大气CO2浓度和温度升高影响作物产量的光合生理及分子生物学机制

张春雨,李彦生,于镇华,刘俊杰,王光华,刘晓冰,吴俊江,殷奎德,金 剑,

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150081；2.黑龙江八一农垦大学 农学院，黑龙江 大庆 163319；3.黑龙江省农业科学院大豆研究所/农业农村部大豆栽培重点实验室/黑龙江省大豆栽培重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086)

0 引 言

大气CO2浓度和温度升高是全球气候变化最为显著的两个特征。大气CO2浓度已经从18世纪60年代工业革命时期的280 μmol·mol-1，增加至目前的412 μmol·mol-1，如果人类继续加速煤、石油和天然气等化石燃料的开发和利用，预计到2050年全球大气CO2浓度将达到 550 μmol·mol-1，到本世纪末大气CO2浓度将超过700 μmol·mol-1[1]。并且，大气CO2浓度不断增加导致吸收的太阳辐射能增多，温度上升产生“温室效应”，21世纪末地球表面平均温度将同时增加2.0～3.7 ℃[2]。

大气CO2浓度和温度升高将对作物生长、生理过程及产量产生重要影响[3-4]。CO2是植物光合作用的原料，目前大气CO2浓度尚未达到C3作物的CO2饱和点，理论上大气CO2浓度升高对作物生长产生的“肥料效应”，将有利于作物光合能力和产量的提高[5]。温度作为影响作物生长的主要环境因子，其变化显著影响作物生物量以及产量的形成[6-7]。目前，关于大气CO2浓度或温度升高单独作用对作物生理和产量的影响研究较多[8-11]，但是CO2浓度和温度是同时作用于作物的环境因子，仅从CO2或者温度单方面探究气候变化对作物生理和产量的影响，不足以全面解析气候变化下作物生产的未来趋势。

开展大气CO2和温度升高对作物生长的交互作用的研究，预测未来气候变化下作物产量潜力将成为当前农业研究的重要任务之一。近年来，国内外学者开展了有关农作物对CO2和温度升高交互作用响应的研究，包括玉米[12-13]、水稻[14-15]、大豆[16-17]和小麦[18]等主要作物，但缺乏对这些研究系统性的分析总结，以提升气候变化影响作物生产的理论基础和探索应对路径。本文以评述二者对作物生长的交互作用，综述作物光合生理和相关基因表达及产量形成对大气CO2浓度和温度升高互作的响应，为未来气候变化下作物的稳定生产提供理论参考。

1 CO2浓度和温度升高对光合速率的互作效应

CO2是植物光合作用的原料，植物通过叶绿素吸收光能，同化CO2，形成植物生长发育所需的碳水化合物。利用开放式CO2升高设施(FACE，Free Air CO2Enrichment)研究发现，CO2浓度升高能够提高作物的光合速率，产生“肥料效应”[5]。然而，通常温度升高对光合速率的影响与CO2浓度升高作用相反。例如，Adachi等[19]通过连续2年升温FACE(T-FACE)系统研究了水稻光合速率对气候变化的响应，结果表明，与对照相比，大气中CO2浓度增加200 μmol·mol-1使灌浆中期水稻叶片光合速率平均提高了26%，但CO2浓度升高且温度升高2℃条件则使光合速率明显下调了23%，其原因可能与温度升高抑制植物光合酶系统有关。光合作用需要在核酮糖-1,5二磷酸羧化酶/加氧酶(Rbulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco)作用下对CO2进行固定，Rubisco的羧化活性决定了饱和光合速率。关于野生稻(Oryzameridionalis)的研究发现，Rubisco羧化活性随着大气CO2浓度升高而增加，而温度升高能显著降低Rubisco羧化活性[20]，进而影响植物叶片光合作用。

