CN104359908A - 测量cam植物光合速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量CAM植物光合速率的方法，所述方法是基于大叶室的CO₂连续监测，通过测量CAM植物的净CO₂交换量的动态变化，从而核算CAM植物的净光合速率和暗期CO₂吸收率等光合特性指标。本发明的特点在于针对CAM植物的气孔运动特点进行CO₂净交换量的连续测量，从而掌握该植物在昼夜交替或明暗交替环境下的实际的同化效率或光合特性。该光合测量方法适用于CAM植物，也能在组培植物或光合较弱的植物种类的光合测量中进行应用，有效地解决了CAM植物的光合特性的准确测量问题，还为组培植物或光合弱的植物提供了一种光合测量的解决方案。本方法易于产品化和产业化生产，具有很好的应用前景和商业化前景。

Description

测量CAM植物光合速率的方法

技术领域

本发明涉及光合测量领域，具体地说，涉及一种测量CAM植物光合速率的方法。

背景技术

兰科植物、沙漠植物、多肉植物等一些典型的CAM植物为了适应昼夜温差大、干旱、强光照等特殊的生存环境，形成了夜间气孔开放吸收CO₂，白天气孔关闭防止蒸腾过量，气生根可以直接吸收空气中的水分等特殊的生理机制，其CAM光合途径与常见的C3光合途径或C4光合途径有显著的差异。光合测量是研究植物生理生态和生长发育特性的重要方法，是植物学、植物环境生理、生物环境工程、园艺学、农学、栽培学等领域进行科学研究的常用手段。现有或常用的光合测量装置都是依据C3植物和C4植物的光合特性而开发的，一般是以一定叶面积在一定时间内的CO₂吸收量进行其净光合速率的定量评价。因此，商用的光合测量仪一般会针对植物叶片特征而使用不同形态的叶室进行叶室的环境调控，并精密地测量叶室内在一定时间内的CO₂交换量作为植物光合速率的核算依据，每个样本的测量时间约为1-5分钟。与C3植物和C4植物相比，CAM植物在常用的叶室内的CO₂交换量很弱，其CO₂交换量的实际测量常常难以稳定到一定数值，表现为忽高忽低的动态变化。因此，常规的测量方法是难以实现CAM植物的光合测量，这是由于现有的光合测量仪的信噪比难以达到测量CAM植物CO₂交换量的精度需求。最重要的是，CAM植物特殊的光合途径中CO₂吸收与同化作用是在不同时段进行的，夜间开放气孔吸收CO₂，而在白天则关闭气孔进行同化作用。因此，无光照情况下进行叶室内CO₂吸收量的测量则难以准确评价CAM植物真正的同化强度，而有光照情况下测量的叶室内CO₂吸收量则几乎为零。白天测量得到的CAM植物的CO₂吸收量则应是由其兼性CAM植物同时具备的C3光合途径所贡献的。因此，现有的商用光合测量仪难以实现CAM植物的光合定量测量。

发明内容

本发明的目的是针对现有的商用光合测量仪无法准确测量CAM植物的光合速率现状，提供一种可准确测量CAM植物光合速率的方法。

为了实现本发明目的，本发明的一种测量CAM植物光合速率的方法，所述方法是基于大叶室的CO₂连续监测，通过测量植物的净CO₂交换量的动态变化，从而核算CAM植物的净光合速率的动态变化，包括以下步骤：

1)连接光合测量装置的本体和叶室之间的管路和连接线后，在未放置任何测量样本的情况下(空叶室状态)进行叶室CO₂吸收量的调零校正；

2)设定叶室的温控模式，可选模式为气温追踪模式和恒温模式；

3)设定并调整气路的空气流速后再次进行CO₂吸收量的调零校正；

4)将待测量的叶片或植株地上部分放置到叶室1或叶室2，根据测量样本放置到叶室中的位置核算其叶面积或地上鲜重(测量前建议采用图像处理核算，测量后再次进行破坏试验或其他精准测量的方法进行校验)；

5)将待测样本的叶面积或地上鲜重输入光合测量装置的本体的样本属性，设定参数后开始测量；

6)采用本红外非扩散性气体分析器(Infrared Ray Gas Analyzer，IRGA分析器)循环测量叶室内的CO₂交换量，测量周期以天为单位。CAM植物的测量周期可长可短，但为了保证测量精度，建议以2天或4天作为一个周期。

