2023年發(fā)表在Plant Physiology上的一篇名為‘Impact of pod and seed photosynthesis on seed filling and canopy carbon gain in soybean’的文章引起了人們對豆莢等非葉綠色組織光合作用對大豆增產(chǎn)及提高種子飽滿度的關(guān)注。
由于之前大多數(shù)光合作用研究主要集中在葉片光合作用上，人們對于除葉片之外的其它綠色組織（非葉綠色組織）的碳同化能力及其如何影響產(chǎn)量和種子質(zhì)量了解有限。本研究主要探究了田間大豆豆莢和種子的光合效率，并評估了光合作用對成熟種子重量和組分構(gòu)成的影響，為田間大豆豆莢和種子光合效率對產(chǎn)量的影響提供了參考。
本研究通過對田間大豆的豆莢和種子進(jìn)行遮光處理，比較遮光前后大豆和豆莢種子的重量、組分、總光合速率、PSII效率等指標(biāo)，并提出：大豆豆莢和種子的光合作用占成熟種子重量的13%~14%，且豆莢的碳同化和種子的光合作用可以彌補同組織呼吸產(chǎn)生的81%的碳損失。另外，通過研究者構(gòu)造的冠層光合模型預(yù)測，大豆豆莢和種子可以達(dá)到植物每日碳增匯總量的9%。通過葉綠素?zé)晒獬上駵y定，未成熟的大豆種子光反應(yīng)PSII效率的峰值出現(xiàn)在10-100mg的種子重量階段，而豆莢PSII的效率峰值則出現(xiàn)在75到100mg的種子重量階段。

主要結(jié)果：
1、本研究選取了Clark（圖1A、B）和 William82（圖2A、B）兩個品種，用葉綠素?zé)晒獬上駜x測定了PSII效率 Fq/Fm，發(fā)現(xiàn)豆莢的遮光處理降低了果實重量且PSII的熒光效率也顯著降低。此外，研究者發(fā)現(xiàn)，遮光處理對不同品種的大豆種子組分含量的影響存在差別，但未遮光處理的豆莢的種子重量都顯著高于進(jìn)行遮光處理的種子重量（圖1C、圖2C）。

圖1 田間條件下進(jìn)行遮光和未遮光處理的Clark品種的豆莢種子的種子組分。（a）田間大豆的圖片（“Clark”）。（b）當(dāng)莢長度小于2 cm時，用于覆蓋莢的鋁箔表示。（c）種子重量，g/100粒種子。（d）種子的油脂百分比含量。（e）種子的蛋白質(zhì)百分比含量。

圖2 田間條件下進(jìn)行遮光和未遮光處理William82品種豆莢種子的種子組分。（a）田間大豆的圖片（“William82”）。（b）當(dāng)莢長度小于2 cm時，用于覆蓋莢的鋁箔表示。（c）種子重量，g/100粒種子。（d）種子油脂百分比含量。（e）種子的蛋白質(zhì)百分比含量。
 

2、研究表明未進(jìn)行遮光處理的豆莢的凈光合和總光合值顯著高于遮光處理的；通過建模估計，正常光照的豆莢的最大量子效率（ΦCO2）比遮光處理的豆莢高10倍。當(dāng)考慮在冠層群體中時，研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行遮光處理的豆莢的總光合速率始終要高于那些被遮光處理的豆莢。對于植物來說，豆莢的呼吸是一種碳損失，但是能進(jìn)行正常光合作用的豆莢能彌補81%呼吸帶來的碳損失。

圖3， 2021年9月7日至16日，在美國UIUC能源農(nóng)場實驗基地測量得到的“William82”的豆莢光合參數(shù)。

3、研究者模擬了冠層群體中葉片和豆莢所處的面積指數(shù)和冠層分布情況（圖4A），進(jìn)一步對葉片和豆莢的總光合效率測定表明豆莢的光合對冠層CO2總同化的貢獻(xiàn)約為9.6%。

