自然界中温度与饱和水汽压亏缺(VPD)的强烈共变限制了我们对温度对叶片气体交换直接影响的了解。CO₂和H₂O中的稳定同位素能让我们从机理上深入了解叶片气体交换过程中的生理和生化过程。

2024年2月1日，New Phytologist在线刊发瑞士联邦森林、雪与景观研究所Haoyu Diao等人标题为Uncoupling of stomatal conductance and photosynthesis at high temperatures: mechanistic insights from online stable isotope techniques的研究文章。该研究对四种常见的欧洲树种进行了叶片气体交换和在线同位素鉴别的综合测量，叶片温度范围为 5-40°C，同时保持恒定的叶-大气水汽压差(0.8 kPa)，而不受到土壤水分的限制。

近几十年来，由于地表温度显著升高，而全球范围内地表相对湿度(RH)下降，饱和水汽压亏缺(VPD)明显上升。植物通过叶片-大气水汽压差(LAVPD)感知VPD的变化，VPD的定义是在一定温度下，饱和水汽压与空气中的实际水汽压之间的差值。LAVPD 来自叶片温度(Tleaf)，叶片温度会影响叶片内部的饱和水汽压力。越来越多的研究表明，温度和 LAVPD 的增加在气候变化引起的树木死亡和生长衰退中起着重要作用。然而，未来 VPD 趋势仍存在不确定性和潜在的异质性，因为有报告称，在区域范围内，随着气候变暖，地表相对湿度呈上升趋势，而不是下降趋势。更重要的是，温度和低洼地带降水量相互关联，这使得更好地理解和模拟植物对不断变化的环境的反应变得更加复杂，从而凸显了将温度和低洼地带降水量的影响区分开来的必要性。

叶片中碳(CO₂)和水(H₂O)的交换是植物与环境相互作用的关键组成部分。由于温度是许多生理和生化过程的关键驱动因素，这种叶气交换对温度的响应在以前的报道中已经得到了深入研究。一般认为，在恒定的 VPD 条件下，净光合速率(An)和蒸腾速率(E)或气孔导度(g_s)通常会对从低到高的叶温变化做出平行响应，在光合作用最适温度之前和之后分别呈现上升和下降趋势。然而，一些研究提供的实验和观测证据则证明An与E或g_s可能解偶联。在这里，解偶联特指随着温度的升高，An 值降低，g_s值升高。这种解偶联表明热胁迫下水分利用效率(WUE，定义为An/E)降低。然而，这些研究无法通过测量恒定的 LAVPD 来分离直接的温度效应，主要是因为在大温度范围内湿度控制存在技术困难。相反，叶片尺度气体交换测量是在恒定 LAVPD 条件下进行的，但只有 Urban 等人(2017 年)的研究观察到，在 LAVPD 为 1 kPa 的条件下，当 T_leaf 从 30°C 上升到 40°C 时，白杨(Populus deltoides × nigra)和欧洲赤松(Pinus taeda)都出现了解偶联现象。我们对温度影响叶片气体交换机制的了解显然仍然有限，尤其是当植物暴露在其最适温度范围之外时。由于世界上许多地方的极端冷热温度现象越来越频繁和严重，这种情况正变得越来越重要。此外，An和g_s的温度响应耦合一直是许多叶片级气孔模型的关键假设。更好地了解温度对叶片气体交换的直接影响，包括An和g_s何时以及如何解偶联，将有助于更准确地预测气候变化的后果。