作物不同发育阶段对CO2和温度升高的交互作用响应不同[21]。袁嫚嫚等[22]利用稻田T-FACE平台，进行了CO2浓度(+200 μmol·mol-1)和温度升高(比环境温度高1～2℃)对水稻不同时期光合速率交互影响试验，结果表明，在CO2浓度和温度的交互作用下，灌浆后期比灌浆中期的光合速率下降了35.7%，加速了生育后期光合速率的下降，进而可能加速了水稻的生育进程和产量形成。同样，Cai等[23]在CO2浓度为500 μmol·mol-1和温度升高1.5～2 ℃互作的FACE环境中发现，小麦抽穗期至灌浆期的光合速率随时间的变化呈逐渐下降趋势。然而，大豆和水稻在温度和CO2浓度升高的共同作用下，开花期至成熟期的光合速率均高于对照，同时各生育时期光合速率之间具有相似的变化趋势[24]，因此，在大气CO2浓度升高200 μmol·mol-1和温度升高1.5～ 2℃的气候环境下，将有利于未来大豆和小麦产量潜力的提升。

CO2浓度升高对植物净光合速率的影响程度取决于温度的变化。研究发现，相较于热带气候条件，冷凉气候环境下的CO2浓度和温度同时升高对作物净光合速率的交互作用更加明显[25-26]。CO2浓度升高有利于提高植物净光合速率的温度反应，使C3作物光合作用具有更高的耐热性[27-28]。CO2浓度的升高能够降低气孔导度，进一步通过限制CO2的进入降低净光合效率，植物叶片温度也因此而改变[3,29]。Meta分析结果表明，CO2浓度升高对热胁迫下豆科作物的净光合速率存在积极影响[30]。未来全球温度升高对植物碳通量的影响程度大于大气CO2浓度的升高所带来的影响，例如CO2浓度增加提高了夏大豆的净光合速率，但温度升高净光合速率下降，并且与CO2单独作用相比，在CO2和温度共同作用下净光合速率较低[24]，水稻的FACE研究中也得到相似结论[31]。但有研究指出，温度升高2℃并未明显降低水稻叶片净光合速率[19]，原因可能是不同植物响应温度升高的敏感程度存在差异，另一方面可能是在CO2和温度共同作用下，CO2的刺激作用强于温度。因此，不同作物对温度和CO2浓度升高的互作效应的生理响应调控机制仍需进一步研究。

2 CO2浓度和温度升高对光呼吸的影响

CO2浓度对植物光呼吸具有直接或间接的调控作用。植物光呼吸是植物细胞吸收O2，在Rubisco加氧作用下消耗乙醇酸释放CO2的过程。C4植物由于叶片特殊的维管束花环结构，细胞内具有较高的CO2浓度，极大的减弱了光呼吸程度。较C4植物而言，C3植物的光呼吸活性高，光呼吸消耗光合作用形成碳水化合物的20%～50%[32]，该过程显著影响植物碳水化合物的积累和光合效率的进一步提高。Walker等[33]认为，在未来大气CO2浓度为1 000 μmol·mol-1和温度升高3.7℃共同作用下，消除光呼吸将对光合作用提升12%～55%。仅为高温条件下(30 ℃)的研究表明，由于光呼吸的影响，使C3作物将光能转化为碳水化合物的效率降低49%[34]。

气候变化影响光呼吸的机制主要与Rubisco功能有关[35]。Rubisco是一个双功能酶，它既催化RuBP的羧化反应，同时又催化RuBP的加氧反应，CO2和O2互为是Rubisco加氧和羧化反应的竞争性抑制剂。Rubisco的羧化作用和加氧作用的相对速率取决于CO2和O2的相对浓度，较高的CO2浓度会促进Rubisco羧化作用，将3分子的CO2、3分子的RuBP与3分子的H2O结合形成6分子的3-磷酸甘油酸(PGA)，抑制了植物的光呼吸。然而，也有研究发现，CO2浓度升高至550 μmol·mol-1时，大豆叶片中Rubisco羧化活性(Vc，max)下调了4%～6%[36]，其中Rubisco蛋白含量下降22%，表达Rubisco蛋白的相关rbcSH和rbcL基因表达量均下调[37]。这可能与氮养分缺乏导致的光合作用抑制有关[38]。不仅CO2浓度能够调控Rubisco酶活性，温度也是可以直接改变Rubisco活性调控光呼吸的外界环境因子。随着温度的升高，与Rubisco氧化活性(Vo)相比，其羧化活性(Vc)下调，因此在一定CO2浓度条件下，具有更高的Vo/Vc值。Cen等[39]在温室环境中对红薯(Ipomoeabatatas)叶片的Rubisco激活状态分析表明，当温度在10～40 ℃之间时，Rubisco激活状态随着温度的升高呈现先增加后降低的趋势，CO2浓度对Rubisco激活状态具有负调控作用。由于高浓度CO2能够调控Rubisco氧化活性而抑制光呼吸，未来植物叶片很可能在更高的温度下生长，更高的叶片温度会刺激植物光呼吸速率[39]。光呼吸是植物必不可少的生理生化过程，未来大气CO2浓度和温度升高的气候条件下，作物光呼吸对CO2浓度和温度共同作用的响应以及对作物生产力的深远影响值得深入研究和探讨。

