全 文 ：植物生态学报 2014, 38 (10): 1110–1116 doi: 10.3724/SP.J.1258.2014.00105
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2014-03-06 接受日期Accepted: 2014-06-04
* E-mail: kanghuajing@126.com
** 通讯作者 Author for correspondence (E-mail: ouyz@igsnrr.ac.cn)
四种作物光下暗呼吸速率降低的原因
康华靖1,2,3,4* 李 红4 权 伟4 欧阳竹1,2,3**
1温州科技职业学院, 浙江温州 325006; 2中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点试验室, 北京 100101; 3中国科学院禹城综合试
验站, 北京 100101; 4中国科学院大学, 北京 100049
摘 要 以C3作物(小麦, Triticum aestivum和大豆, Glycine max)和C4作物(玉米, Zea mays和千穗谷, Amaranthus hypochondria-
cus)为例, 探讨了其光下暗呼吸速率降低的原因。结果表明, 2% O2条件下, CO2浓度为0时, 叶室CO2浓度维持在0左右, 而胞间
CO2浓度(Ci)显著高于叶室CO2浓度。分析认为这是由于此时植物的暗呼吸仍在正常进行。因此, 该测量条件下的表观光合速
率应为CO2浓度为0时的光下暗呼吸速率(Rd)。CO2浓度为0时, 不同光强下的Rd均随光强的升高而降低, 且在低光强(50
μmol·m–2·s–1)和高光强(2 000 μmol·m–2·s–1)之间存在显著差异, 说明光强对Rd具有较大影响。在2% O2条件下, 经饱和光强充分
活化而断光后, 以上4种作物叶片的暗呼吸速率(Rn)均随着时间的推移而下降, 说明光强并未抑制暗呼吸速率。试验结果表明,
Rd的降低是由于CO2被重新回收利用所导致, CO2回收利用率随光强的升高而增大, 从低光强(50 μmol·m–2·s–1)到高光强(2000
μmol·m–2·s–1), 小麦、大豆、玉米和千穗谷的回收利用率范围变动分别为22.65%–52.91%、22.40%–55.31%、54.24%–87.59%
和72.43%–90.07%。
关键词 CO2回收利用, 抑制, 光下暗呼吸, 光呼吸
Causes of decreasing mitochondrial respiration under light in four crops
KANG Hua-Jing1,2,3,4*, LI Hong4, QUAN Wei4, and OUYANG Zhu1,2,3**
1Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou, Zhejiang 325006, China; 2Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling Institute of
Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 3Yucheng Comprehensive Experiment Station,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; and 4University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract
Aims Despite the increasing attention given to the rate of mitochondrial respiration under light (Rd), consid-
erable confusion persists over whether mitochondrial respiration in the dark (Rn) is inhibited by light and whether
Rd is affected by light intensity. The objective of this study is to test the hypotheses: 1) Rn is not inhibited by light;
2) the rate of Rd changes with light intensity; and 3) the photosynthetic refixation of CO2 produced by Rn accounts
for the apparent disparity between Rd and Rn.
Methods In the present study, 0.02 mol·mol–1 O2 (i.e. 2% O2) was used to saturate Rn and to inhibit photorespi-
ration (Rp). By using combined gas exchange measurements and a low O2 (2% O2) method, the post-illumination
CO2 release rate of Rn, photosynthetic rate (Pn) in response to photosynthetically active radiation (PAR) in 2% O2
at either 380 or 0 μmol·mol–1 CO2, of C3 (Triticum aestivum and Glycine max) and C4 (Zea mays and Amaranthus
hypochondriacus) plants, were measured.
Important finding Rn was not inhibited by light. At 2% O2 and 0 μmol·mol–1 CO2, the measured parameters
could be used to accurately estimate Rd when CO2 concentration was set for 0 μmol·mol–1. Rd decreased with in-
creasing light intensity. Although Rd was lower in the dark, this could be accounted for by photosynthetic
re-fixing of respiratory CO2. For all plants tested, CO2 recovery rates increased with increasing light intensity
(from 50 and 2 000 μmol·m–2·s–1).
Key words CO2 re-fixed, inhibition, mitochondrial respiration in the light, photorespiration