圖4 大豆光合作用的冠層模型。（a）冠層中每層的葉面積指數(shù)。1是最頂層，8是最底層。（b）預(yù)測模型中葉片和莢果的總呼吸量。
4、研究者用“William 82”這一品種的大豆，將其從未成熟開始分為7個階段，并分別測定這7個階段豆莢內(nèi)種子的PSII效率、葉綠素濃度及葉綠素A/葉綠素B的發(fā)展趨勢（圖5D、E、F），得出在田間條件下，種子和豆莢的光合作用效率在100 mg發(fā)育階段達(dá)到峰值。

圖5 田間條件下，種子光合過程中發(fā)育的7個階段：5~10毫克、10~25毫克、25~50毫克、50~75毫克、75~100毫克、100~200毫克、200~300毫克。（a）圖中的大豆為2021年在伊利諾斯州田中的大豆William82。（b）采集的大豆種子的鮮重范圍圖片如圖右側(cè)所示。5到10毫克的種子在第一排，下面的種子依次較大。（c）b中同一盤種子的葉綠素?zé)晒獬上駡D。（d）Fq‘/Fm’的平均值，誤差條表示SE（n = 41到48）。（e）總?cè)~綠素水平的平均值，誤差條表示SE（n=4~10）。（f）葉綠素a/b比值的平均值，誤差條表示SE（n=4~10）
 

5、研究者還去除了豆莢中的種子，單獨測定了豆莢的PSII光合速率、葉綠素濃度及葉綠素A/葉綠素B的發(fā)展趨勢（圖6D、E、F）。發(fā)現(xiàn)種子和豆莢的光合速率測定結(jié)果都表明，在100mg的發(fā)展階段時，光合速率達(dá)到頂峰。

圖6 田間條件下豆莢在7個發(fā)育階段的光合活性。品種是“William82“。（a）2021年伊利諾斯州油田的大豆植株圖片。（b）收集的大豆豆莢圖片。豆莢內(nèi)種子的新鮮重量范圍如圖左右標(biāo)注所示。（c）b中同一盤豆莢的葉綠素成像圖。（d）Fq‘/Fm’的平均值，誤差條表示SE（n = 32~42）。（e）總?cè)~綠素水平的平均值，誤差條表示SE（n=6~12）。（f）葉綠素a/b比值的平均值，誤差條代表SE（n=6~12）。
 

6、通過RNA-seq對光合作用相關(guān)的基因的表達(dá)情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與光合暗反應(yīng)中Rubisco酶相關(guān)的基因（圖7A、B）、光捕獲相關(guān)基因（圖7C、D）、葉綠素合成相關(guān)基因（圖7E、F）以及卡爾文循環(huán)的相關(guān)基因（圖7G、H）在大豆種子發(fā)育初期就達(dá)到了最大表達(dá)，而值得關(guān)注的是，大部分與光合相關(guān)的基因的表達(dá)都比之前測定的種子光合速率達(dá)到最大值的時期要更前。研究者認(rèn)為這種現(xiàn)象解釋了在10-25mg階段葉綠素水平下降的原因（圖5E）：葉綠素合成相關(guān)基因在發(fā)育早期高表達(dá)，然后在5~6mg時期表達(dá)下降，而葉綠素降解相關(guān)基因則在發(fā)育后期逐漸活躍。這些數(shù)據(jù)都表明，在種子發(fā)育過程中，光合作用效率和葉綠素水平與基因表達(dá)密切相關(guān)。

圖7 種子發(fā)育過程中光合作用相關(guān)基因的表達(dá)

總結(jié)與展望：
本研究與前人對大麥穗、小麥穗等光合情況的研究結(jié)果基本一致，尤其表現(xiàn)在非葉組織的碳同化功能會因物種、品種、環(huán)境的差異而不同。雖然大豆的豆莢和種子是異養(yǎng)器官，但其光合還是對種子增重有9%的貢獻(xiàn)。且冠層下的豆莢可能在冠層發(fā)育密集（高葉面積指數(shù)）之前或之后獲得更多的光，而文章采用的是冠層密集時期的模型，因此可能會低估豆莢和種子光合對冠層光合的貢獻(xiàn)。
研究者也指出，盡管豆莢種子內(nèi)部的有效光水平低，但大豆種子的光合活性卻驚人地高，這也許是因為種子中葉綠體活性很高，且這些葉綠體具有與葉片葉綠體相似的葉綠素-蛋白復(fù)合物，同時有著較高比例的顆粒堆積。