3 大气CO2浓度和温度升高对作物气孔导度的调控

气孔是植物与大气进行气体交换的主要通道，气孔导度(gs)是影响植物光合作用和碳代谢速率的关键因素。很多研究表明，CO2浓度增加会使气孔导度下降[31,40-41]，而温度对气孔的影响研究结果存在较大差异。一些学者认为温度升高增加气孔导度[42]，也有研究指出高温使气孔导度下降[43]，还有研究表明，温度对气孔导度没有影响[44]。由于CO2浓度和温度同时影响植物的碳代谢，因此研究二者对植物叶片气孔导度的影响，揭示植物对CO2浓度和温度升高互作的响应是必要的。

气孔导度是指示植物气体交换、水分利用率等的重要生理指标，大气CO2浓度和温度升高对作物气孔导度降低，广泛存在于C3和C4作物之间，并且不同作物叶片气孔导度对CO2浓度和温度升高的响应程度不同。连续2年的CO2浓度和温度升高的试验表明，CO2浓度升高到700 μmol·mol-1和温度升高4℃，抽穗期的小麦气孔导度表现出显著下降的趋势[45]。有关小麦气孔导度对CO2浓度和温度升高的交互作用响应的研究结果表明，小麦气孔导度表现为不同程度的下降趋势[46]；通过2年的FACE试验表明，大气CO2浓度升高至600 μmol·mol-1，大豆生殖生长阶段的气孔导度下降，但是净光合速率仍能维持在较高水平，一定程度上缓解了温度升高(+5 ℃和+9 ℃)条件下气孔导度降低造成的光合同化降低，间接的维持了大豆产量的稳定[47]。开顶式气室(OTC)研究表明，在CO2浓度和温度共同作用下，水稻叶片气孔导度显著下调，表现出与光合作用相同的趋势[21]。例如，袁嫚嫚在CO2浓度和温度同时升高作用的研究中指出，水稻气孔导度与净光合速率显著相关[22]。但是，也有部分研究者认为在CO2浓度和温度升高条件下，气孔的调控机制与光合作用无关[48-49]。温度和CO2浓度升高对气孔导度的调控是否与光合作用有关仍需进一步研究验证。

玉米是典型的C4作物，具有能够富集CO2的花环结构，一般胞间CO2浓度可以达到大气CO2浓度的3倍以上[50]。FACE试验结果表明，大气CO2浓度升高200 μmol·mol-1和温度升高2.7 ℃，玉米叶片气孔导度显著下降，但是光合速率并未发生明显变化，水分利用效率显著提高[13]，从而促进了干旱条件下的生物量和产量[4]。因此，在未来的气候环境下，大气CO2浓度和温度升高可能有利于提高玉米的抗干旱能力，缓解因缺水对生物量和产量的影响，提高未来气候条件下玉米生产的稳定性。然而，气候变化下不同作物的抗旱生理反应仍然需要深入探讨。

4 CO2浓度和温度升高对作物光合相关转录组的影响

近年来，转录组测序技术已经被广泛用于探索气候变化对作物生长影响的研究中[40,51-52]。利用转录组测序技术(RNA-seq)，从基因的差异表达、代谢途径以及主要信号通路等方面，开展植物基因与生理生化水平的综合分析，更好地解析未来大气CO2浓度和温度升高的交互作用影响作物产量的分子机制。

