劉 亮，張運(yùn)鑫，郝立華，馬保國，常志杰，殷嘉偉，劉媛媛，鄭云普

大氣CO2濃度倍增和高溫對玉米氣孔特征及氣體交換參數(shù)的影響

劉 亮1,2，張運(yùn)鑫1，郝立華1，馬保國1，常志杰1，殷嘉偉3，劉媛媛1，鄭云普1,2※

（1. 河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，邯鄲 056038；2. 河北省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，邯鄲 056038；3. 河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院，邯鄲 056038）

為深入了解未來大氣CO2濃度升高背景下玉米氣孔特征及氣體交換過程對高溫的響應(yīng)機(jī)理，該研究利用人工氣候室，探究在大氣CO2濃度400mol/mol（C400）和800mol/mol（C800）下，不同溫度處理（晝/夜）25/19 ℃、31/25 ℃和37/31 ℃對玉米氣孔特征及氣體交換參數(shù)的影響機(jī)理。結(jié)果表明：1）CO2濃度升高對玉米氣孔密度的影響并不顯著（> 0.05），增溫卻導(dǎo)致玉米不同軸面氣孔密度均顯著增加（< 0.001）；不同軸面氣孔密度的增加幅度均隨溫度升高而增大，葉片氣孔密度對環(huán)境溫度升高的響應(yīng)呈現(xiàn)出非線性變化趨勢。2）將環(huán)境溫度由25/19 ℃增加到37/31 ℃導(dǎo)致C400和C800處理下玉米蒸騰速率（r）分別提高57%和84%，且不同軸面的氣孔密度均與r之間存在較好的線性相關(guān)關(guān)系（近軸面2=0.69；遠(yuǎn)軸面2=0.71）。3）當(dāng)溫度從25/19 ℃升高到31/25 ℃，2個CO2濃度處理下玉米的n分別提高23%和21%，但環(huán)境溫度提高到37/31 ℃卻導(dǎo)致n分別降低24%和13%，說明高溫環(huán)境（37/31 ℃）對光合反應(yīng)位點(diǎn)造成生理傷害，而高濃度CO2緩解了高溫對玉米造成的生理脅迫。同時，37/31 ℃條件下玉米葉片光合系統(tǒng)II（）最大光化學(xué)效率（v/m）顯著降低的結(jié)果也直接支持了上述結(jié)論。研究結(jié)果有助于從氣孔特征的角度深入了解CO2濃度和溫度升高對玉米葉片氣體交換過程產(chǎn)生的影響，為未來氣候變化背景下實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物綠色高效提質(zhì)增產(chǎn)提供理論依據(jù)。

玉米；蒸騰；增溫；CO2富集；光合；氣孔特征

0 引 言

自19世紀(jì)西方工業(yè)革命以來，全球大氣CO2濃度急劇升高，有關(guān)研究預(yù)計到21世紀(jì)末大氣CO2濃度將由當(dāng)前的400mol/mol增加到800mol/mol，同時還將導(dǎo)致地球表面的平均氣溫提高約6.0 ℃[1]。因此，全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和糧食安全正在面臨CO2濃度升高和高溫脅迫帶來的雙重挑戰(zhàn)[2]。作為決定作物生長發(fā)育過程的關(guān)鍵環(huán)境因子，大氣CO2濃度和溫度不僅改變植物葉片氣孔特征[3-4]和氣體交換過程[5-6]，還協(xié)同調(diào)控作物的產(chǎn)量及其籽粒品質(zhì)[7]。鑒于此，大氣CO2濃度和溫度升高對農(nóng)作物糧食產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響的機(jī)理研究在當(dāng)前氣候變化背景下日益受到學(xué)者們的普遍關(guān)注[4-5]，故深入了解農(nóng)作物對CO2濃度和溫度升高的生理響應(yīng)機(jī)制將為實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物綠色高效提質(zhì)增產(chǎn)提供重要理論依據(jù)[6-7]。

氣孔是植物與大氣環(huán)境進(jìn)行CO2和水蒸氣交換的重要通道[8]，故植物的氣孔數(shù)量、氣孔開度及其分布狀況均影響葉片氣體交換效率[8-9]。然而，植物氣孔形態(tài)極易受環(huán)境溫度[5]、大氣CO2濃度[7]、空氣濕度[10]、土壤水分[8]、紫外線[11]等影響，進(jìn)而導(dǎo)致植物葉片氣體交換效率的變化[12]。以往研究已證實(shí)，溫度升高不僅對單個氣孔形態(tài)特征產(chǎn)生影響，而且改變?nèi)~片表面氣孔和表皮細(xì)胞的比例[5]。然而，目前有關(guān)氣孔形態(tài)特征及其分布狀況響應(yīng)增溫的研究結(jié)果仍存在較大差異，甚至得到截然相反的矛盾結(jié)論[8-9,13]。同時，農(nóng)作物葉片不同軸面氣孔形態(tài)特征及其分布狀況對增溫的響應(yīng)也呈現(xiàn)不一致的變化趨勢[3-4]。除溫度外，大氣CO2濃度也可以調(diào)控植物氣孔的生長發(fā)育過程[14-15]?；谠缙诒４嬷参飿?biāo)本獲取的長時間序列氣孔數(shù)據(jù)以及利用氣候室CO2富集試驗(yàn)結(jié)果均表明，大氣CO2濃度升高也可以改變許多植物物種的氣孔形態(tài)特征[4,12,14-16]。此外，大氣CO2濃度和溫度的升高還影響植物葉片的氣體交換過程[3]。通常而言，溫度可以調(diào)控植物代謝過程關(guān)鍵酶類的活性，從而對作物的光合與呼吸過程產(chǎn)生影響[3]；同時，CO2分子作為植物光合碳同化過程的基本原料之一，也直接決定著作物的光合同化效率[12-13]。盡管未來氣候變化情形下大氣CO2濃度倍增勢必導(dǎo)致全球氣溫升高，但當(dāng)前大部分研究仍主要集中在作物氣孔特征和氣體交換過程對單一環(huán)境因素的響應(yīng)[17-20]，而這并不能全面真實(shí)地反映未來氣候變化對農(nóng)作物生長發(fā)育過程的影響[5]。

