升高的CO2条件下萝卜（*Raphanus sativus*）品种的生理和气孔性状响应

《Acta Physiologiae Plantarum》：Physiological and stomatal trait responses of Raphanus sativus cultivars under elevated CO2

　　

大气CO₂升高（eCO₂）将重塑作物生理特性，但响应性的基因型差异仍不清楚。研究人员比较了在400、800和1200 ppm CO₂下生长的九个萝卜（*Raphanus sativus*）品种，以量化叶片气体交换、色素组成和气孔性状的协同变化。在所有品种中，CO₂富集显著增加了净同化率（A，P<0.05），而气孔导度（g_s）下降，胞间CO₂浓度（Ci）升高。叶绿素a（Chl a）和叶绿素b（Chl b）随CO₂增加而增加，玉米黄质（Zea）普遍积累，而β-胡萝卜素（β-Car）仅轻微变化，揭示了光合色素系统内品种依赖性的重新分配。气孔密度（SD）以基因型特异性方式响应，在几个品种中增加，但在其他品种中保持稳定或下降，突出了CO₂富集下表皮层模式的塑性。平行分析主成分分析（PCA）鉴定出一个整合同化率（Ci）、色素和气孔性状的单一主成分轴，升高的CO₂使品种向更高的PC1得分移动。几个性状表现出显著的CO₂×品种交互作用，证实了基因型间的差异响应性。总之，这些结果鉴定出在升高的CO₂下具有不同CO₂驱动生理响应性和性状协调性的品种。

**研究背景与问题**
大气CO₂浓度持续上升，至2025年11月已达427.60 μmol mol^?1，预计到2100年，在高排放情景（如SSP5-8.5）下将超过1100 μmol mol^?1（IPCC，2021）。升高的CO₂（eCO₂）直接影响光合作用与气孔行为，从而重塑作物生理特性。萝卜（*Raphanus sativus* L.）作为全球广泛种植的C₃经济作物，生长迅速、品种多样，是研究植物对eCO₂响应的理想模型。然而，现有研究多集中于物种水平，不同基因型（品种）间对eCO₂的生理响应差异尚不明确，尤其缺乏对叶片气体交换、光合色素组成及气孔性状协同变化的系统量化。为此，研究人员开展了本研究，旨在阐明eCO₂对萝卜品种的生理响应性、叶绿素色素含量及气孔密度的影响，并揭示品种间的差异。

**研究内容与结论**
研究人员选取9个萝卜品种，在400、800和1200 μmol mol^?1 CO₂浓度下生长，测定叶片净CO₂同化率（A）、气孔导度（g_s）、胞间CO₂浓度（Ci）、叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）、玉米黄质（Zea）、β-胡萝卜素（β-Car）及气孔密度（SD），并进行双因素方差分析（ANOVA）和主成分分析（PCA）。主要结论：eCO₂显著提高所有品种的A，同时降低g_s、升高Ci；Chl a和Chl b随CO₂增加而增加，Zea普遍积累，β-Car变化较小；SD呈现品种特异性双向响应（部分品种增加，部分稳定或下降）。PCA识别出一个单一主成分（PC1），整合了A、Ci、色素及SD，eCO₂使品种沿PC1正向移动。上述结果证实了品种间在CO₂驱动生理响应性和性状协调性方面存在显著差异。该研究为未来高CO₂条件下作物适应性育种提供了重要依据，论文发表在《Acta Physiologiae Plantarum》。

**主要关键技术方法**（不超过250字）
1. **气体交换测量**：使用便携式气体交换系统（GFS-3000，Walz，德国），在各自生长CO₂浓度（400、800、1200 μmol mol^?1）下测定净同化率（A）、气孔导度（g_s）和胞间CO₂浓度（Ci），叶温25°C，光照1000 μmol m^?2 s^?1。
2. **光合色素分析**：取4 cm²新鲜叶片，用丙酮:水（70:30，v/v）提取色素，采用高效液相色谱（HPLC）系统（NEXERA 8030，Shimadzu，日本）配备二极管阵列检测器（DAD）鉴定并定量Chl a、Chl b、Zea和β-Car，用外标法校准，结果以μg cm^?2叶面积表示。
3. **气孔密度测定**：剥取叶片下表皮，用蒸馏水制片，在光学显微镜（Zeiss Scope A1，德国）下40倍放大观察，每叶片随机选取5个视野计数气孔，计算气孔密度（stomata mm^?2）。
4. **统计分析**：双因素ANOVA（CO₂处理×品种，含交互作用），Tukey事后检验（P<0.05）；平行分析PCA，仅保留超过随机数据阈值的成分。样本来源：9个品种种子分别购自波兰、罗马尼亚、德国等种业公司（详见材料与方法）。