二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)中的稳定同位素已被用于提高我们对叶片气体交换各种过程的认识，因为在这些过程中会同时发生同位素分馏。红外气体分析仪和同位素激光光谱仪的组合仪器有助于在受控条件下实时测量进出叶片气体交换室的CO₂和H₂O中的C和氧(O)同位素组成(δ¹³C 和 δ¹⁸O)。这样就可以追踪CO₂和H₂O沿叶绿体、细胞壁、气孔和叶片边界层移动的路径，从而提供有关叶片生理过程的更多信息。光合 ¹³C 判别(Δ¹³C)受细胞间(ci)和叶绿体CO₂分子分数(cc)的调节，反映了叶片气体交换过程中An和g_s之间的相互作用。CO₂分子中的¹⁸O分馏发生在碳酸酐酶(cca)催化部位，CO₂和H₂O中的¹⁸O在此平衡。叶绿体表面被认为是平衡的主要场所。平衡后的CO₂可以扩散回来，与扩散到细胞间空气空间的大气中的CO₂混合。假定叶绿体表面 H₂O 的 δ¹⁸O与蒸发部位的H₂O δ¹⁸O非常接近，则细胞间空气空间中CO₂的 δ¹⁸O_i可用于推断蒸发部位叶片水分的¹⁸O富集情况。根据Craig–Gordon模型，这在很大程度上取决于叶片外部与内部水蒸气压的比值(如果假定叶片温度接近环境空气温度，则等于相对湿度)。

同位素方法还可用于快速估算二氧化碳的叶肉导度(g_m)，叶肉导度已被认为是光合作用的一个重要限制因素。总叶肉导度(g_m13)可通过 Δ¹³C 测量估算，而O同位素分馏测量可提供细胞壁和质膜传导率(g_m18)的信息。因此，两者之间的差异就是叶绿体膜导度(g_cm)。von Caemmerer 和 Evans在2015 年使用一个简化模型来描述g_m的温度依赖性，但他们无法解释观察到的g_m在高温时下降的现象。Flexas 和 Diaz-Espejo在2015 年提出的解释是，随着温度升高，LAVPD 增加，面向细胞间空气空间的叶绿体表面积逐渐减少。同样，由于这些研究中的测量不是在恒定 LAVPD 条件下进行的，因此g_m的直接温度响应仍不明确。

Diao等人的研究表明在受控环境条件下，当温度超过光合作用的最适温度(30°C)时，所有受测树种的气孔导度(g_s)和净光合速率(An)都会解偶联，g_s会增加，而An会降低。在这种解偶联过程中，叶肉导度(细胞壁、质膜和叶绿体膜传导率)在不同物种之间持续显著下降；然而，这种下降并没有导致叶绿体表面和基质的二氧化碳浓度降低。

Diao等人对二氧化碳的扩散限制导致高温下光合作用下降的传统认识提出了质疑。Diao等人认为，气孔和叶肉膜系统可以发挥战略性作用，促进蒸腾冷却和二氧化碳供应，从而减轻高温对叶片光合功能的胁迫，尽管代价是降低水分利用效率。

本研究气体交换测量及测量条件控制所用的旁路湿度控制系统均来自德国WALZ，如便携式光合荧光测量系统GFS-3000，大叶室3010-GWK1，叶室光源RGBW-L084，冷阱，微型光量子传感器LS-C，叶片温度传感器3010-CA/TCL。所有气体交换测量组件放置在一个2.2m2d的Conviron PGR15气候室里。同位素红外光谱仪使用的是Thermo Fisher公司的Delta Ray，H₂O光腔衰荡光谱仪使用的是Picarro公司的L2120-i。

以下是部分研究结果：

在所有测量过程中，LAVPD保持相对恒定，在不同的叶室温度 (T_cuv) 阶段，平均值(±1 SD)为 0.82 (±0.11) kPa，表明气体交换系统的湿度控制良好。在VPD不变的情况下，根据相对湿度与温度之间的理论关系，相对湿度随着T_cuv的增加而增加。T_leaf与 T_cuv的线性回归(R2=1.00，P<0.001)斜率为0.992，在测试温度范围内，T_leaf 比 T_cuv稍高(0.41±0.22°C)。在四个物种中，有三个物种的 T_leaf 和 T_cuv 之间的差异随着 E 从 0-3mmol H₂O m^-2s^-1的增加而减少了约 0.5°C(P < 0.001)，但赤松例外(P = 0.054)。