眾所周知，玉米（L.）是一種在全世界廣泛分布的C4物種，也是中國最重要的糧食作物之一[5]。未來大氣CO2濃度升高和全球變暖勢必改變玉米的光合性能、蒸騰速率以及水分利用效率，并進(jìn)一步影響玉米產(chǎn)量[7]。然而，目前有關(guān)CO2濃度升高和增溫協(xié)同影響玉米氣孔特征和氣體交換過程的潛在機(jī)理尚不清楚[5,7]，尤其對于大氣CO2濃度和氣溫升高雙重影響下玉米氣孔特征與氣體交換效率之間關(guān)系的理解還存在較大的分歧[13,16]。因此，將葉片氣孔特征變化與氣體交換過程有機(jī)結(jié)合有助于準(zhǔn)確了解氣候變化背景下CO2濃度升高和增溫影響玉米產(chǎn)量的潛在機(jī)理。本文利用可精準(zhǔn)控制CO2濃度和溫度的大型氣候室，研究玉米氣孔特征及氣體交換參數(shù)對CO2濃度和溫度升高的響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)一步分析玉米氣孔特征與凈光合速率和蒸騰速率之間的關(guān)系，以期從氣孔特征變化的角度深入了解大氣CO2濃度和溫度升高協(xié)同影響玉米氣體交換過程的潛在機(jī)理，為未來氣候變化背景下實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物綠色高效提質(zhì)增產(chǎn)提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計

供試玉米品種鄭單958（L. cv. Zhengdan 958），采用6個大型人工氣候室（高1.8 m×寬1.8 m× 深0.67 m）進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，基質(zhì)采用壤土混合營養(yǎng)土配制（體積比3∶1）。本研究將6個氣候室均分為2組，其中CO2濃度分別設(shè)置為400mol/mol（C400）和800mol/mol（C800）。以往研究表明玉米生長的最適溫度范圍處于25～34 ℃[6,13]，為了進(jìn)一步明確玉米生長的最適溫度以及高溫脅迫對玉米生長的影響機(jī)理，將每組中3個氣候室的溫度（晝/夜）分別設(shè)置為對照（25/19 ℃）、中溫（31/25 ℃）、高溫（37/31 ℃）。盆栽玉米經(jīng)播種、發(fā)芽、間苗后每盆保留一株，移入氣候室進(jìn)行培養(yǎng)。每個氣候室中放置4盆，氣候室內(nèi)的光強(qiáng)1 000mol/(m2?s)、光照周期12 h（07:00-19:00）、相對空氣濕度50%～60%。60 d處理期內(nèi)，所有盆栽玉米每周澆1次，每次澆灌2.0 L自來水，每次均有水分從盆底小孔溢出。同時，每周使用Hoagland溶液澆灌1次，每次400 mL。為避免氣候室自身差異性對研究結(jié)果的影響，在整個處理期間，盆栽玉米每隔10 d輪換1次氣候室，以盡量消除氣候室本身給試驗(yàn)結(jié)果帶來的系統(tǒng)誤差。

1.2 測定指標(biāo)及方法

1.2.1 氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測量

從玉米植株頂端向下選取第1片完全展開的成熟葉片，利用便攜式光合測定系統(tǒng)（LI-6400XT，LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）測量玉米葉片氣體交換參數(shù)，包括凈光合速率（n）、蒸騰速率（r）、氣孔導(dǎo)度（g）等。測量氣體交換參數(shù)時，將葉室內(nèi)光強(qiáng)設(shè)置為1 000mol/(m2×s)、CO2濃度設(shè)定為氣候室內(nèi)相對應(yīng)的C400和C800、葉室測量溫度設(shè)置為玉米生長過程中氣候室內(nèi)相對應(yīng)的環(huán)境溫度。此外，利用葉綠素?zé)晒鉁y定儀（Handy PEA，Hansatech Instrument Ltd.，UK）測量玉米葉片光合系統(tǒng)II（PSII）的最大光化學(xué)效率（v/m）。

1.2.2 氣孔特征參數(shù)測量

利用透明指甲油采集玉米葉片表面的氣孔印跡，在配備有照相機(jī)的光學(xué)顯微鏡下對氣孔印跡進(jìn)行拍照，并測量和計算玉米氣孔長度、氣孔寬度、氣孔面積、氣孔周長、氣孔指數(shù)及氣孔面積指數(shù)[13]。

1.2.3 氣孔特征的觀察及拍照

首先，將采集的玉米葉片樣品經(jīng)磷酸緩沖液沖洗后，用1% (v/v) 鋨酸固定。然后，將葉片組織經(jīng)一系列梯度酒精脫水和干燥后進(jìn)行鍍膜處理。最后，利用掃描電子顯微鏡（XL30-FEG，F(xiàn)EI，Eindhoven，Netherlands）觀察氣孔特征并拍照。

