基于FvCB模型的植物光合生理生態(tài)特性研究
發(fā)布時(shí)間：2017-12-09 23:17
本文關(guān)鍵詞：基于FvCB模型的植物光合生理生態(tài)特性研究
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【摘要】：光合作用是地球上能量、氧氣和有機(jī)物的主要來(lái)源之一。目前,植物光合作用與光、CO_2的關(guān)系是植物生理生態(tài)研究中的重要問(wèn)題。由于光合作用包括光合電子傳遞、光合碳同化、光呼吸和葉片內(nèi)CO_2擴(kuò)散路徑等復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程,這使得光合生理生化過(guò)程相關(guān)的葉片離體實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展。因此,人們常采用光合模型對(duì)不同環(huán)境條件下植物葉片的光合特性進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究常采用光合數(shù)學(xué)模型模擬不同環(huán)境條件下植物葉片CO_2氣體交換數(shù)據(jù)以探索植物葉片光合特性與環(huán)境因子間的關(guān)系,但這難以反映葉片內(nèi)部的光合生理生化反應(yīng)信息。而基于Rubisco酶羧化反應(yīng)、光合電子傳遞、TPU轉(zhuǎn)運(yùn)、葉片內(nèi)CO_2擴(kuò)散等光合過(guò)程建立的FvCB模型(C_3植物光合生化模型)常用來(lái)研究不同環(huán)境因子對(duì)葉片活體內(nèi)部光合生理生化過(guò)程的影響。盡管?chē)?guó)外已經(jīng)開(kāi)展了大量FvCB模型及其應(yīng)用相關(guān)研究,但國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究還相對(duì)較少。鑒于此,本研究以亞熱帶地區(qū)常見(jiàn)植物為對(duì)象,采用FvCB模型及其擴(kuò)展模型對(duì)植物葉片氣體交換或(和)葉綠素?zé)晒馔綌?shù)據(jù)進(jìn)行模擬,分析多相脈沖(multiphase flash,MPF)和飽和脈沖(rectangular flush,RF)等光脈沖方案對(duì)植物葉片光合生理生化參數(shù)估計(jì)的影響,以評(píng)價(jià)2個(gè)方案在亞熱帶森林主要樹(shù)種光合作用研究中的適應(yīng)性;開(kāi)展光響應(yīng)曲線(xiàn)的光合生理生化模型模擬研究,以探索光響應(yīng)曲線(xiàn)FvCB模型參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性;研究幾種草本和木本植物的光合能力差異及其光合生理生化原因,以揭示影響不同物種和不同生活型植物光合能力的葉片內(nèi)部光合生理生化特性;分析葉片光合生理對(duì)光強(qiáng)和CO_2變化的響應(yīng),以闡明CO_2濃度和PAR增加對(duì)葉片光合能力及光合生理生化特性的影響。最后,基于FvCB模型核心算法程序構(gòu)建單葉氣體交換和葉綠素?zé)晒馔綌?shù)據(jù)的光合生理生化模型在線(xiàn)分析平臺(tái)。主要研究結(jié)果如下:1.采用MPF和RF方案分別對(duì)苦櫧、青岡和烏桕3個(gè)樹(shù)種葉片的氣體交換和葉綠素?zé)晒馔綌?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,并對(duì)兩種方案估計(jì)的光下最大熒光(F_m′)及其計(jì)算參數(shù)PSⅡ光化學(xué)效率(ΦPSII)、PSⅡ的電子傳遞速率(J)、最大電子傳遞速率(J_(max))、葉肉導(dǎo)度(gm)和葉綠體內(nèi)CO_2濃度(Cc)等光合參數(shù)進(jìn)行比較,分析兩種方案對(duì)3個(gè)樹(shù)種葉片6個(gè)光合參數(shù)的影響。