汪辉，田浩琦，毛培胜，刘文辉，贾志锋，魏露萍，周青平*

（1.西南民族大学青藏高原研究院，四川 成都610041；2.中国农业大学草业科学与技术学院，北京100193；3.青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁810016）

据预测，到2050年世界人口将增长35%，达到95 亿［1］。按目前主要作物的产能，全球总作物产量要比目前增长至少67%～74%才能解决人口增长、饮食变化等导致的资源短缺问题［2-3］。1980-2010年，世界谷类作物产量增加60%左右，但由于品种生产潜力挖掘遇到瓶颈，主要作物产量在达到不同程度高产后不再增长［4-5］。扩大耕地面积虽然可以增产，但同时也会增加更多的水肥消耗、劳动力投入及温室气体的排放。通过科学技术手段和农业集约化管理提高现有作物产量，能够有效减少土地开垦量［3］。从植物光合作用着手提高作物产量依然是研究的热点［6-8］，探索提高作物光合效率以及植株整体光合作用等的途径，对提高作物生产能力具有重要意义。

光合作用被誉为“地球上最重要的化学反应”，为作物产量形成提供超过90%的干物质［9］。植物光合作用合成的有机物是人类和动物重要的食物与能量来源。叶片一直被认为是植物最主要的光合器官。除了叶片以外，许多植物的非叶绿色组织或器官也具有实际的或潜在的光合固碳能力［10-12］，例如，小麦（Triticum aestivum）穗部［13］、紫花苜蓿（Medicago sativa）荚［14］、棉花（Gossypium hirsutum）铃壳［15］、油菜（Brassica napus）角果［16］以及一些植物的花［17］、茎［18］和根［19］等。当叶片开始衰老时，大多数植物的繁殖器官等非叶绿色器官仍保持着较高的光合活力［20］。Aschan 等［12］认为绿叶、茎和绿色不育花器官最有利于光截留和光合作用。与叶面光合作用相比，植物繁殖器官光合速率对某些非生物胁迫表现出更强的抗性［21-23］，对作物产量有积极的影响［24-25］。

因此，充分了解植物非叶绿色器官的生理机能及其对环境变化的响应，有利于掌握叶片与非叶绿色器官的光合差异及与产量的关系，进而探索非叶绿色器官的光合能力，提高作物整体光合性能，促进作物的产量形成。

1 非叶绿色器官的光合贡献

叶片一直被认为是植物主要的光合作用器官，有关非叶绿色器官光合能力的研究相对较少。近20年，挖掘和提高植物非叶绿色器官光合潜力是提高植物整体光合能力的一个重要途径。科研工作者们通过遮阴、喷施光合抑制剂、同位素标记等方法间接估算了水果、麦类作物、豆科作物等植物的花、果实等繁殖器官以及茎的光合贡献率，但是各种方法均存在一定的局限性。