较多的研究已经阐明作物对大气CO2浓度升高的生理响应，例如光合效率、气孔导度、叶片碳水化合物含量等生理指标的变化，这些生理的变化与基因的表达水平密切相关。生长在较高大气CO2浓度的大豆，叶片中上调表达的光合作用相关基因数量多于下调表达，光合作用增强促进了碳水化合物的积累，β-淀粉酶表达量增加1.4倍，促进了光合产物的消耗与利用[40]。鹰嘴豆是仅次于大豆的豆科植物，Palit等通过RNA-seq分析表明，与对照相比，鹰嘴豆叶片糖转运蛋白基因、糖原淀粉酶基因以及NADPH还原酶基因在CO2浓度为550 μmol·mol-1和700 μmol·mol-1处理下上调表达，CO2浓度升高也促进与叶绿素代谢途径相关的23个DEGs表达，证实了CO2浓度升高影响了鹰嘴豆叶片C代谢和N代谢[53-54]。

通过RT-PCR技术对生长在大气CO2浓度(+330 μmol·mol-1)和温度升高(+4 ℃)条件下小麦旗叶的基因表达进行分析，与对照相比，发现LHCⅠ和PsaA等10个光反应基因和1个叶绿素合成基因呈不同程度下调表达[55]，从基因表达水平解释了光合速率下降29%和总叶绿素含量下降25%的响应机理[46,56]。Vicente等通过De novo转录组分析表明，与温度单独升高相比，温度和CO2浓度同时升高导致小麦旗叶光合基因下调表达量较少，仅有6个光合基因小幅下调表达，说明CO2浓度升高在一定程度上缓解了温度升高对小麦初级代谢和次级代谢基因的下调表达，且激素代谢途径中仅有2个油菜素甾体信号蛋白基因发生显著响应，表明CO2浓度和温度升高对小麦内源激素具有较小影响[57]。与对照的大气环境相比，CO2浓度升高550 μmol·mol-1、温度升高2℃以及同时升高导致吐丝期玉米光合作用代谢途径的22个基因均呈下调表达趋势，其中编码Rubisco的rbcS基因表达量差异倍数的对数值分别为-3.12、-3.48和-2.29[58]，该基因在高等植物中具有调节Rubisco全酶活性的作用。

转录组测序技术具有高通量、广泛的覆盖度以及可独立分析等优点，在作物对气候环境变化的响应机制的研究中已普遍应用[59]，但是在大气CO2浓度和温度同时升高对作物的影响研究尚未见较多报道，深入研究作物响应大气CO2浓度和温度同时升高的基因表达特征，解析其分子机制，对选育应对未来气候变化的作物新品种具有重要意义。

5 大气CO2浓度和温度升高对产量的交互影响

大气CO2浓度和温度的变化不仅影响作物光合生理和基因表达，而且影响生物量和籽实产量，这关系到未来气候变化条件下的粮食安全。以往研究表明，CO2浓度的增加促进了植物的光合作用，有利于生物量的积累[60-61]，但是温度过高情况下呼吸作用随之增强，加快了生育进程且降低了生物量的积累。如果温度变化在最适植物生长范围内，温度的升高会促进植物的光合作用，而利于生物量的积累[19,62]。也有研究发现，CO2浓度和温度升高交互作用对植物不同生长发育阶段的生物量的影响不同，在营养生长阶段，与对照相比，两者的交互作用增加玉米的生物量，而生殖生长阶段的生物量却下降，但是并未影响产量和收获指数[13]。在大气CO2浓度为600 μmol·mol-1和温度升高5 ℃的FACE环境条件下，大豆叶、茎和荚的总生物量比对照增加32.3%[47]，在其它作物的研究中也得到类似的结果[15,63-64]。

