作物应对复杂光环境的光合作用机制

Abstract

光不仅是光合作用的驱动力,还是影响作物光合器官结构和功能的重要环境因子。虽然光合作用有其适宜的光强需求,但作物在光合作用过程中将不得不面对非常复杂的光环境。因此,作物光合作用能否适应复杂的光环境直接涉及其同化物生产、生长发育,甚至产量。光合器官对强光或弱光的响应规律和机制一直是作物适应光环境的重要研究内容。强光下,作物叶片的叶面积降低、叶片变厚、气孔密度增加;生化组成上,单位叶面积的叶绿素、叶黄素、电子载体、Rubisco的量以及叶绿素a/b比值均较高;叶片功能表现为光合能力和气孔导度高,对过剩激发能的耗散能力强。更重要的是,无论强光还是弱光环境,光环境的改变都是光强与照光时间的交互作用。较短的强光生长条件下,作物叶片一般倾向于提高光合能力,把较多的光能分配到光合碳同化;诱导光破坏防御则要求相对更长的强光光照时间;而且,随着照光时间的变化,光能吸收和捕获一直是光合作用过程中的重要调控位点。弱光下,作物光合器官的表现则恰恰相反。因此,弱光下生长的叶片遭遇强光时光抑制程度不可避免的比强光下生长的叶片要严重,极端条件下甚至还会发生光破坏和光漂白,进而影响植株的生长和发育。此外,田间条件下作物冠层上部叶片往往处于强光下,而下部叶片则处于弱光;栽培密度的提高会加剧这种情况。因此,田间植株个体实际上经常处于严重异质性光环境中。该条件下,植株下部叶片的光合能力和强光敏感性等会一定程度上通过系统信号调节冠层上部叶片的发育和光合特性,而叶上部叶片叶绿体的大小和垛叠程度受系统调控的影响较小。上述结果暗示密植导致的群体内光强减弱和异质性增强会较大程度上影响其个体光合功能。理解复杂光环境下作物光合作用的适应规律和调节机制不仅对发展和完善高光效栽培理论有重要科学价值,而且对推动栽培技术进步和品种定向改良具有重要实践意义。</p