1.2.4 葉片形態(tài)參數(shù)的測量

選取用于測定氣體交換參數(shù)的葉片，測量該葉片的長度和寬度，同時利用葉面積系數(shù)法計算葉片面積[21]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究采用單因素和雙因素方差分析法比較不同CO2濃度和溫度水平對玉米氣孔特征、氣體交換參數(shù)及葉片參數(shù)的影響及其交互效應(yīng)，而后利用S-N-K（Student-Newman-Keuls）法進(jìn)行多重比較，分析不同溫度和CO2濃度處理間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣CO2濃度倍增和高溫對玉米氣孔形態(tài)參數(shù)的影響

環(huán)境溫度升高導(dǎo)致玉米葉片表面氣孔個數(shù)（氣孔密度）顯著增多，但高CO2濃度并沒有顯著改變玉米氣孔密度（表1和表2）。將玉米生長溫度由25/19 ℃升高至31/25 ℃時，當(dāng)前大氣CO2濃度下（C400）玉米氣孔密度分別提高約15%（近軸面）和12%（遠(yuǎn)軸面）；同時升高CO2濃度（C800）處理下玉米葉片氣孔密度增加約15%（近軸面）和8%（遠(yuǎn)軸面）。相似地，繼續(xù)將環(huán)境溫度由31/25 ℃提高到37/31 ℃后，C400環(huán)境下玉米氣孔密度分別增加約28%（近軸面）和25%（遠(yuǎn)軸面），且C800處理下的氣孔密度提高約28%（近軸面）和26%（遠(yuǎn)軸面）。高溫導(dǎo)致2個CO2濃度下玉米不同軸面氣孔密度均有所增加，且近軸面氣孔密度提高的幅度卻明顯高于遠(yuǎn)軸面。此外，玉米葉片不同軸面氣孔密度增加幅度隨環(huán)境溫度的不斷升高而逐漸增大。利用掃描電子顯微鏡對玉米葉片表面氣孔進(jìn)行直接觀察的結(jié)果也證實(shí)了上述結(jié)論（圖1）。相對于25/19 ℃而言，環(huán)境溫度升至31/25 ℃，C400環(huán)境下玉米不同軸面的氣孔寬度分別降低4.2%（近軸面）和6.4%（遠(yuǎn)軸面）；同時C800環(huán)境下，增溫也導(dǎo)致玉米葉片氣孔寬度顯著降低4.4%（近軸面）和4.3%（遠(yuǎn)軸面）。將溫度由31/25 ℃提高到37/31 ℃后，C400環(huán)境下玉米的不同軸面的氣孔寬度降低約8.9%（近軸面）和6.8%（遠(yuǎn)軸面），且C800處理下氣孔寬度也下降13.9%（近軸面）和13.6%（遠(yuǎn)軸面）。該研究結(jié)果表明玉米葉片氣孔寬度隨溫度升高而不斷減小。此外，雙因素方差分析結(jié)果還表明CO2濃度和溫度對玉米近軸面氣孔寬度產(chǎn)生顯著的交互作用（< 0.05）。

表1 不同處理下玉米葉片近軸面氣孔特征參數(shù)

注：表中所有數(shù)據(jù)表示為平均值（標(biāo)準(zhǔn)偏差）。表中字母C代表CO2，其下標(biāo)為CO2濃度值；T代表溫度，下標(biāo)表示晝/夜溫度。不同小寫字母表示各個處理間差異顯著（< 0.05），下同。

Note: Values given are means (standard deviation). Letter C represents CO2, and its subscript represents the value of CO2concentration; letter T represents temperature, and its subscript represents day/night temperature. Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level. The same below.

表2 不同處理下玉米葉片遠(yuǎn)軸面氣孔特征參數(shù)

圖1 不同大氣CO2濃度和溫度下玉米葉片氣孔電鏡掃描圖

2.2 大氣CO2濃度倍增和高溫對玉米氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

玉米凈光合反應(yīng)速率（n）隨環(huán)境溫度升高呈先增加后降低的變化趨勢。C400與C800二氧化碳濃度處理下，當(dāng)溫度從25/19 ℃升高到31/25 ℃，玉米n分別提高約23%和21%，但繼續(xù)提高溫度到37/31 ℃卻導(dǎo)致葉片n分別降低約24%和13%（表3）。此外，研究結(jié)果還表明，CO2濃度升高對n的影響在不同溫度處理下產(chǎn)生顯著差異（表3）。在25/19 ℃和31/25 ℃處理下CO2濃度升高對n造成的影響并不顯著，但高溫（37/31 ℃）處理下CO2濃度升高卻導(dǎo)致n顯著提高約16%（表3）；同時，在高溫（37/31 ℃）處理下玉米葉片PSII的最大光化學(xué)效率（v/m）較中溫處理（31/25 ℃）也顯著降低。此外，在高溫處理下（37/31 ℃），CO2濃度富集提高v/m約10%（表3），表明當(dāng)玉米處于極端高溫環(huán)境時，大氣CO2濃度升高可以在一定程度上緩解高溫對玉米光合反應(yīng)位點(diǎn)造成的生理損傷。另外，不同CO2濃度下玉米蒸騰速率（r）均隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸增加，當(dāng)溫度由25/19 ℃增加到37/31 ℃分別導(dǎo)致C400和C800處理下r顯著提高約57%和84%（表3）。然而，大氣CO2濃度升高導(dǎo)致不同溫度處理下（25/19 ℃、31/25 ℃和37/31 ℃）玉米的r降低約22%、13%和10%（表3）；同時，高CO2濃度還導(dǎo)致3個溫度處理下玉米葉片的s分別下降約19%、7%和8%。此外，CO2濃度和溫度對玉米的n、s和v/m均產(chǎn)生顯著的交互效應(yīng)（表3）。