根据CAM植物的净CO₂交换量的动态变化，核算暗期CO₂吸收率(即植物在暗期吸收的CO₂量占全天吸收的CO₂量的比率)，用于衡量该植物的CAM光合途径在整个日同化量积累中的贡献率，从而正确评价CAM植物的光合特性。本发明中涉及的CAM植物包括大叶落地生根(daigremontiana)、长寿花(blossfeldiana)、虎皮兰(Sansevieria trifasciata)、蟹爪兰(Schlumbergera altensteinii)、铁皮石斛(Dendrobium officinale)等专性CAM植物或兼性CAM植物等。

本发明中采用的CAM植物光合测量装置(图1)由本体部分和叶室部分组成。本体部分由主机和控制器组成，主机主要完成控制、采集、计算、存储、显示、传输等相关功能，控制器主要是完成叶室的温度控制、流速控制、风扇控制和光强控制。叶室由叶室1和叶室2组成，是测量植株CO₂交换量、水分交换量、温度变化的组件，内置气泵和流量计、叶温传感器和光量子传感器。叶室的温控模式可选择为气温追踪模式和恒温模式，气路的空气流速根据叶室的零点校正与温度控制目标进行自动调整。放置到叶室1或叶室2的植株叶面积或地上部分鲜重可在开始测量前利用图像处理或结束测量后的破坏试验获得。叶室1和叶室2的CO₂浓度变化基于主机的IRGA分析器进行循环测量，测量气路的切换是利用采样气泵的自动调节来实现的。本体部分的主机有人机接口可以进行系统设置、测量控制和数据操作。CAM植物的净光合速率的测量周期需以天为单位。

由于CAM植物的光合较弱，现有的光合测量仪的信噪比难以达到测量CAM植物的CO₂交换量的精度要求，因此，现有的光合测量仪不能准确测量CAM植物的光合速率。为此，本发明提出一种基于大叶室的CO₂连续监测准确地测量CAM植物的净CO₂交换量，从而计算出CAM植物的净光合速率。经过实际测试，该方法通过增大光合器官的生物量并基于CO₂交换量的动态连续测量以计算夜间(暗期)和白天(明期或光期)的CO₂净交换量，利用暗期的CO₂净交换量作为CAM光合途径对该植物日同化量的贡献，而把明期的CO₂净交换量作为C3光合途径对该植物日同化量的贡献，从而了解该植物在昼夜交替或明暗交替环境下的光合特性。

根据本发明方法不仅能够计算CAM植物的净CO₂交换量的动态变化，还提出一个衡量CAM植物光合特性的指标，即暗期CO₂吸收率(植物在暗期吸收的CO₂量占全天吸收的CO₂量的比率)，由此了解该植物的CAM光合途径在整个日同化量积累中的贡献率。为了提高该光合测量方法的可靠性并降低测量成本，本发明试制了由2个大叶室和1台主机组成的CAM光合测量装置，实现了2株CAM植物光合特性的同时准确测量。

本发明的特点在于针对CAM植物的气孔运动的特点而进行CO₂净交换量的连续测量，从而掌握该植物在昼夜交替或明暗交替环境下的实际同化效率或光合特性。该光合测量方法适用于CAM植物，有效地解决了CAM植物光合特性的准确测量问题，也为组培植物或光合弱的植物提供了一种光合测量的解决方案。本方法易于产品化和产业化生产，具有很好的应用前景和商业化前景。

附图说明

图1为本发明中采用的CAM植物光合测量装置示意图。

图2为本发明实施例1中CAM植物光合测量方法的实际测试场景。

图3为本发明实施例1中基于CAM光合测量方法而测试的典型的CAM植物的净光合速率变化；其中，X轴上黑线代表暗期。

图4为本发明实施例2中铁皮石斛(Dendrobium officinale Kimuraet Migo)在人工光环境(人工气候室)和自然光环境(温室)下测量的净CO₂交换率(净光合速率)在4天期间的动态变化；其中，X轴上黑线代表暗期。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。

以下实施例中采用的CAM植物光合测量装置如图1所示。

实施例1 测量CAM植物光合速率的方法

植物种类：大叶落地生根(daigremontiana)、长寿花(blossfeldiana)、虎皮兰(Sansevieria trifasciata)、蟹爪兰(Schlumbergera altensteinii)，上述4种测试植物在现有技术中均显示为典型的专性CAM植物。