玉米、大豆、小麦和水稻等作物对CO2浓度和温度升高的产量响应存在差异(表1)。通过历史产量数据与其生长季节温度进行多元回归分析发现，温度较高的年份大豆产量呈现降低趋势[65-66]。针对CO2浓度升高的“肥料效应”是否能够抵消温度升高对作物籽粒产量产生的负面影响，Ruiz-Vera等发现在平均温度较低的季节，温度升高3.5 ℃会降低大豆籽粒产量[24]，CO2浓度升高对温度升高导致大豆产量的负效应没有补偿作用[64]。Cai等研究发现，CO2浓度升高到500 μmol·mol-1时小麦产量升高，温度升高1.7 ℃产量下降，互作下产量仍下降9%～11.5%；同样在水稻中发现CO2升高对产量的增益明显，但CO2浓度和温度升高综合影响下产量下降，最大幅度达到34%，并且较升温造成的减产程度略低[23]。当大气CO2浓度升高到760 μmol·mol-1后，冬小麦产量提高21%，温度升高3 ℃后，产量降低12%。而CO2浓度和温度同时升高作用下，小麦的穗数显著增加、千粒重显著减少，但最终产量仅有较小幅度上升趋势。这一结果表明，温度升高条件下，产量构成因素对CO2浓度升高响应具有差异，CO2浓度升高至760 μmol·mol-1的“肥料效应”完全抵消了温度升高3℃对冬小麦产量的负效应[67]。由于试验地点与处理水平的不同，此种差异和抵消作用在作物中具有不同程度表现[4,64,68]。大气CO2浓度的升高可以一定程度的抵消温度升高对产量形成带来的不利影响，但是CO2浓度升高的“肥料效应”将由温度升高的程度决定。例如，环境温度升高2 ℃，使得大气CO2浓度升高至500 μmol·mol-1对水稻的增产(8%)效应完全消失[69]，甚至出现产量表现下降[21]。目前，关于大气CO2浓度和温度升高对粮食作物产量影响的互作效应较多的集中在水稻和小麦中。

表1 作物响应大气CO2浓度和温度同时升高的产量变化Table 1 Crop yield in response to simultaneous increase of atmospheric CO2 concentration and temperature

6 展 望

未来大气CO2浓度和温度的变化背景下，作物生长发育和产量将不可避免受到影响，急需解析与产量相关的光合生理和分子机制。基于以上文献综述，我们提出大气CO2浓度和温度对作物光合生理的相互作用形成反馈机制(图1)。一方面，在作物最适生长范围内，温度升高对CO2的“肥料效应”形成正反馈效应，特别是C3作物，可能促进叶绿素合成基因和Rubisco酶合成基因上调表达，刺激Rubisco酶的羧化活性，进一步提高作物的光合作用；另一方面，温度升高超过作物最适范围，刺激Rubisco酶的氧化活性，增强光呼吸，加快光合产物的消耗，抑制了CO2的“肥料效应”，形成了负反馈效应，对作物产量造成不利影响。

另外，不同作物或者相同作物的不同基因型对温度和大气CO2浓度下的生理和生长具有不同的反应，这些遗传组成之间的差异为应对气候变化提供了可能。随着转录组学技术的快速发展，RNA-seq技术已经广泛应用在单一气候变化因子对作物影响的研究中，其在基因的特异性表达以及候选基因挖掘方面发挥着重要作用，可为解析作物应对多个气候变化因子复合作用的响应机制，为深入了解未来气候变化对作物生产的影响奠定基础。

注：黑色箭头代表光合分子生理过程，灰色箭头代表光呼吸过程，虚箭头代表科学假设。Note:Black and gray arrows indicate molecular physiological processes of photosynthesis and photorespiration,respectively.The dash arrows represent hypotheses that need experimental validation.图1 大气CO2浓度和温度升高影响光合生理的反馈机制Fig.1 Feedback mechanism of photosynthetic physiology under elevated atmospheric CO2 concentration and temperature

作物生长发育往往受到大气CO2浓度、温度、水分以及O3浓度变化等气候因子的交互影响，开展多气候因子对作物生长发育的影响研究，有利于更加准确了解未来作物生产的变化情况。例如，在积温较低的东北地区开展大气CO2浓度和温度升高的交互试验，从生理和分子机制方面评估大豆、小麦、水稻等作物的产量潜力。作物的产量形成是环境和基因互作的结果，评估特定气候变化下同种作物不同基因型的产量差异，应用转录组学、代谢组学及蛋白组学等多组学技术联合解析作物分子生态机制，能为培育应对未来气候变化的新品种奠定分子遗传基础。这些都将是未来我们关注的科研方向和开展的研究工作。