光下暗呼吸(Rd)被认为是光合作用的基本组成
部分(Foyer & Noctor , 2000)。由于光下暗呼吸与光
合碳同化、光呼吸等过程同时进行, 难以直接测量
获得。目前, 光下暗呼吸的估算主要采用传统方法,
即基于气体交换数据测量的Kok法(Kok, 1948)和
Laisk法(Laisk, 1977), 也有结合叶绿素荧光参数对
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其进行估算的报道(Yin et al., 2011)。前人研究结果
表明, 暗呼吸速率在光下均有所降低, 并据此推测
其下降是由光抑制所致(Zou et al., 2011)。Tcherkez
等(2005)认为抑制步骤有可能发生在己糖分子进入
糖酵解途径和柠檬酸循环, 但该抑制机理至今尚不
清楚。然而, 也有试验结果表明Rd释放的CO2大部分
被光合作用直接回收利用, 该回收利用的部分与释
放量之和接近暗呼吸速率, 因而认为光并没有抑制
暗呼吸速率(Loreto et al., 2001; Pinelli & Loreto,
2003)。总之, 光下暗呼吸速率降低的原因至今尚无
定论, 这将严重影响光下暗呼吸速率的估算。
为此, 本文分别以C3作物(小麦(Triticum aes-
tivum)和大豆 (Glycine max))和C4作物 (玉米 (Zea
mays)和千穗谷(Amaranthus hypochondriacus))为研
究对象, 利用气体交换的方法, 对其光下暗呼吸速
率降低的原因进行探讨, 旨在为深入探讨光合碳同
化内部过程提供参考。
1 材料和方法
1.1 试验设计
本试验以中国科学院禹城综合试验站为平台。
小麦‘Z39-118’、大豆、玉米‘鲁种99118’和千穗谷分
别播种于2011年10月、2013年5月、2012年6月和2012
年7月, 大田常规管理。数据测量于2012年5月至8月
的晴天进行。随机选长势较为一致的健壮植株作为
测量对象。
不同氧浓度的控制为: 2% O2为山东禹城新建
气体厂提供的混合气体(2% O2和98% N2)。气体通过
减压阀流入长2 m、宽1.5 m的密封塑料缓冲袋, 袋
中注入少量自来水以保证气体的相对湿度, 最后通
过进气管接入LI-6400 (LI-COR, Lincoln, USA), 以
保证持续稳定的低氧环境; 而大气中的O2浓度视为


图1 小麦(A)、大豆(B)、玉米(C)和千穗谷(D)的光响应曲线(平均值±标准偏差)。圆点(●)表示测量值, 黑线表示拟合值。PAR,
光合有效辐射; Pn, 净光合速率。
Fig. 1 Light response curves of photosynthesis for wheat (A), bean (B), maize (C) and three-colored amaranth (D) (mean ± SD).
Dots (●) represent measured data, and black line represents fitted data. PAR, photosynthetically active radiation; Pn, net photosynthet-
ic rate.
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图2 380 μmol·mol–1 CO2浓度和2% O2下小麦(A)、大豆(B)、玉米(C)和千穗谷(D)断光后气孔导度(Gs)的动态变化(平均值±标准偏差)。
Fig. 2 Dynamics of stomatal conductance (Gs) after light being turned off for wheat (A), bean (B), maize (C) and three-colored
amaranth (D) at 380 μmol·mol–1 CO2 and 2% O2 (mean ± SD).

21%。CO2浓度控制则是通过使用CO2小钢瓶提供
CO2来源, 运用LI-6400自带的CO2注入系统, 经过
仪器校对后进行。
1.2 数据测量
数据测量时, 除了暗呼吸速率外, 其余均在自
然光下诱导1.5–2 h后, 采用开放式气路, 设定温度
为(30 ± 1.3) ℃ (小麦)、(33 ± 1.3) ℃ (大豆), (35 ±
1.5) ℃ (玉米)和(35 ± 0.7) ℃ (千穗谷), 流速为
400 μmol·s–1, 空气相对湿度控制在45%–70%, 应用
自动测量程序进行测量。每次记录最小等待时间为3
min, 最大等待时间为4 min, 数据记录前仪器均自
动进行参比室和样品室之间的匹配。
1.2.1 光曲线的测量
应用CO2注入系统提供稳定的CO2浓度(380和0
μmol·mol–1); 应用LI-6400-40探头提供不同光合有
效辐射(PAR)强度, 分别为2 000、1 800、1 600、
1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、
100、80、50和0 μmol·m–2·s–1, 采用自动测量程序(Flr
Light curve), 同时记录21%和2% O2浓度下叶片的
气体交换参数, 运用直角双曲线的修正模型拟合
(Ye, 2007; Ye & Yu 2008), 得出饱和光强, 为后续
测量的光强设置提供依据。
1.2.2 断光后暗呼吸速率的动态监测
叶片在2% O2下经饱和光强充分活化后, 突然
断光, 然后测量其暗呼吸速率(Rn)的动态变化(共20
min), 以判断光强有无抑制暗呼吸速率。根据前期
试验结果, 断光后暗呼吸速率会有较大波动, 1 min
后可通过匹配趋于稳定, 因此测量从第2 min开始
进行动态监测。作物暗呼吸速率的测量则需经过黑
暗处理30 min以上进行测量。
1.3 数据统计分析
测定数据重复5次, 求其平均值。采用SPSS 11.5
进行方差差异显著性分析, Excel 2010作图。
2 结果和分析
2.1 光饱和点的确定
由图1可知, 直角双曲线修正模型可很好地拟合
4种作物2% O2下, CO2浓度为380 μmol·mol–1的净光合
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图3 380 μmol·mol–1 CO2浓度和2% O2浓度下小麦(A)、大豆(B)、玉米(C)和千穗谷(D)断光后暗呼吸速率(Rn)的动态变化(平均
值±标准偏差)。
Fig. 3 Dynamics of mitochondrial respiration (Rn) after light being turned off for wheat (A), bean (B), maize (C) and three-colored
amaranth (D) at a CO2 concentration of 380 μmol·mol–1 and 2% O2 (mean ± SD).