测量环境：人工光环境(人工气候室)。

测量期间：2天。

具体测量方法包括以下步骤：

1)连接好光合测量装置的本体和叶室之间的管路和连接线后，在未放置任何测量样本的情况下进行空叶室CO₂吸收量的调零校正；

2)叶室的温控模式设定为恒温模式；

3)调整气路的空气流速实现气温控制目标后再次进行空叶室CO₂吸收量的调零校正；

4)将测量样本的植株放置到叶室1和叶室2，根据图像方法测算其叶室内所有叶片的叶面积，并将其输入到本体的样本属性，选择好测量时间间隔等参数后开始测量；

6)每种样本测量结束后进行2株植物净光合的均值处理，标准偏差在5％之内认为该均值可作为该种植物的净光合速率的定量评价；

7)更换植物样本时须重复上述测量流程。

CAM植物光合测量方法的实际测试场景如图2所示。

测量结果表明：从大叶落地生根、长寿花、虎皮兰和蟹爪兰的净光合速率在2天期间的变化过程来看，这4种CAM植物在暗期均有明显的CO₂吸收。在13:00左右，虎皮兰、大叶落地生根和长寿花的净光合速率降低，达到日最低净光合速率；但此时的蟹爪兰却有一个明显的CO₂吸收峰，其2天的净光合速率分别为0.6和0.4μmol·m^-2·s^-1，这与其它3种CAM植物具有明显的差异(图3)。由于蟹爪兰的气体交换特性与虎皮兰、大叶落地生根和长寿花的差异，对其专性CAM植物的鉴定还有待于进一步深入研究。因此，该CAM光合测量方法不仅能测量CAM植物的净光合速率，从而真实地反映CAM植物的气体交换特性，同时还能较好地区分不同CAM植物之间气体交换特性的差别。

实施例2 测量兼性CAM植物光合速率的方法

植物种类：铁皮石斛(Dendrobium officinale Kimura et Migo)，是一种珍惜濒危药用植物，也是一种CAM植物，但现有文献未能鉴定出是否属于专性CAM植物或兼性CAM植物。该植物具有极高的药用价值和经济价值。发明人经过长达10年以上的研究表明，铁皮石斛是一种典型的兼性CAM植物，正常生存环境下CAM光合途径和C3光合途径同时存在而进行光合作用。

测量环境：人工光环境(人工气候室)和自然光环境(温室)。

测量期间：4天。

具体测量方法包括以下步骤：

1)连接好光合测量装置的本体和叶室之间的管路和连接线后，在未放置任何测量样本的情况下进行空叶室CO₂吸收量的调零校正；

2)叶室的温控模式在人工光下设定为恒温模式，在自然光下设定为气温追踪模式；

3)调整气路的空气流速实现气温控制目标后再次进行空叶室CO₂吸收量的调零校正；

4)将测量样本的植株放置到叶室1和叶室2，根据图像方法测算其叶室内所有叶片的叶面积，并将其输入到本体的样本属性，选择好测量时间间隔等参数后开始测量；

6)每种样本测量结束后进行2株植物净光合的均值处理，标准偏差在5％之内认为该均值可作为该种植物的净光合速率的定量评价。

测量结果表明：铁皮石斛无论在人工光环境还是在自然光环境下的净光合速率都小于2.5umol m^-2s^-1，在光期的CO₂交换量的变化幅度较大。因此，市场上常见的便携式光合测量装置确实很难准确测量其光合特性。根据图4可知，铁皮石斛不仅在暗期或夜间也能吸收CO₂，在明期或白天也能吸收CO₂，在上述测量环境下表现为C3光合途径和CAM光合途径共同存在，但是在人工光可控环境下夜间吸收的CO₂较少，但在自然光环境下夜间吸收的CO₂较多。因此，铁皮石斛可以鉴定为典型的兼性CAM植物。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种测量CAM植物光合速率的方法，其特征在于，所述方法是基于大叶室的CO₂连续监测，通过测量植物的净CO₂交换量的动态变化，从而核算CAM植物的净光合速率的动态变化，包括以下步骤：

1)连接光合测量装置的本体和叶室之间的管路和连接线后，在未放置任何测量样本的情况下进行叶室CO₂吸收量的调零校正；

2)设定叶室的温控模式；

3)设定并调整气路的空气流速后再次进行CO₂吸收量的调零校正；

4)将待测量的叶片或植株地上部分放置到叶室1或叶室2，根据测量样本放置到叶室中的位置核算其叶面积或地上鲜重；

5)将待测样本的叶面积或地上鲜重输入光合测量装置的本体的样本属性，设定参数后开始测量；

6)采用本红外非扩散性气体分析器循环测量叶室内的CO₂交换量，测量周期以天为单位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CAM植物包括但不限于大叶落地生根(daigremontiana)、长寿花(blossfeldiana)、虎皮兰(Sansevieria trifasciata)、蟹爪兰(Schlumbergera altensteinii)、铁皮石斛(Dendrobium officinale)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述温控模式包括气温追踪模式和恒温模式。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据CAM植物的净CO₂交换量的动态变化，核算暗期CO₂吸收率，用于衡量该植物的CAM光合途径在整个日同化量积累中的贡献率，从而评价CAM植物的光合特性。