植物的光合效率。然而，利用稳健表型指数对C3和C4作物光化学特征进行比较评估的研究仍相对有限。叶绿素a荧光诱导（OJIP瞬变）通过提供光能吸收、激发能捕获、PSII与PSI间电子传递以及PSI末端电子受体还原等信息，可快速全面表征叶片光合性能。由JIP测试衍生的光合性能指数（PIabs）整合了光能吸收、激发能捕获及转化为电子传递的信息，反映PSII整体活性；ΔVIP作为I至P上升相相对可变荧光的振幅，是PSI含量的半定量指标，而ΔVIP/ΔVJP比值反映电子从还原态间电子受体向PSI末端电子受体转移的效率。然而文献调查显示已报道的PIabs值存在较大不一致性，且这些估计均来自独立研究，唯一可用的直接比较研究以干旱和热胁迫响应为中心，未能提供两种作物类型间基础PS活性的共同条件、多品种比较。玉米（Zea mays L.）是全球重要的C4禾谷类作物，向日葵（Helianthus annuus L.）是广泛种植的C3油料作物。本研究栽培每种各5个代表性品种，在作物类型间和物种内品种间两个水平上考察光化学特征，旨在：（1）研究OJIP瞬变以鉴定作物特异性OJIP曲线；（2）比较作物和品种间的PS功能；（3）评估观察到的差异是否与叶绿素含量相关。鉴于NADP-ME型C4玉米每固定1个CO?需5个ATP和2个NADPH，而C3向日葵仅需3个ATP和2个NADPH，研究人员据此假设玉米将表现出比向日葵更高的OJIP衍生指数。
研究人员开展的研究及结论方面，研究人员通过快速叶绿素a荧光诱导结合JIP测试，在作物间和品种间两个水平上比较了向日葵和玉米的光化学特征。与假设相反，基于OJIP衍生指数发现向日葵具有更高的PS功能。品种间也观察到显著差异，但作物类型间差异大于品种水平变异。向日葵较高的PSII活性归因于其倾向于将更大比例的吸收能量用于光化学过程。向日葵较高的ΔVIP/ΔVJP表明IP相相对振幅更大，但由于本研究未直接测定ΦPSI/ΦPSII，该结果不能归因于较低的PSI活性。大多数JIP测试参数检测到品种水平差异，但其幅度小于所测试条件下两物种间差异。研究意义在于揭示了向日葵与玉米之间光化学特征的显著差异，且作物类型间差异大于品种水平变异，为理解C3与C4作物光合性能差异提供了表型依据。
关键技术方法方面，研究于2023年在大理开展田间试验，采用随机完全区组设计，3次重复，种植5个玉米品种（Qinlong14、Shandan609、Shanke16、Shanke6、Xianyu335）和5个向日葵品种（361、D863、363、Nongli633、S6228），在开花期（8月）进行测量。采用Dual-PAM-100系统（Heinz Walz，德国）测定OJIP瞬变，10 μs分辨率，320 ms红光脉冲（650 nm，2000 μmol photons m?2 s?1）诱导，暗适应叶片室温（约23 °C）下3 min内完成测量，每品种共评估8株植物。JIP测试分析获得基础荧光数据、量子效率、每反应中心比能量通量、每截面现象学能量通量和性能指数。采用MultispeQ（密歇根州立大学）"SPAD only"协议测定相对叶绿素读数。统计分析采用线性模型检验品种和物种效应，ANOVA后接t检验或Duncan多重极差检验（p < 0.05），SPSS 23.0软件；PCA采用Origin 2024软件基于相关矩阵进行。
研究结果方面，2.1 OJIP曲线与JIP测试参数：向日葵和玉米叶片叶绿素a荧光呈多相模式，向日葵J、I步骤明显低于玉米，表明间电子传递链氧化还原行为存在物种特异性差异。玉米品种间Vj、Vi、ΨEo、Mo、φPo、φEo、φRo、ETo/RC、REo/RC、DIo/RC、PIabs和RC/CS差异显著（p < 0.05），φPo变幅窄（0.79–0.81），ΨEo为0.53–0.57，PIabs为1.00–1.38。向日葵品种间Vj、ΨEo、Mo、φPo、φEo、ETo/RC、DIo/RC、PIabs、RC/CS、ABS/RC和TRo/RC差异显著，φPo为0.826–0.839，ΨEo为0.58–0.62，ABS/RC为3.26–3.72，PIabs为1.85–2.64。两种作物比较，所有JIP测试参数差异显著，PIabs差异最显著，向日葵达2.20，为玉米1.16的1.9倍。能量管道模型显示，玉米平均ETo/CS和RC/CS较低（0.51和0.28）但DIo/CS较高（0.24），向日葵分别为0.57、0.33和0.19，表明向日葵具有更高的电子传递通量和更大的反应中心密度，伴随较低的每截面耗散能量通量。ΔVJP在玉米和向日葵品种间均差异显著，ΔVIP品种间差异仅在玉米中检测到，ΔVIP/ΔVJP均值玉米0.34、向日葵0.42，t检验差异显著。2.2 叶绿素含量：SPAD在玉米品种间差异显著（Shanke16最高65.4，Shandan609最低54.8），向日葵品种间无显著差异，玉米平均SPAD高于向日葵（62.3 vs. 42.3，p < 0.05）。