速率(Pn)对光强响应曲线。拟合的结果表明, 小麦、
大豆、玉米和千穗谷的光饱和点分别为2 345.255、
1 888.406、2 262.011和2 207.266 μmol·m–2·s–1。这为
后续测量时光强的设置提供了依据。
2.2 断光后暗呼吸速率的动态变化
低氧法(2% O2)能在最大程度上抑制植物的光
呼吸, 同时又保证了暗呼吸的正常进行(Andersen et
al., 1985), 为探讨光呼吸和暗呼吸提供了可能。在
2% O2条件下, 经饱和光强活化, 叶片只有光合碳
同化和暗呼吸。突然断光后, 光合碳同化终止, 此时
动态监测数据即为暗呼吸速率的动态变化。由图2
可知, 断光后4种作物叶片的气孔导度(Gs)随着时间的
推移逐渐关闭, 这与光强促进植物叶片气孔张开的研
究结果相一致(叶子飘和于强, 2009)。由于气孔的逐
渐关闭, 导致4种植物叶片暗呼吸速率逐渐下降, 最后
趋于稳定(图3)。18 min后, 其下降率分别为18.73%、
33.24%、27.74%和43.47%, 与断光后的初始值相比,
其差异均达到显著水平(p < 0.05)。这从一个侧面反映
了光强并未抑制暗呼吸速率。
2.3 不同光强下的光下暗呼吸速率
在2% O2和有光条件下, 且外界CO2浓度为0时,
该测量条件抑制了光呼吸速率和光合碳同化。此时,
叶室CO2浓度基本维持在0左右, 而胞间CO2浓度
(Ci)明显高于叶室CO2浓度(图4), 这是由于在光下,
其暗呼吸速率仍正常进行。因此, 该测量条件下的
净光合速率(图5)应为光下暗呼吸速率(Rd)。
由图5可知, 21%和2% O2下C4作物的净光合
速率无显著差异, 说明C4作物的光呼吸速率较低,
可以忽略。4种作物的光下暗呼吸速率(Rd)随着光
强的升高而降低, 这种趋势在C3和C4作物中表现
得极为一致: 从低光强(50 μmol·m–2·s–1)到高光强
(2000 μmol·m–2·s–1), 小麦、大豆、玉米和千穗谷
的净光合速率分别下降34.7%、42.4%、71.8%和
63.2%。
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图4 2% O2和0 μmol·mol–1 CO2浓度下小麦(A)、大豆(B)、玉米(C)和千穗谷(D)的叶室CO2浓度(Cs)与胞间CO2浓度(Ci) (平均值
±标准偏差)。PAR, 光合有效辐射。
Fig. 4 Leaf chamber CO2 concentration (Cs) and intercellular CO2 concentration (Ci) for wheat (A), bean (B), maize (C) and
three-colored amaranth (D) at a CO2 concentration of 0 μmol·mol–1 and 2% O2 (mean ± SD). PAR, photosynthetically active radiation.