表3 不同處理下玉米葉片氣體交換參數(shù)

2.3 大氣CO2濃度倍增和高溫對玉米葉片形態(tài)參數(shù)的影響

圖2為大氣CO2濃度倍增和高溫條件下玉米葉片形態(tài)參數(shù)的變化，由圖2可知不同溫度處理下玉米葉片長度、寬度和面積均存在顯著差異，高溫（37/31 ℃）處理導(dǎo)致C400和C800條件下玉米葉片長度、寬度及葉面積相比25/19 ℃均降低約50%，表明在極端高溫條件下，不同CO2濃度環(huán)境下的玉米葉片均變得更小，說明高溫可能限制了玉米葉片的縱向生長和橫向伸展。不同環(huán)境溫度下玉米葉片長度、寬度和葉面積在2個CO2濃度之間并不存在顯著差異。此外，盡管高溫改變了玉米葉片形態(tài)特征，但卻沒有對單株玉米的葉片數(shù)量產(chǎn)生顯著影響，表明玉米植株主要通過調(diào)整葉片的形態(tài)特征適應(yīng)高溫環(huán)境。

2.4 大氣CO2濃度倍增和高溫條件下玉米氣孔特征與Pn及Tr的相關(guān)性分析

玉米葉片近軸面和遠(yuǎn)軸面的氣孔密度與n在25/19 ℃和31/25 ℃兩個溫度處理下均具有較好的相關(guān)關(guān)系（圖3），表明25/19 ℃和31/25 ℃溫度下玉米的n主要受氣孔因素的限制。然而，在高溫（37/31 ℃）處理下玉米葉片兩個軸面氣孔密度與n的相關(guān)性卻明顯降低，表明在37/31 ℃處理下玉米的光合反應(yīng)位點(diǎn)可能受到了高溫傷害，故高溫環(huán)境n的降低可能主要受非氣孔因素的限制。進(jìn)一步深入分析發(fā)現(xiàn)，相較于25/19 ℃和31/25 ℃2個溫度處理，37/31 ℃處理下玉米葉片的最大光化學(xué)效率（v/m）也顯著降低（< 0.05；表3），證實(shí)了極端高溫下玉米的光系統(tǒng)遭受到高溫傷害。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)玉米的氣孔密度隨著溫度升高而同向增加（表1和表2），但n卻隨著溫度升高呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢（表3），表明氣孔密度與n隨溫度升高的變化并不一致，也證實(shí)在高溫（37/31 ℃）下玉米n的下降主要受到非氣孔因素限制。此外，玉米葉片氣孔密度、氣孔面積指數(shù)與蒸騰速率之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系（圖4），表明氣孔密度和氣孔面積指數(shù)的增加均有助于提升葉片蒸騰。玉米葉片氣孔數(shù)量增加可以縮短葉片內(nèi)水分輸送到氣孔附近蒸騰位點(diǎn)的距離，減小水分在葉片中的傳輸阻力，氣孔面積指數(shù)的增加提高了葉片與大氣進(jìn)行水蒸氣交換的面積，均有助于提高玉米蒸騰速率。

圖2 大氣CO2濃度和溫度升高對玉米葉片形態(tài)特征的影響

圖3 玉米凈光合速率與氣孔密度的關(guān)系

圖4 玉米蒸騰速率與氣孔特征的關(guān)系

3 討 論

3.1 高溫對玉米氣孔密度的影響

目前，有關(guān)增溫對植物氣孔密度產(chǎn)生影響的結(jié)論還存在分歧。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)增溫對葉片氣孔密度無顯著影響[22]，而另有研究表明氣孔密度會隨溫度的升高而減少[9]或增加[4]。本研究發(fā)現(xiàn)玉米氣孔密度隨溫度升高而逐漸增加，并且氣孔密度與溫度之間存在非線性關(guān)系，即隨著環(huán)境溫度的不斷升高，玉米氣孔密度增加幅度也相應(yīng)變大。因此，小幅度增溫對植物氣孔密度的影響可能并不明顯，而較大的增溫幅度才能充分體現(xiàn)植物氣孔特征對溫度變化的響應(yīng)規(guī)律[4,13]，這可能是導(dǎo)致在不同增溫試驗(yàn)中研究結(jié)果不一致的主要原因[4,9,13,22-23]。值得注意的是，不同植物功能組或物種的氣孔對增溫敏感性差異也是導(dǎo)致上述矛盾結(jié)論的重要原因之一[9]。此外，植物氣孔特征還受物種自身遺傳因素的控制，喬孟等[24]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)2個類轉(zhuǎn)錄因子和共同調(diào)控氣孔發(fā)育過程中保衛(wèi)細(xì)胞的分化過程；而環(huán)境變化能夠引起植物細(xì)胞在分裂中通過對轉(zhuǎn)錄過程的精確調(diào)控，進(jìn)一步改變基因的表達(dá)量以適應(yīng)環(huán)境變化[23]。本研究結(jié)果表明，玉米葉片氣孔密度不僅隨著環(huán)境溫度升高而顯著增加，并且葉片近軸面的氣孔密度對增溫的響應(yīng)相比遠(yuǎn)軸面更加敏感，說明玉米葉片兩個軸面的氣孔數(shù)量可能受到了基因的調(diào)控，并且增溫對氣孔控制基因表達(dá)量的影響在不同軸面之間存在差異。同時，近期的研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，增溫會導(dǎo)致作物生育期縮短[5]，表皮細(xì)胞變小[22]，進(jìn)而增加葉片氣孔密度[3]。本研究結(jié)果也表明，增溫可以減小玉米葉片表皮細(xì)胞的伸展長度，進(jìn)而導(dǎo)致更短和窄的葉片，這也可能是導(dǎo)致玉米葉片氣孔密度增加的原因。更進(jìn)一步講，本研究中增溫導(dǎo)致玉米氣孔密度增加可以在較大程度上提高單位葉面積的蒸騰效率，有助于玉米葉片更高效的散失熱量，從而適應(yīng)高溫環(huán)境[3]。

