植物碳代谢研究中13CO2/12CO2标记系统的污染评估与规避策略

本研究针对长期13CO2/12CO2标记实验中碳同位素污染问题，通过平行生长室对比实验，系统评估了不同CO2浓度（200-800 μmol mol-1）下生物量、水溶性碳水化合物（WSC）及暗呼吸的污染程度，证实整体污染率仅3.3%，为气候变化情景下的植物碳通量研究提供了可靠方法学基础。

　　

在气候变化研究领域，精确量化植物碳（C）代谢过程对理解生态系统功能至关重要。然而，长期¹³CO₂/¹²CO₂标记实验中，碳同位素污染问题长期未被系统评估——这可能导致对光合产物分配、呼吸底物来源等关键过程的误判。尤其在模拟不同大气CO₂浓度（[CO₂]）时，频繁的实验操作更可能引入污染，但相关影响程度和规避策略仍属空白。

针对这一挑战，德国慕尼黑工业大学（Technische Universit?t München）的研究团队设计了一项创新性研究。他们利用四单元平行生长室系统，通过对比¹³C标记（δ¹³C_CO2 -5.6‰）与¹³C贫化（-43.5‰）CO₂处理，在模拟末次盛冰期（200 μmol mol^-1）、当前（400 μmol mol^-1）和未来（800 μmol mol^-1）[CO₂]条件下，对多年生黑麦草（Lolium perenne）进行了为期9周的培养。研究特别聚焦于实验干扰高峰期（最后2周）后的污染累积情况，通过δ¹³C差异分析（dδ¹³C_X）量化了生物量组分、WSC（果聚糖、蔗糖、葡萄糖、果糖）及暗呼吸CO₂的污染比例（f_contam）。论文发表于《Plant Methods》，为生态生理学研究提供了方法学范本。

关键技术方法包括：1）定制化四室平行气体交换系统，集成连续流动同位素比质谱（CF-IRMS）实时监测δ¹³C_CO2；2）双CO₂源（矿物/化石有机）对比设计；3）高效水溶性碳水化合物（WSC）的HPLC分离与同位素分析；4）基于Farquhar模型的污染计算公式f_contam = 1–dδ¹³C_X/dδ¹³C_Ref；5）三梯度[CO₂]处理下的长期培养实验。

研究结果

背景

系统阐述了¹³C标记技术在植物碳通量研究中的独特价值，指出开放系统中污染评估的空白。通过平行生长室设计（图1），建立了污染量化的理论框架：当样品碳完全来自标记CO₂时，实测dδ¹³C_X应等于理论dδ¹³C_Ref。

材料与方法

验证了系统稳定性：[CO₂]控制偏差<2%（图4），δ¹³C_CO2在冠层封闭后保持稳定（图5）。WSC提取采用93℃热水浴结合HPLC分离（图3），确保组分纯度。

污染评估

关键发现包括：

1. 生物量与WSC污染率平均仅3.3%（±0.9%），且不受[CO₂]影响（P>0.05）（表3）

2. WSC处理过程未引入额外污染（果聚糖、蔗糖等组分污染率与整体生物量无差异）

3. 暗呼吸污染在200/400 μmol mol^-1 [CO₂]下与生物量相当，但在800 μmol mol^-1时未检出（表2），提示高[CO₂]可能抑制外源CO₂混入

讨论与结论

研究证实污染主要源于日间操作时外源CO₂（δ¹³C≈-27.6‰）的光合固定，而非样品处理过程。通过气闸设计（图S3）和正压维持，系统实现了：

1. 跨[CO₂]梯度的精确标记（误差<1.1‰）

2. WSC组分无提取污染，支持代谢流研究可靠性

3. 呼吸污染机制解析：200-400 μmol mol^-1下主要来自底物污染，而高[CO₂]可能改变气体交换动力学

该工作为气候变化情景下的长期碳标记实验建立了黄金标准，其提出的污染评估框架（公式2）和操作规范（如限时操作、正压维持）可推广至其他开放系统研究。特别值得注意的是，3.3%的污染率与商业级同位素富集系统的本底误差相当，证实了该系统的工业级可靠性。这些发现对精确量化植物碳分配、生态系统呼吸分区等关键过程具有重要方法论意义。