結(jié)果表明:當(dāng)光合有效輻射(PAR)200μmol·m 2·s 1時(shí),兩種方案對(duì)苦櫧、青岡和烏桕葉片F(xiàn)_m′、ΦPSII和J的估計(jì)無(wú)顯著影響;當(dāng)PAR200μmol·m 2·s 1時(shí),采用MPF方案獲得的苦櫧、青岡和烏桕的F_m′分別比RF方案獲得的F_m′大3.5%~5.2%、11.7%~18.0%和3.2%~7.1%;當(dāng)PAR200μmol·m 2·s 1時(shí),采用MPF方案獲得的ΦPSII、J和J_(max)分別不同程度大于RF方案獲得的參數(shù),gm和Cc分別不同程度小于RF方案獲得的參數(shù)。由此可知,當(dāng)PAR較低(200μmol·m 2·s 1)時(shí),MPF與RF方案對(duì)植物葉片F(xiàn)_m′、ΦPSII、J的估計(jì)沒(méi)有顯著影響;當(dāng)PAR較高(≥200μmol·m 2·s 1)時(shí),MPF與RF方案對(duì)植物葉片F(xiàn)_m′、ΦPSII、J、J_(max)、gm和Cc的估計(jì)有顯著影響;RF方案對(duì)植物葉片的F_m′、ΦPSII、J和J_(max)比MPF方案分別有不同程度的低估、對(duì)gm和Cc則有不同程度的高估。2.采用FvCB模型及其擴(kuò)展模型對(duì)5種植物的光響應(yīng)曲線(xiàn)(A/PAR曲線(xiàn))、CO_2響應(yīng)曲線(xiàn)(A/Ci曲線(xiàn))、A/PAR和A/Ci結(jié)合曲線(xiàn)(A/PAR-A/Ci曲線(xiàn))、熒光A/PAR曲線(xiàn)、熒光A/Ci曲線(xiàn)、熒光A/PAR和A/Ci結(jié)合曲線(xiàn)(熒光A/PAR-A/Ci曲線(xiàn))等分別進(jìn)行模擬分析,并對(duì)6種曲線(xiàn)獲得的Rubisco酶最大羧化速率(V_(cmax))、J_(max)和gm等主要光合參數(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明:隨PAR的增大,植物葉片光合作用先受RuBP再生速率限制,再受Rubisco酶活性限制,未出現(xiàn)TPU限制。部分A/PAR曲線(xiàn)和熒光A/PAR曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)均屬于RuBP再生限制階段,不能獲得V_(cmax)參數(shù)。在30條A/PAR曲線(xiàn)中,有12條A/PAR曲線(xiàn)能獲得V_(cmax),所有曲線(xiàn)均能獲得J_(max)和gm。在30條熒光A/PAR曲線(xiàn)中,有20條能獲得V_(cmax),所有曲線(xiàn)均能獲得參數(shù)J_(max)和參數(shù)gm。A/PAR曲線(xiàn)、熒光A/PAR曲線(xiàn)獲得的V_(cmax)、J_(max)和gm參數(shù)分別與A/PAR-A/Ci曲線(xiàn)、熒光A/PAR-A/Ci曲線(xiàn)獲得的參數(shù)有很好的一致性。由此可知,A/PAR曲線(xiàn)或熒光A/PAR曲線(xiàn)也可以進(jìn)行FvCB模型模擬,并獲得準(zhǔn)確的參數(shù)估計(jì)。3.采用直角雙曲線(xiàn)修正模型和FvCB模型對(duì)7種木本植物和4種草本植物的CO_2響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,并對(duì)不同木本植物、不同草本植物和2種生活型植物的光合能力(Pnmax)、V_(cmax)、J_(max)、gm和光下暗呼吸速率(Rd)等參數(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明:7種木本植物Pnmax大小順序?yàn)闉蹊�、苧麻潤(rùn)楠、海桐青岡、苦櫧、娜塔櫟;烏桕、苧麻、潤(rùn)楠和海桐的V_(cmax)顯著大于青岡和苦櫧;J_(max)大小順序?yàn)闉蹊昶r麻、海桐娜塔櫟、苦櫧和青岡;潤(rùn)楠和苦櫧的gm顯著小于烏桕、海桐和苧麻。