3.2 大氣CO2濃度升高對玉米氣孔特征的影響

目前有關(guān)大氣CO2濃度升高影響農(nóng)作物的研究主要集中在葉片光合速率[5]、水分利用效率[5]和糧食產(chǎn)量[7]等方面，而未來CO2濃度升高條件下植物通過調(diào)整氣孔形態(tài)特征優(yōu)化葉片氣體交換效率的機(jī)理仍不清楚[8,15,25]。本研究將大氣CO2濃度由C400提高到C800并沒有顯著改變玉米的氣孔密度和氣孔指數(shù)，這可能是由于植物葉片表面分布?xì)饪椎臄?shù)量及其比例對CO2濃度升高的響應(yīng)在較低的CO2濃度環(huán)境下才更加顯著[26]。另外，植物葉片氣孔特征對CO2濃度的響應(yīng)還同其自身的光合類型有關(guān)[16,26]，通常C3植物的生理參數(shù)及葉片結(jié)構(gòu)特征對CO2濃度的升高表現(xiàn)的更加敏感，而C4植物對CO2濃度的響應(yīng)并不敏感[26]。本研究中高CO2濃度條件下玉米氣孔密度和氣孔指數(shù)均沒有產(chǎn)生明顯變化也可能是由于玉米的C4特性而造成的。大氣CO2濃度升高調(diào)節(jié)氣孔特征的機(jī)理目前還不清楚，但已有的研究結(jié)果表明，CO2濃度升高可以調(diào)控植物氣孔相關(guān)編碼基因的表達(dá)量，從而影響氣孔的發(fā)育過程[27]。此外，植物葉片的氣體交換效率還與氣孔的開張程度緊密聯(lián)系[12]。盡管植物氣孔密度和氣孔指數(shù)主要受長期的環(huán)境信號及其遺傳進(jìn)化過程影響，但氣孔開度卻可以快速響應(yīng)外界環(huán)境的短期變化。以往的相關(guān)研究結(jié)果表明，光照[28]、CO2濃度[19]、溫度[3]及土壤水分[8]等許多環(huán)境因子的短期變化均會對植物氣孔的開度產(chǎn)生影響。本研究結(jié)果也顯示，大氣CO2濃度升高導(dǎo)致玉米葉片氣孔開口面積的減小，可能是由于環(huán)境CO2濃度升高造成細(xì)胞間CO2濃度的增加，故玉米通過減小氣孔開度來限制更多的CO2分子通過氣孔從外界大氣擴(kuò)散到葉肉內(nèi)部并同時降低水分的蒸騰，從而獲得更優(yōu)的碳-水分配策略。

3.3 大氣CO2濃度升高條件下高溫對玉米氣孔特征和氣體交換效率的影響

本研究中的高溫處理增加了不同CO2濃度條件下玉米的氣孔的密度和葉片的蒸騰速率，且氣孔密度與蒸騰速率之間存在較好的線性相關(guān)關(guān)系，表明高溫可以導(dǎo)致氣孔密度的增加，從而提高葉片的蒸騰效率。然而，玉米的氣孔面積指數(shù)卻沒有隨溫度的升高而增加，表明植物通過氣孔散失水分的效率并不與氣孔面積呈正相關(guān)關(guān)系，而是同氣孔密度和氣孔周長成正比[3,29]。另外，當(dāng)溫度由25/19 ℃升高至31/25 ℃后，玉米的氣孔密度顯著增加，且同時伴隨氣孔導(dǎo)度和光合速率的提高，表明增溫可以使玉米葉片更高效的從大氣獲取CO2分子。此外，在25/19 ℃和31/25 ℃溫度處理下，玉米氣孔密度與n均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系（圖3），也證實(shí)此時玉光合主要受到氣孔的限制。然而，溫度由31/25 ℃增至37/31 ℃，玉米氣孔密度仍顯著增加，但n卻急劇降低，表明此時光合可能受到了由高溫脅迫引起的非氣孔因素限制。本研究中玉米葉片PSII最大光化學(xué)效率（v/m）在高溫下顯著降低的結(jié)果也直接支持了上述結(jié)論[30]。