2.3 叶绿素读数与PSII活性关联：线性回归分析显示，SPAD与ΨEo在向日葵中正相关（y = 0.00658x + 0.32；R2 = 0.89，p < 0.05），玉米中无显著关系（p = 0.31）；SPAD与ABS/RC在向日葵（y = ?0.077x + 6.75；R2 = 0.80）和玉米（y = ?0.013x + 4.93；R2 = 0.93）中均显著负相关；SPAD与PIabs在向日葵中正相关（y = 0.147x ? 4.06；R2 = 0.95，p < 0.05）。表明SPAD与ABS/RC在两物种中一致关联，而与ΨEo和PIabs的关联具有物种依赖性，仅在向日葵中显著。2.4 主成分分析：玉米PC1解释60.2%总方差，PC2解释25.5%；向日葵PC1解释75.0%，PC2解释20.0%。SPAD与PIabs在两种作物中均正相关，向日葵中相关性更强（夹角更小），支持线性回归结果；SPAD与ΔVIP/ΔVJP在两种作物中均负相关。
讨论部分总结：通过结合快速叶绿素a荧光诱导与JIP测试，研究人员在作物间和品种间两个水平比较了向日葵和玉米的光化学特征。与假设相反，基于OJIP衍生指数发现向日葵具有更高的PS功能，品种间差异显著但作物类型间差异更大。3.1 C3向日葵具有更高PSII活性：PIabs是多参数指标，任何过程效率下降均可能影响PIabs。向日葵φPo、RC/ABS和ΨEo均高于玉米。φPo在物种内高度保守，本研究中向日葵（0.83）高于玉米（0.80），表明作物类型间PSII光化学差异。RC/ABS表征叶绿素分子参与反应中心的概率，与Mo负相关，有助于解释向日葵与玉米间RC/ABS差异。向日葵降低的J步骤表明QA?积累较少，电子传递效率提高。综上，C3向日葵较高的PIabs可归因于其三个组分。叶绿素是光合作用中吸收、传递和转化光能的关键生化组分，C4植物通常被认为比C3植物向捕光蛋白投入更多氮，预示玉米叶绿素含量更高、捕光能力更强。然而本研究发现表观悖论：向日葵（C3）相对叶绿素读数较低但PIabs高于玉米（C4），表明PSII活性并非仅由色素含量决定。降低叶绿素含量可防止过量光吸收、增强PSII效率并导致更高电子传递速率，较高叶绿素含量不一定转化为更高光合效率。向日葵大多数反应中心有活性，而玉米每截面耗散能量通量（DIo/CS）高于向日葵，表明向日葵将更大比例吸收光用于光化学。SPAD与ABS/RC在两种作物中均负相关，此前在葡萄和番茄中有弱负相关报道，水稻中观察到显著负相关。3.2 向日葵具有更高ΔVIP/ΔVJP：该参数反映电子从QB向PSI受体转移的概率。向日葵高于玉米，但这不一定表明PSI活性更高，PSI活性最直接通过评估循环电子流（CEF）活性来评价，其中ΦPSI/ΦPSII比值作为CEF激活指标。此前研究发现ΔVIP/ΔVJP与ΦPSI/ΦPSII比值负相关，且与面包小麦和硬粒小麦植物生物量强负相关。学界广泛认为C4植物具有比C3植物更高的CEF能力以满足C4光合作用额外ATP需求，向日葵较高的ΔVIP/ΔVJP可合理此解释，但需进一步验证，这是本研究的重要局限。3.3 品种差异与作物类型差异：此前研究强调作物品种间PS功能存在大量变异，本研究结果大体一致，玉米和向日葵大多数JIP测试参数检测到显著品种水平差异。然而进一步比较表明，种内变异幅度远小于两作物物种间差异，如PIabs在5个玉米品种中仅1.00–1.38，向日葵中1.85–2.64，而物种均值差异近两倍。因此，尽管品种选择明显调节PSII性能，作物类型对本文所测光化学性状影响更强。此差异可能源于基本生理分歧：玉米和向日葵在CO?浓缩机制、ATP/NADPH化学计量及线性与循环电子流平衡方面不同。需注意此比较仅在单一生长条件下进行，品种和作物类型差异在胁迫条件下的表达程度尚未测定，但如Killi等所报道，这些差异在胁迫下可能显现。
研究结论部分翻译：本研究利用OJIP瞬变衍生的JIP测试参数，比较了向日葵和玉米的光化学特征，包括两物种间及每种作物5个品种间。向日葵多个JIP测试参数值高于玉米。向日葵较高的PSII活性归因于其倾向于将更大比例吸收能量用于光化学。向日葵较高的ΔVIP/ΔVJP表明IP相相对振幅更大；然而由于本研究未直接测定ΦPSI/ΦPSII，该结果不能归因于较低的PSI活性。大多数JIP测试参数检测到品种水平差异，但其幅度小于所测试条件下两物种间差异。本研究存在若干局限：第一，测量在单一生长条件集和单一发育阶段进行，可能限制了品种水平变异的表达；第二，比较仅限于一种C3和一种C4作物物种，观察到的模式反映一般C3-C4二分法还是特定于所研究物种仍为开放问题，解决此问题需将分析扩展至更广泛的C3和C4物种；第三，回归分析仅纳入5个品种，未来工作应纳入更多品种。解决这些空白对于更完整地机制性理解C3和C4作物光合性能差异至关重要。