3 讨论
光下暗呼吸速率的准确估算关系到植物最大羧
化速率、光下呼吸速率、电子流分配等重要光合参
数的计算, 因此历来备受关注。目前采用的估算方
法均假设光强对光下暗呼吸速率没有影响(Sharp et
al., 1984; Brooks & Farquhar, 1985; Laisk & Sum-
berg, 1994; Villar et al., 1994, 1995; Wang et al.,
2001; Yin et al., 2011)。本试验结果表明, 4种作物的
光下暗呼吸速率随着光强的升高而降低, 其低光强
(50 μmol·m–2·s–1)和高光强(2 000 μmol·m–2·s–1)之间
存在显著差异, 这说明光强对光下暗呼吸速率存在
较大影响。由此可见, 现有估算光下暗呼吸速率的
方法存在缺陷。
目前, 大多数研究者认为暗呼吸速率受光强抑
制(Kok, 1948; Laisk, 1977; Foyer & Noctor, 2000;
Yin et al., 2011)。本试验结果表明, 光强并未抑制作
物叶片的暗呼吸速率(图3), 然而光下暗呼吸速率显
著低于暗呼吸速率(p < 0.05)(图5)。研究表明, 光呼
吸和暗呼吸产生的CO2释放点靠近叶绿体内侧, 且
没有边界层、气孔以及细胞壁的限制, 其CO2极易被
光合作用重新利用(Loreto et al., 1999)。13C同位素的
研究已证实光呼吸和暗呼吸的CO2释放均可被光合
重新利用(Loreto et al., 2001)。王忠和高煜珠(1983)
运用CO2猝发技术对小麦的研究结果表明, 小麦叶
片光呼吸和暗呼吸释放的CO2均能在光下被光合作
用再回收利用, 其回收利用率在50%左右; 彭飞燕
等(1991)通过CO2猝发及酶类指标的测定, 推测C4
植物光呼吸产生的CO2被再固定, 因而C4植物具有
较高的光合速率和较低的光呼吸强度; Tirumala和
Raghavendra (1993)通过14C标记发现光下由甘氨酸
释放的14CO2被C4植物重新利用率较高, 而C3植物
重新利用率较低, 其重新利用率分别为98%和46%。
因此, 推断光下暗呼吸速率降低的原因是其CO2被
光合作用重新利用所致。
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图5 2% O2和0 μmol·mol–1CO2下小麦(A)、大豆(B)、玉米(C)和千穗谷(D)净光合速率(Pn) (平均值±标准偏差)。
Fig. 5 Net photosynthetic rate (Pn) for wheat (A), bean (B), maize (C) and three-colored amaranth (D) at a CO2 concentration of 0
μmol·mol–1 and 2% O2 (mean ± SD).


图6 不同光合有效辐射(RAR)下0 μmol mol–1 CO2浓度和2% O2时小麦、大豆(左)和玉米、千穗谷(右)对暗呼吸CO2的回收利用
率(平均值±标准偏差)。
Fig. 6 Recovery of respiratory CO2 for wheat and bean (left), and maize and three-colored amaranth (right) at a CO2 concentration
of 0 μmol·mol–1 and 2% O2 under different photosynthetically active radication (PAR) (mean ± SD).


根据暗呼吸速率以及光下暗呼吸速率, 其不同
光强下的回收利用率计算结果见图6。由图6可知, 4
种作物暗呼吸CO2的回收利用率随着光强的升高而
增大。从低光强(50 μmol·m–2·s–1)到高光强(2 000
μmol·m–2·s–1), 小麦、大豆、玉米和千穗谷的回收利
用率变动范围分别为 22.65%–52.91%、 22.40%–
55.31%、54.24%–87.59%和72.43%–90.07%。试验结
果也可看出, C4植物对暗呼吸CO2的回收利用率远
高于C3植物, 这与C4植物光合碳同化的生理特点相
一致。然而, 本试验只探讨了2% O2下CO2浓度为
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0时的光下暗呼吸速率及其回收利用率, 正常大气
条件下(21% O2和CO2浓度为380 μmol·mol–1)的光下
暗呼吸及其回收利用率在另文发表。
本次试验结果表明, 2% O2下, CO2浓度为0时的
表观光合速率为光下暗呼吸速率(Rd)。光下暗呼吸
速率的降低不是由于光强的抑制, 而是由于暗呼吸
CO2在光下被重新回收利用; 其回收利用率随着光
强的增加而增大, 从而导致光下暗呼吸速率随着光
强的增加而减小。
基金项目 国家高技术研究发展计划(863计划)项
目(2013AA102903)、中国科学院地理科学与资源研
究所“一三五”战略科技计划项目(2012ZD004)和浙
江省教育厅项目(2013-A-116)。
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