已有研究發(fā)現(xiàn)在環(huán)境脅迫條件下，植物葉片可通過氣孔開閉對逆境做出相應(yīng)的反饋[31]，調(diào)節(jié)葉片細(xì)胞水分散失和光合效率間的平衡。故此，氣孔開度也是反映植物抗逆性的重要指標(biāo)之一。本研究結(jié)果表明，極端高溫（37/31 ℃）條件下，大氣CO2濃度升高可以顯著增加玉米的n，表明高濃度CO2可以在一定程度上緩解極端高溫對玉米產(chǎn)生的生理脅迫。筆者認(rèn)為，大氣CO2濃度升高緩解玉米高溫傷害的機(jī)理可能與CO2誘導(dǎo)玉米氣孔開度減小有關(guān)，這主要是由于植物氣孔開度、葉片溫度以及葉片內(nèi)水分狀況之間均存在著復(fù)雜的關(guān)系[32]，故究其原因可能是高溫環(huán)境下植物的葉片溫度升高，從而導(dǎo)致參與光合過程的關(guān)鍵酶類在高溫條件下活性降低，甚至徹底失活[3]；植物為了在極大程度上避免高溫傷害，通過增大氣孔的開張程度提高葉片的蒸騰速率，從而降低葉片溫度來適應(yīng)高溫環(huán)境[10,32-33]，但這同時會帶來葉片組織過度失水的風(fēng)險。然而，大氣CO2濃度升高不僅誘導(dǎo)氣孔開度減小以降低葉片蒸騰，還可以增加葉片的n，從而提高玉米葉片水平的水分利用效率[5]。本研究也發(fā)現(xiàn)，極端高溫環(huán)境（37/31 ℃）導(dǎo)致玉米葉片的蒸騰速率提高，而大氣CO2濃度升高可以誘導(dǎo)玉米氣孔的關(guān)閉，從而減少氣孔開度和葉片蒸騰，進(jìn)而平衡玉米葉片熱量散失和細(xì)胞水分之間的關(guān)系[10]，最終提高玉米抵抗高溫脅迫的能力[33]。類似地，Zhang等[10]對番茄幼苗的研究也發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫環(huán)境下大氣CO2濃度升高可以減小氣孔的開張程度，甚至關(guān)閉氣孔，進(jìn)一步降低葉片的蒸騰速率以防止番茄葉片中水分過度流失，從而提高番茄的抵抗熱脅迫的能力。

4 結(jié) 論

本研究深入探討大氣CO2濃度倍增和高溫對玉米葉片氣孔特征及其氣體交換效率的影響機(jī)理，得到以下主要結(jié)論：

1）環(huán)境溫度升高導(dǎo)致400和800mol/mol的二氧化碳濃度下玉米不同軸面的氣孔密度均明顯增加，且兩個軸面氣孔密度對溫度升高的響應(yīng)均呈現(xiàn)非線性的變化趨勢，但玉米葉片近軸面氣孔密度對增溫的響應(yīng)相比遠(yuǎn)軸面更加敏感。

2）當(dāng)晝/夜溫度由25/19 ℃提高到31/25 ℃時，不同CO2濃度下玉米葉片n主要受氣孔因素限制，而玉米可以在一定程度上通過調(diào)整氣孔密度優(yōu)化葉片的氣體交換效率，從而提高葉片凈光合速率和蒸騰速率。

3）當(dāng)溫度繼續(xù)升高到37/31 ℃時，玉米的n主要受非氣孔因素限制，而大氣CO2濃度升高能夠減小氣孔開度和葉片蒸騰，從而維持葉片熱量散失與葉肉細(xì)胞水分含量之間的平衡關(guān)系，提高葉片抵抗高溫傷害的能力，緩解高溫對玉米造成的生理脅迫。

[1] Inergovernmental Panel on Climate Change. “Summary for Policymakers, ” in Climate Change and Land: An IPCC Special Report on Climate Change, Desertifcation, Land Degradation, Sustainable Land Management, Food Security, and Greenhouse Gas Fuxes in Terrestrial Ecosystems[R]. Geneva: IPCC, 2019.

[2] Wang B, Cai W, Li J, et al. Leaf photosynthesis and stomatal conductance acclimate to elevated [CO2] and temperature thus increasing dry matter productivity in a double rice cropping system[J]. Field Crops Research, 2020, 248: 107735.

[3] Hao L, Guo L, Li R, et al. Responses of photosynthesis to high temperature stress associated with changes in leaf structure and biochemistry of blueberry (L.)[J]. Scientia Horticulturae, 2019, 246: 251-264.

[4] 張茜茜，王海峰. 大氣 CO2濃度倍增和增溫對冬小麥氣孔特征的協(xié)同效應(yīng)[J]. 東北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，46(1)：25-30.

Zhang Xixi, Wang Haifeng. Interactive effects of doubling CO2concentration and experimental warming on the stomatal traits of winter wheat[J]. Journal of Northeast Agricultural Sciences, 2021, 46(1): 25-30. (in Chinese with English abstract)

[5] 劉亮，郝立華，李菲，等. CO2濃度和溫度對玉米光合性能及水分利用效率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(5)：122-129.

Liu Liang, Hao Lihua, Li Fei, et al. Effects of CO2concentration and temperature on leaf photosynthesis and water efficiency in maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 122-129. (in Chinese with English abstract)

[6] Kim S H, Gitz D C, Sicher R C, et al. Temperature dependence of growth, development, and photosynthesis in maize under elevated CO2[J]. Environmental and Experimental Botany, 2007, 61(3): 224-236.

[7] Abebe A, Pathak H, Singh S D, et al. Growth, yield and quality of maize with elevated atmospheric carbon dioxide and temperature in north-west India[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2016, 218: 66-72.

[8] Fan X, Cao X, Zhou H, et al. Carbon dioxide fertilization effect on plant growth under soil water stress associates with changes in stomatal traits, leaf photosynthesis, and foliar nitrogen of bell pepper (L. )[J]. Environmental and Experimental Botany, 2020, 179: 104203.

[9] 左聞韻，賀金生，韓梅，等. 植物氣孔對大氣CO2濃度和溫度升高的反應(yīng)—基于在CO2濃度和溫度梯度中生長的10種植物的觀測[J]. 生態(tài)學(xué)報，2005，25(3)：565-574.

