5min測量二氧化碳響應曲線A-Ci Curve

3月1日，美國新墨西哥大學Joseph R. Stinziano等學者在期刊《Plant, Cell and Environment》（2015-2016影響因子為6.169）上發表了題為“The rapid A–Ci response: photosynthesis in the phenomic era”的文章。該項研究表明，全新光合-熒光測量系統LI-6800可以將傳統二氧化碳響應曲線A-Ci Curve的測量時長縮短至5min以內（圖1），這大大提高了其測量效率，可用于大批量樣品優良性狀或突變體篩選。

圖1 快速A-Ci響應曲線數據
 

通過分析植物重要的生理參數，研究者可以篩選出具備優良性狀的品種，如高產或高水分利用效率的。在眾多的篩選工具中，葉片水平的氣體交換測量（Gas Exchange Measurement）是zui可靠的一種方法。

二氧化碳響應曲線A-Ci Curve可以提供碳同化過程中有關生化限制的機制信息。這些信息可用于植物和植被生長模型中（Farquhar et al. 1980; Duursma & Medlyn 2012; Oleson et al. 2013）。測量A-Ci 曲線后，利用模型可以計算得到zui大羧化速率Vc,max以及zui大電子傳遞速率Jmax（Sharkey et al. 2007），這兩個參數在評估作物性狀時非常有用。

FvCB是用于解釋A-Ci Curve的一個穩態模型（Farquhar et al. 1980）。在進行A-Ci Curve測量時，通常我們會設置一系列CO₂濃度，并且要求在某個CO₂濃度下，葉片適應幾分鐘后完成一個穩態測量（e.g. Long & Bernacchi 2003）。這種測量的缺點就是測量時間太長，一條完整的A-Ci Curve大約需要20-30mins。在樣本量多，重復數多的情況下，用這種方法作為篩選工具幾乎沒有可行性。而且，在整個測量過程中，酶的激活狀態會有變化，葉綠體會移動，氣孔開度也會有所改變。

在過去10年間，學術界研究的大方向是如何對采集的數據進行優化擬合（Ethier & Livingston 2004;Sharkey et al. 2007; Gu et al. 2010; Duursma 2015; Bellasio et al. 2016a, 2016b）。只有少數學者在測量方法上做過一些嘗試：早期的替代方法是由Davis等人于1987年提出的。他們采用的是閉路式的測量方法，整個測量過程中Chamber內CO₂濃度會一直下降；1989年，McDermitt等人的研究發現，采用閉路系統測量大豆葉片A-Ci Curve時，如果將Chamber內CO₂的下降速度維持在0.01至1μmol/mol/s上，測量結果和用開路式的沒有差別。閉路式測量雖然耗時短，但是，它會改變Chamber內的溫度、壓強和水汽濃度（Long & Hällgren 1993）。隨后，Laisk和Oja在1998年發現，短時間內（1s），即便大幅改變葉片外部CO₂濃度后，葉片內Rubisco羧化反應可以很快達到表觀上的穩定。這些實驗結果均表明，葉片可以在短時間內快速適應周圍空氣中CO₂的變化。

能否進行快速開路式測量，需要儀器做到兩點。*，儀器有能力在短時間內迅速調整Chamber內的CO₂濃度； 第二，紅外氣體分析器IRGA可以對這種快速變化進行測量。LI-6800*的Auto Control功能在算法上允許用戶自定義CO₂控制的起始和終止濃度（圖2），以及變化方式（如線性）和所花費的時間；LI-6800的全新設計的分流裝置位于分析器頭部，而不是在主機；并且， IRGA的測量響應頻率非常快。這些保證了可以對進出Chamber氣體中的CO₂進行快速開路式測量。因此，全新光合-熒光測量系統LI-6800可以將傳統二氧化碳響應曲線A-Ci Curve的測量時長縮短至5min以內，這大大提高了其測量效率，可用于大批量樣品優良性狀或突變體篩選。

圖2 LI-6800*的Auto Control功能在算法上允許自定義CO₂控制的起始和終止濃度

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參考文獻

Bellasio C., Beerling D.J. & Griffiths H. (2016a) Deriving C4 photosynthetic parameters from combined gas exchange and chlorophyll fluorescence using an Excel tool: theory and practice. Plant, Cell and Environment 39,1164–1179.

Bellasio C., Beerling D.J. & Griffiths H. (2016b) An Excel tool for deriving key photosynthetic parameters from combined gas exchange and chlorophyll fluorescence: theory and practice. Plant, Cell and Environment 39, 1180–1197.

Duursma R.A. (2015) Plantecophys – an R package for analyzing and modelling leaf gas exchange data. PLoS ONE 10, e0143346.

Davis J.E., Arkebauer T.J., Norman J.M. & Brandle J.R. (1987) Rapid field measurement of the assimilation rate versus internal CO2 concentration relationship in green ash (Fraxinus pennsylvanica Marsh.): the influence of light intensity. Tree Physiology 3, 387–392.

Duursma R.A. & Medlyn B.E. (2012) MAESPA: a model to study interactions between water limitation, environmental drivers and vegetation function at tree and stand levels, with an example application to [CO2] × drought interactions. Geoscientific Model Development 5, 919–940.

Ethier G.J. & Livingston N.J. (2004) On the need to incorporate sensitivity to CO2 transfer conductance into the Farquhar–von Caemmerer–Berry leaf photosynthesis model. Plant, Cell and Environment 27, 137–153.

Farquhar G.D., von Caemmerer S. & Berry J.A. (1980) A biochemical model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species. Planta 149, 78–90.

Oleson K.W., Lawrence D.M., Bonan G.B., Dreniak B., Huang M., Koven C.D.,… Yang Z.-L. (2013) Technical Description of Version 4.5 of the Community Land Model (CLM). National Center for Atmospheric Research, Boulder, CO

Sharkey T.D., Bernacchi C.J., Farquhar G.D. & Singsaas E.L. (2007) Fitting photosynthetic carbon dioxide response curves for C3 leaves. Plant, Cell and Environment 30, 1035–1040.

Gu L., Pallardy S.G., Tu K., Law B.E. & Wullschleger S.D. (2010) Reliable estimation of biochemical parameters from C3 leaf photosynthesis–intercellular carbon dioxide response curves. Plant, Cell and Environment 33, 1852–1874.

Long S.P. & Hällgren J.E. (1993) Measurement of CO2 assimilation by plants in the field and the laboratory. In Photosynthesis and Production in a Changing Environment: A Field and Laboratory Manual (eds Hall D.O., Scurlock J.M.O., Bolhar-Nordenkampf H.R., Leegood R.C. & Long S.P.), pp. 129–167.

Chapman & Hall, London. Laisk A. & Oja V. (1998) Dynamics of Leaf Photosynthesis: Rapid-response Measurements and Their Interpretations. CSIRO, Collingwood, VIC, Australia.

McDermitt D.K., Norman J.M., Davis J.T., Ball T.M., Arkebauer T.J., Welles J.M. & Roemer S.R. (1989) CO2 response curves can be measured with a field-portable closed-loop photosynthesis system. Annals of Forestry Science 46, 416–420.