探究干旱胁迫下春小麦光合作用对光和 CO2浓度响应机制，助力农业科学发展

为探究春小麦光合作用对环境变化的响应，研究人员开展干旱胁迫实验，发现其光合参数变化规律，为资源利用提供依据。

　　### 干旱胁迫下春小麦光合作用研究：从谜团到启示
在神奇的植物世界里，光合作用堪称一场精妙绝伦的 “生命魔法”。绿色植物凭借光合作用，利用光能将二氧化碳和水转化为有机物质，不仅为自身生长提供能量，还对维持地球大气的碳 - 氧平衡起着关键作用，是地球上最重要的生化过程之一。然而，随着全球气候变化，这一 “魔法” 正面临诸多挑战。

近年来，受人类活动影响，全球气候变暖趋势明显，大气中二氧化碳（CO₂）浓度持续攀升，从工业革命前的 280ppm 一路飙升至 2020 年的 413.2ppm 以上，且每年还在以超过 2.1ppm 的速度增加。与此同时，极端天气事件愈发频繁，干旱便是其中之一，其强度、频率和持续时间都发生了显著变化，这给干旱和半干旱地区的农作物带来了巨大威胁。春小麦作为我国西北干旱和半干旱地区的主要粮食作物，不可避免地要应对渐进干旱胁迫和大气 CO₂浓度升高的双重挑战，其碳同化过程和光合效率受到严重影响。但令人遗憾的是，此前对于春小麦在多种环境因素交互作用下光合作用的连续动态变化，研究还十分有限。

为了深入了解春小麦在复杂环境变化中的光合响应机制，中国气象局干旱气象研究所等机构的研究人员展开了一项极具意义的研究，相关成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

研究人员采用盆栽控制实验的方法，选择 “定西新 24” 和 “永良 4” 两个春小麦品种，分别在定西和武威的实验基地进行实验。实验设置了渐进干旱胁迫（DS）和对照（CK）两组处理，通过精确控制土壤水分，模拟不同程度的干旱环境。同时，利用 LI - 6400 便携式光合作用测量系统，搭配红 - 蓝 LED 光源和外部 CO₂小钢瓶，测量春小麦的光合作用 - 光响应曲线和光合作用 - CO₂响应曲线，并运用特定的光响应模型和 CO₂响应模型对数据进行拟合分析，从而获取一系列光合生理参数。

实验结果

1. 光合作用 - 光响应曲线参数变化：渐进干旱胁迫导致春小麦光合作用 - 光响应曲线的各项参数均呈逻辑斯蒂下降趋势。当土壤水分充足时，参数围绕平均值波动；而随着土壤水分减少，参数逐渐降低，且存在明显的阈值，当相对土壤湿度（RSM）低于 50% 时，参数下降更为显著。其中，最大净光合速率（A_{max - 1}）和饱和光强（I_sat）受干旱影响最大，暗呼吸速率（R_d）、表观量子效率（AQY）和初始斜率（α_p）次之，光补偿点（I_c）受影响最小。这表明干旱胁迫严重削弱了春小麦的光合能力，且对强光下的光合作用影响更大。不过，干旱胁迫也在一定程度上增强了春小麦利用弱光的能力，但整体上其利用光资源的能力还是下降了。
2. 光合作用 - CO₂响应曲线参数变化：渐进干旱胁迫对春小麦光合作用 - CO₂响应曲线参数的影响各不相同。随着 RSM 降低，最大净光合速率（A_{amax - C}）、初始斜率（α_a）和光呼吸速率（R_ap）下降，而 CO₂补偿点（C_ac）升高，饱和 CO₂浓度（C_asat）在 RSM 大于 25% 时变化不大，当 RSM 略大于 20% 时开始下降。不同程度的干旱对各参数影响不同，轻度干旱时 A_{amax - C}受影响最大，中度干旱时 α_a受影响最大，重度干旱时 C_ac受影响最大。这说明干旱胁迫降低了春小麦在不同 CO₂浓度下的光合能力，高 CO₂浓度在轻度干旱时对光合能力削弱更明显，低 CO₂浓度在重度干旱时对光合能力削弱更明显。
3. 主成分分析（PCA）结果：对光响应参数和 CO₂响应参数进行 PCA 分析发现，CK 和 DS 样本在各自组内聚类明显，但光响应参数两组间差异不显著，CO₂响应参数两组间差异显著。这表明不同干旱强度下光响应曲线线性变化不明显，而 CO₂响应曲线变化更复杂，各参数受干旱影响程度不同。
4. 最佳光强（I_opt）和最佳 CO₂浓度（CO_{2 opt}）变化：渐进干旱胁迫使春小麦的 I_opt下降，其变化趋势符合逻辑斯蒂模型，在 RSM 约 50% 时出现阈值。而 CO_{2 opt}在非干旱至重度干旱阶段（RSM>30%）保持稳定，为 800μmol?mol^-1，在极端干旱（RSM<30%）时变化不定。

研究结论与意义

本研究通过对春小麦在渐进干旱胁迫下光合作用的深入探究，发现干旱胁迫显著影响了春小麦的光合效率和碳同化能力。利用逻辑斯蒂和指数模型准确描述了光响应曲线和 CO₂响应曲线参数的变化，明确了不同干旱程度下春小麦对光和 CO₂的利用能力变化规律，以及最佳光强和最佳 CO₂浓度的数值。

这些研究成果为我们理解春小麦应对干旱胁迫的机制提供了重要依据，有助于指导农业生产实践。例如，在未来气候变化背景下，农业生产者可以根据土壤水分状况合理调控光照强度，采用节水灌溉和覆盖等技术保持土壤水分，优化种植密度提高光能利用效率，增加有机肥施用或秸秆还田提升土壤 CO₂释放量。对于设施农业，还可以精准控制 CO₂浓度和光照强度，从而提高春小麦的光合效率和产量。同时，该研究也为生态系统碳循环研究、气候变化适应策略制定以及抗旱品种选育提供了关键的科学支撑。

总的来说，这项研究就像一把钥匙，为我们打开了春小麦在干旱胁迫下光合作用奥秘的大门，指引着我们在应对气候变化、保障粮食安全的道路上不断前行，让我们对未来农业的可持续发展充满希望。