Zuo Wenyun, He Jinsheng, Han Mei, et al. Responses of plant stomata to elevated CO2and temperature: observations from 10 plant species grown in temperature and CO2gradients[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(3): 565-574. (in Chinese with English abstract)

[10] Zhang H, Pan C, Gu S, et al. Stomatal movements are involved in elevated CO2-mitigated high temperature stress in tomato[J]. Physiologia Plantarum, 2018, 165(3): 569-583.

[11] Yang J, Li C, Kong D, et al. Light-mediated signaling and metabolic changes coordinate stomatal opening and closure[J]. Frontiers in Plant Science, 2020, 11: 601478.

[12] Xu M. The optimal atmospheric CO2concentration for the growth of winter wheat[J]. Journal of Plant Physiology, 2015, 184: 89-97.

[13] 鄭云普，徐明，王建書，等. 玉米葉片氣孔特征及氣體交換過程對氣候變暖的響應(yīng)[J]. 作物學(xué)報，2015，41(4)：601-612.

Zheng Yunpu, Xu Ming, Wang Jianshu, et al. Responses of the stomatal traits and gas exchange of maize leaves to climate warming[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(4): 601-612. (in Chinese with English abstract)

[14] Heath O V S. Control of stomatal movement by reduction in the normal carbon dioxide content of the air[J]. Nature, 1948, 161: 179-181.

[15] Beerling D J, Royer D L. Reading a CO2signal from fossil stomata[J]. New Phytologist, 2002, 153(3): 387-397.

[16] Driscoll S P, Prins A, Olmos E, et al. Specification of adaxial and abaxial stomata, epidermal structure and photosynthesis to CO2enrichment in maize leaves[J]. Journal of Experimental Botany, 2005, 57: 381-390.

[17] 蘇營，張逸飛，牟文雅，等. 大豆主要株型和產(chǎn)量指標(biāo)對大氣CO2和溫度升高的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報，2016，36(9)：2597-2606.

Su Ying, Zhang Yifei, Mou Wenya, et al. Morphological traits and yield of soybean under elevated atmospheric CO2concentration and temperature[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(9): 2597-2606. (in Chinese with English abstract)

[18] Wang D R, Bunce J A, Tomecek M B, et al. Evidence for divergence of response in Indica, Japonica, and wild rice to high CO2× temperature interaction[J]. Global Change Biology, 2016, 22(7): 2620-2632.

[19] 李菲，劉亮，張浩，等. CO2濃度對大豆葉片氣孔特征和氣體交換參數(shù)的影響[J]. 作物學(xué)報，2018，44(8)：1212-1220.

Li Fei, Liu Liang, Zhang Hao, et al. Effects of CO2concentrations on stomatal traits and gas exchange in leaves of soybean[J]. Acta Agronomica Sinica, 2018, 44(8): 1212-1220. (in Chinese with English abstract)

[20] Sage R F. Variation in thecatof Rubisco in C3and C4plants and some implications for photosynthetic performance at high and low temperature[J]. Journal of Experimental Botany, 2002, 53: 609-620.

[21] 楊國虎，李建生，羅湘寧，等. 干旱條件下玉米葉面積變化及地上干物質(zhì)積累與分配的研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，33(5)：27-32.

Yang Guohu, Li Jiansheng, Luo Xiangning, et al. Studies on leaf area change and above-ground dry material accumulation and distribution of maize in different droughts[J]. Journal of Northwest A&F University(Natural Science Edition), 2005, 33(5): 27-32. (in Chinese with English abstract)

[22] Zheng Y P, Xu M, Hou R X, et al. Effects of experimental warming on stomatal traits in leaves of maize (L. )[J]. Ecology and Evolution, 2013, 3(9): 3095–3111.

[23] Apple M E, Olszyk D M, Ormrod D P, et al. Morphology and stomatal function of douglas fir needles exposed to climate change: elevated CO2and temperature[J]. International Journal of Plant Sciences, 2000, 161(1): 127-132.

[24] 喬孟，于延沖，向鳳寧. 擬南芥類轉(zhuǎn)錄因子在環(huán)境脅迫中的作用[J]. 生命科學(xué)，2009，21(1)：145-150.

Qiao Meng, Yu Yanchong, Xiang Fengning. The roles of thetranscription factors in the stress responses[J]. Chinese Bulletin of Life Sciences, 2009, 21(1): 145-150. (in Chinese with English abstract)

[25] Royer D L. Stomatal density and stomatal index as indicators of paleoatmospheric CO2concentration[J]. Review of Palaeobotany and Palynology, 2001, 114(1-2): 1-28.

[26] Bettarini I, Vaccari F P, Miglietta F. Elevated CO2concentrations and stomatal density: Observations from 17 plant species growing in a CO2spring in central Italy[J]. Global Change Biology, 1998, 4(1): 17-22.

[27] Gray J E, Holroyd G H, Van Der Lee F M, et al. The HIC signalling pathway links CO2perception to stomatal development[J]. Nature, 2000, 408: 713-716.

[28] 陳斌，劉筱瑋，賈琳，等. 光強(qiáng)對4種鴨跖草科植物生長和光合特性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2022，42(4)：1450-1461.

Chen Bin, Liu Xiaowei, Jia Lin, et al. Effects of light intensity on the growth and photosynthetic characteristics of fourplants[J]. Acta Ecologica Sinica, 2022, 42(4): 1450-1461. (in Chinese with English abstract)

[29] 武維華. 植物生理學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2018.

[30] Janka E, K?rner O, Rosenqvist E, et al. Using the quantum yields of photosystem II and the rate of net photosynthesis to monitor high irradiance and temperature stress in chrysanthemum ()[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2015, 90: 14-22.