图1 相对湿度(RH)和叶片-大气水汽压差(LAVPD)随叶室温度(T_cuv)升高而变化。

叶片气体交换对温度的反应

四个物种的气体交换参数(An、E、g_s 和 ci/ca)对叶绿素的响应总体上是一致的。一般来说，An首先升高，在约30°C时达到峰值，然后随着 T_leaf的进一步升高而降低(F=108.63，P<0.001)。在测试的最高温度(40°C)下，An下降到与15-20°C时相似的水平。相比之下，所有物种的 E 对T_leaf的增加都呈曲线上升(F=229.54，P<0.001)。由于 An 和 E 对温度的反应不同，WUE 随着T_leaf的增加而增加，直到约 25°C，然后随着T_leaf的进一步增加而急剧下降到近 2 mmol CO₂ mol^-1 H2O(F=62.58，P<0.001)。与 E 相似，g_s 也随着 T_leaf 的增加而增加(F = 183.54，P < 0.001)；然而，GAM显示，g_s随T_leaf的增加而增加的趋势可以用线性关系充分描述，因为拟合模型中的平稳项在统计上并不显著(P = 0. c_i/c_a 最初随着温度叶片的增加而降低，在 20-25°C 时达到最小值，然后随着温度叶片的进一步增加而升高(图 2d；F = 40.38，P < 0.001)。请注意，与其他物种相比，F. sylvatica的g_s和E在温度范围的低端(5-20°C；图 2b,c)对T_leaf变化的反应相对较小。因此，F. sylvatica的 c_i/c_a最低值和 WUE 最高值出现在约15-20°C时，而其他物种则出现在约25-30°C时。

图2 四种温带树种对叶片温度(T_leaf)升高的气体交换反应。

叶片二氧化碳交换过程中的碳和氧同位素鉴别

研究发现，在所有物种中，观察到的¹³C光合分辨力(Δ¹³C_obs)对叶绿素的总体响应都很明显(F=47.16，P<0.001)。随着叶绿素的增加，Δ¹³C_obs急剧下降，在5至15°C之间从28.2‰降至19.5‰。超过约15°C时，Δ¹³C_obs 变化微妙，平均为 18.7‰。与E和g_s对温度的积极反应相反，δ¹⁸O_i随温度升高呈曲线下降(F=352.3，P<0.001)，所有物种的平均值从61‰降至39‰。

图3 四种温带树种的 ¹³CO₂ 在线分辨能力(Δ¹³C_obs；a)和细胞间空气空间中 CO₂ 的 δ¹⁸O_i (δ¹⁸O_i；b)对叶片温度(T_leaf)的响应。

叶肉导度和叶绿体二氧化碳浓度对温度的响应

在所有物种中，g_m13、g_m18和g_cm对T_leaf有显著的二次响应(g_m13：F=13.00，P<0.001；g_m18：F=22.09，P<0.001；g_cm：F=14.13，P<0.001;  F=14.13，P<0.001)，显示出随着 T_leaf 的增加先增加后减少。g_m13 在 20-25°C 之间达到峰值，而 g_m18 在 20°C 达到峰值。因此，g_cm 在 25°C 达到峰值。在所有物种和测量温度下，g_m13 的平均值(±1 SD)为 0.11(±0.08)mol m^-2s^-1，g_m18 为 0.12(±0.10)mol m^-2s^-1，g_cm 为 0.25(±0.28)mol m^-2s^-1。

图4 四种温带树种CO₂叶肉导度对叶温(T_leaf)的响应。

c_c/c_a和c_ca/c_a对叶绿素都有显著的响应(分别为 F=20.61，P<0.001和F=38.54，P<0.001)。c_ca/c_a在5至30°C之间呈下降趋势，然后随着 T_leaf 的进一步升高而急剧上升。

图5 四种温带树种叶绿体与环境CO₂摩尔分数之比(c_c/c_a；a)和碳酸酐酶活动场所CO₂摩尔分数与环境CO₂摩尔分数之比(c_ca/c_a；b)对叶片温度(T_leaf)的响应。

原文：

Diao, H., Cernusak, L.A., Saurer, M., Gessler, A., Siegwolf, R.T.W. and Lehmann, M.M. (2024), Uncoupling of stomatal conductance and photosynthesis at high temperatures: mechanistic insights from online stable isotope techniques. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.19558