商陸的Pnmax顯著大于藿香薊和土牛膝;4種草本植物的V_(cmax)無(wú)顯著差異;商陸的J_(max)顯著大于藿香薊;龍葵和土牛膝的gm顯著小于于藿香薊;商陸的Rd顯著大于藿香薊和土牛膝。木本植物的Pnmax、V_(cmax)和J_(max)光合參數(shù)均顯著大于草本植物,但gm顯著小于草本植物且二者的Rd無(wú)顯著差異。不同物種之間以及2種生活型植物光合能力的差異主要是由葉片內(nèi)部Rubisco酶羧化能力、電子傳遞能力和葉肉阻力等差異引起的。4.采用直角雙曲線(xiàn)修正模型和FvCB擴(kuò)展模型對(duì)不同CO_2濃度和光強(qiáng)下苦櫧、青岡和烏桕葉片的氣體交換數(shù)據(jù)及葉綠素?zé)晒馔綌?shù)據(jù)進(jìn)行擬合,并對(duì)不同CO_2濃度和光強(qiáng)下3種植物的Pnmax、最大凈光合速率(Amax)、V_(cmax)、J_(max)、Rd、J、氣孔導(dǎo)度(gs)和gm等參數(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明:3種植物葉片光合速率隨光強(qiáng)或CO_2濃度的增大而增大,最大凈光合速率隨葉面CO_2濃度的增大而增加,光合能力隨光強(qiáng)的增加而增大。PSII電子傳遞速率(J)均隨光強(qiáng)的增大而增大。當(dāng)Ci濃度較低時(shí)(Ci40 Pa),J隨Ci增加而增大,當(dāng)Ci濃度較高時(shí)(Ci40 Pa),J隨Ci的增加保持平穩(wěn)。3個(gè)樹(shù)種的氣孔導(dǎo)度(gs)和葉肉導(dǎo)度(gm)均隨光強(qiáng)的增大而增大,而且葉面CO_2濃度的升高會(huì)使gs和gm減小。胞間CO_2濃度(Ci)和葉綠體Rubisco酶羧化位點(diǎn)CO_2濃度(Cc)均會(huì)隨CO_2增大而增加,而Ci和Cc隨光強(qiáng)的增加而減小。V_(cmax)和J_(max)均不受PAR和CO_2濃度的影響,Rd隨CO_2濃度的增加而逐漸減小,但不受PAR的影響。5.美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的FvCB模型核心算法程序采用最新的雙重優(yōu)化法(exhaustive dual optimization,EDO)進(jìn)行編譯,可以用來(lái)分析C_3植物、C4植物和CAM代謝植物葉片的氣體交換或(和)葉綠素?zé)晒馔綌?shù)據(jù),并獲得V_(cmax)、J_(max)、Rd、細(xì)胞壁阻力(rwp)和葉綠體膜阻力(rch)等光合生理生化參數(shù),具有較高的準(zhǔn)確性。本研究引進(jìn)該FvCB模型核心算法程序,并基于該程序構(gòu)建“光合中國(guó)”在線(xiàn)分析平臺(tái),為國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)。通過(guò)該平臺(tái),用戶(hù)可以提交植物葉片的氣體交換數(shù)據(jù)或(和)葉綠素?zé)晒馔綌?shù)據(jù),并獲得FvCB模型擬合參數(shù),從而避免投入過(guò)多的資源到模型的擬合當(dāng)中。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：Q945.11
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1 李元杰,王仁海;工科力學(xué)要大力發(fā)展典型模型教學(xué)[J];物理與工程;2001年02期
2 熊建國(guó);;《動(dòng)載設(shè)計(jì):模型分析的應(yīng)用》[J];世界地震工程;1984年04期
3 盧正安;;積寬法測(cè)流模型分析[J];人民長(zhǎng)江;1982年05期
4 蔡e，
本文編號(hào)：1272231
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