[31] 楊愛崢，李志磊，付強(qiáng)，等. CO2濃度倍增和土壤鹽脅迫對藜麥生理特征及產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(4)：181-187.

Yang Aizheng, Li Zhilei, Fu Qiang, et al. Effects of elevated atmospheric CO2on physiological characteristics and yield of quinoa to salinity stress[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(4): 181-187. (in Chinese with English abstract)

[32] Kumar A, Omae H, Egawa Y, et al. Influence of water and high temperature stress on leaf water status of high temperature tolerant and sensitive cultivars of snap bean (L. )[J]. Japanese Journal of Tropical Agriculture, 2005, 49: 109-118.

[33] 鄭云普，常志杰，范曉懂，等. CO2濃度升高和磷素虧缺對黑麥草氣孔特征及氣體交換參數(shù)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(18)：82-89.

Zheng Yunpu, Chang Zhijie, Fan Xiaodong, et al. Effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of ryegrasse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 82-89. (in Chinese with English abstract)

Effects of double atmospheric CO2concentration and high temperature on the stomatal traits and leaf gas exchange of maize plants

Liu Liang1,2, Zhang Yunxin1, Hao Lihua1, Ma Baoguo1, Chang Zhijie1, Yin Jiawei3, Liu Yuanyuan1, Zheng Yunpu1,2※

(1.,,056038,;2.,056038,;3.,,056038,)

To further understand the response mechanism of stomatal traits and leaf gas exchange of maize (L.) to elevated CO2concentration and high temperature stress, we examined the combined effects of double atmospheric CO2concentration and high temperature on plant growth, stomatal traits, and leaf gas exchange parameters of maize grown at six environmental growth chambers with three temperature regimes ((day/night) 25/19 ℃, 31/25 ℃, and 37/31 ℃) and two CO2concentrations (400mol/mol (C400) and 800mol/mol (C800)), respectively. These environmental growth chambers were controlled with the same environmental factors, where the Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD) was 1 000mol/(m2·s) and the relative humidity was 50% to 60%. In each chamber, we measured the net photosynthetic rate (n), transpiration rate (r)and stomatal conductance (s) using a portable photosynthesis system (LI-6400XT, LI-COR Inc., Lincoln, NE, USA). The maximum photochemical efficiency of PSII (v/m) was estimated by measuring chlorophyll fluorescence with a photosynthesis efficiency analyzer (Handy PEA, Hansatech Instrument Ltd., Norfolk, UK). In addition, we also measured the leaf area, leaf length, and leaf width as well as the final leaf number of maize plants. The results showed that: 1) The stomatal density of maize was significantly increased by temperature (< 0.001), but barely affected by CO2concentration (> 0.05). Meanwhile, the increase of stomatal density on the adaxial leaf surface was significantly higher than that on the abaxial surface of maize leaves, which indicated that the response of stomatal density on the adaxial leaf surface to elevated temperature might be more sensitive than that on the abaxial leaf surface of maize. Furthermore, the results also showed that the increase of stomatal density was accelerated with the elevated temperature on both the adaxial and abaxial leaf surfaces of maize. 2)The leaf transpiration rate were significantly enhanced by 57% and 84% with increasing growth temperature(day/night) from 25/19 ℃ to 37/31 ℃at both the ambient (C400) and double atmospheric CO2concentrations (C800). And there were linear positive correlation between the stomatal density on the adaxial and abaxial leaf surfaces and the transpiration rate of maize plants (adaxial surface,2=0.69; abaxial surface,2=0.71), which indicated that the leaf transpiration rate could be improved by adjusting stomatal density to optimize leaf gas exchange efficiency under high temperature environment.3) The net photosynthetic rate (n) of maize was also significantly enhanced by 23% and 21% with increasing temperature(day/night) from 25/19 ℃ to 31/25 ℃, however, thendrastically declined by 24% and 13% when the temperature increased from 31/25 ℃ to 37/31 ℃ at both CO2concentrations, which indicated that the high temperature (37/31 ℃) might result in physiological damages to the sites of photosynthetic reaction center, but this thermal stress from high temperature could be alleviated by elevated CO2concentration. Also, the maximum photochemical efficiency (v/m) of maize drastically decreased at both CO2concentrations when the temperature was elevated from 31/25 ℃ to 37/31 ℃. Overall, The results in this study maybe of significance for further understanding the potential mechanisms and processes of elevated atmospheric CO2concentration mitigating the physiological damage of high temperature to maize plants under future climate change.

maize; transpiration; elevated temperature; CO2enrichment; photosynthesis; stomatal traits

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.008

S164.5

A

1002-6819(2022)-22-0073-08

劉亮，張運(yùn)鑫，郝立華，等. 大氣CO2濃度倍增和高溫對玉米氣孔特征及氣體交換參數(shù)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(22)：73-80.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.008 http://www.tcsae.org

Liu Liang, Zhang Yunxin, Hao Lihua, et al. Effects of double atmospheric CO2concentration and high temperature on the stomatal traits and leaf gas exchange of maize plants[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 73-80. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.008 http://www.tcsae.org

2022-09-23

2022-11-10

國家自然科學(xué)基金面上項目（32071608）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項目（226Z6401G）；河北省自然科學(xué)基金項目（E2021402031）

劉亮，博士生，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水資源高效利用與調(diào)控。Email：liuliang_12345@sina.com

鄭云普，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土工程及全球變化生態(tài)學(xué)。Email：zhengyunpu_000@sina.com