**研究结果**
- **净CO₂同化率（A）**：通过气体交换测量，所有品种的A随CO₂升高显著增加（P<0.05）。双因素ANOVA显示CO₂处理、品种及其交互作用均显著（P<0.0001）。在400 μmol mol^?1时，A范围为5.63–10.66 μmol m^?2 s^?1，Fulga最高；800 μmol mol^?1时，Niger最高（18.15）；1200 μmol mol^?1时，Agata最高（24.23），Rosza最低（11.29）。相对增加幅度以Vienna最大（250%），Rosza最小（30%）。
- **气孔导度（g_s）**：相同测量条件下，g_s随CO₂升高而下降，双因素ANOVA显示所有效应显著（P<0.0001）。各CO₂水平下，Flamboyant和Fulga保持较高g_s，Rosza和Vienna降幅最大（?39%和?35%）。
- **胞间CO₂浓度（Ci）**：Ci随外部CO₂升高而增加，品种间差异显著。在400 μmol mol^?1时，Vienna最高（230.18），Helga最低（91.28）；1200 μmol mol^?1时，Vienna和Rosza最高（~696和681），Helga最低（382.75）。相对增幅以Fulga最大（~452%），Vienna最小（~203%）。
- **叶绿素a（Chl a）**：HPLC分析显示Chl a随CO₂升高而增加，品种间差异显著。400 μmol mol^?1时，Vienna最高（35.19 μg cm^?2），Helga最低（25.13）；1200 μmol mol^?1时，Fulga最高（52.1），Rosza最低（37.71）。相对增幅以Helga最大（+91.6%），Radicula最小（+23.6%）。
- **叶绿素b（Chl b）**：Chl b同样随CO₂升高而增加，品种间差异显著。400 μmol mol^?1时，Vienna最高（19.95），Helga最低（11.66）；1200 μmol mol^?1时，Flamboyant最高（35.63），Agata最低（17.76）。相对增幅以Flamboyant最大（+183%），Agata最小（+20%）。
- **玉米黄质（Zea）**：Zea含量随CO₂升高而增加，品种间差异显著。400 μmol mol^?1时，Agata最高（4.25），Vienna最低（2.10）；1200 μmol mol^?1时，Agata最高（4.99），Vienna最低（3.03）。相对增幅以Helga最大（+63%），Fulga在400→800时增加66%后稳定。
- **β-胡萝卜素（β-Car）**：β-Car含量随CO₂升高仅适度增加，品种间差异显著（P=0.0004），但CO₂×品种交互作用不显著（P=0.7212）。1200 μmol mol^?1时，Helga最高（1.92），Rosza最低（1.55）。相对增幅以Helga最大（+17.1%），Rosza最小（+1.1%）。
- **气孔密度（SD）**：光学显微镜计数显示SD随CO₂升高呈现品种特异性双向响应，双因素ANOVA显示所有效应显著（P<0.0001）。400 μmol mol^?1时，Radicula最高（41.83），Agata最低（25.17）；1200 μmol mol^?1时，Fulga最高（59.33），Ovale最低（32.00）。相对增幅以Agata最大（+77%），Ovale下降（?20%），Helga基本不变（?4%）。
- **主成分分析（PCA）**：平行分析仅保留一个显著主成分PC1，载荷图中A、Ci、Chl a、Chl b、Zea、β-Car和SD均为正载荷，g_s为负载荷。eCO₂使所有品种的PC1得分升高，表明沿整合生理轴（碳同化、色素积累、光保护能力）的协同增强。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，eCO₂下A的增加与Rubisco羧化速率提高及光呼吸抑制一致，但品种间差异反映了基因型在碳利用效率上的内在差异。g_s下降而Ci上升，说明气孔限制并非光合增强的瓶颈，而是内部CO₂供应与生化需求的平衡。Chl a和Chl b的普遍增加表明光捕获色素池随CO₂升高而调整，但品种依赖性暗示了光合投资策略的多样性。Zea积累可能参与热耗散以维持光系统稳定性，而β-Car变化较小，提示其调控相对保守。SD的双向响应（部分品种增加、部分减少或稳定）表明表皮发育模式的遗传可塑性，但需结合气孔指数以区分发育调节与细胞扩张效应。PCA整合分析证实，eCO₂驱动了沿单一生理轴的协同变化，品种间PC1得分差异反映了不同的生理响应策略。

**结论翻译**：升高的CO₂水平（800和1200 μmol mol^?1）提高了所有九个萝卜（*Raphanus sativus*）品种的净CO₂同化率。这些结果表明，这种C₃作物在生理上对升高的CO₂有响应，但也表明不同基因型对刺激的响应方式不同。在所有品种中，较高的CO₂水平与较低的气孔导度和较高的胞间CO₂水平相关，表明即使部分气孔关闭，内部空气空间仍获得更多CO₂。品种特异性的Ci模式表明，内部CO₂动态反映了扩散供应与光合需求之间的平衡，可能影响碳分配和下游代谢控制。升高的CO₂也提高了所有品种的叶绿素a和b水平，符合CO₂升高时光捕获色素池的普遍调整，但色素增强程度高度品种依赖。玉米黄质在所有品种中随CO₂升高而增加，提示植物光保护能力提升；β-胡萝卜素则仅发生适度变化。气孔密度表现出双向的品种依赖性响应，多数品种增加，部分稳定或下降，凸显了eCO₂下气孔密度响应的显著品种差异。这些发现共同表明，萝卜（*R. sativus*）对CO₂富集具有显著的生理和解剖适应性，品种特性是影响未来高CO₂条件下响应轨迹的主要因素。