1.1 植物繁殖器官的光合贡献

在植物生殖生长早期，花瓣、萼片、果实及附属物等繁殖器官通常为绿色，绿色的繁殖器官对籽实产量有很重要的贡献。研究表明，小麦穗部器官、紫花苜蓿果荚、油菜角果等对种子产量的相对光合贡献率分别为14%～76%、26%～48%、70%～100%［14，24，26-28］。对于谷类作物而言，穗部组织的光合作用能够为籽粒生长提供较大比率的贡献。穗形较大的麦类品种的穗部具有更大的光合作用潜力［29］，构成穗部的每个组织在光合过程中均具有重要作用，其中颖片和芒是较为重要的光合组织［13］。大麦（Hordeum vulgare）和小麦的颖片在生殖生长过程中作为库和源参与了籽粒灌浆的调节，花前期储存的碳同化物可以经由穗部颖片转移到正在生长的谷物中［30］。在灌浆后期，旗叶中的叶绿体开始衰退，光合能力随之降低，但颖片可保证大量氮化合物向籽粒运输，且此时，芒仍能保持较高的光合性能［31］。芒对籽粒灌浆的贡献能达到23%～33%［13，32］。最近的研究表明，芒虽然增加了小麦粒径的大小，但会使籽粒数减少，小麦中芒的光合能力越强，产量反而越低，这可能是因为芒在生长过程中消耗了属于小花的养分从而使小花营养不良，影响了后续籽实发育［10］。水稻（Oryza sativa）花序的光合碳同化对籽粒产量的贡献率为20%～30%［33］。水稻1 个圆锥花序的光合同化CO2量高达对应旗叶的30%，但是水稻花的总光合速率（130～180 μmol CO2·mg-1·Chl-1·h-1）与对应旗叶（180～230 μmol CO2·mg-1·Chl-1·h-1）的相似，其中，花柄的光合速率较低，为50～100 μmol CO2·mg-1·Chl-1·h-1［34］。此外，科研工作者也研究了其他作物繁殖器官的光合贡献。Hu 等［35］的研究表明，棉花的非叶绿色器官中，苞叶、铃壳、主茎秆的光合能力占全株光合能力的比率分别为9.4%、14.3%和12.7%，它们对铃壳干重的光合作用贡献率分别为25.1%（苞叶+铃壳）和5.4%（主茎秆），为棉铃提供1/3 的光合产物供应，而它们对种子重的贡献率超过50%。大豆（Glycine max）豆荚除了对籽粒有保护作用外，其对豆粒的光合贡献率为1%～17%［36-37］。其中，鼓粒期豆荚的光合面积为邻近叶片的20%～35%，光合速率最大，为叶片的13%～60%［38］；光合产物转运量达到最高，达到叶片的60%［39］。研究表明，番茄（Lycopersicon esculentum）果实的光合作用贡献了总固定碳的10%～15%［40］。

一些植物花芽发育比叶芽具有更低的温度要求，因此开花时除了消耗自身碳储备还需要发育中的果实进行光合作用来满足生殖生长所需碳需求，例如，兔眼越橘（Vaccinium ashei）果实的光合作用在开花后的前10 d 为植物生长提供了50%的碳，在落花后的第5 天提供了85%的碳［41］。同样，温州蜜柑（Citrus unshiu）果皮也通过进行光合作用来满足果实的发育并增加汁囊糖的积累［42］。生长适应能力很强的入侵物种紫茎泽兰（Eupatorium adenophorum）的繁殖器官（花蕾、成花和幼果）也通过光合作用来弥补叶片同化物的不足［43］。这些植物繁殖器官进行光合作用产生的同化物目的是完成生殖生长从而保证繁衍。

1.2 茎的光合贡献

植物的茎部从根部运输无机盐、水分到叶片和其他器官中，同时，茎部还可运输光合同化物到果实中。除了运输作用外，植物的茎部、绿色枝条等均具有光合作用，如薇甘菊（Mikania micrantha）、紫茎泽兰、鳄梨（Persea americana）、棉花等的茎对产量有显著的贡献［35，43-45］。小麦全茎的光合活性比例高达4%［40］，对籽粒灌浆的贡献率约为69%［25］。在一定的干旱胁迫下，植物叶片早衰，茎部被阳光直射的面积大大增加，从而利于光合作用。干旱地区的植物为了应对高温酷热的环境改变了叶片的生长时间。旱季时，加利福尼亚草（Justicia californica）的花和果实在没有叶子的情况下生长，茎是唯一进行光合作用的组织［10，46］。沙漠地区物种的茎部在干旱条件下加强了植物光合作用和水力学之间的关系，这促进了额外的碳增加和潜在的耐旱性机制［18］。

1.3 非叶绿色器官相对光合贡献率的估算方法

非叶绿色器官性状不规则并多样化，无法使用测定植物叶片光合性能的方法测定其光合能力，从而限制其光合能力探索相关研究的开展。早期研究植物器官的CO2同化、同化物质的分配等主要采用去叶法［47-49］。一些研究表明，去除部分叶片能提高油菜和葡萄（Vitis vinifera）剩余叶片以及小麦非叶绿色器官的光合速率，但会影响同化物的分配从而降低产量［50-52］。适当的时期去除叶片对一些植物生长具有积极的影响，例如，在营养生长时期摘除适量菊芋（Helianthus tuberosus）叶片可以使根茎重量增加，现蕾期去除一半花头也会有类似的结果［53］。营养生长时期，去除叶片相当于直接去除叶片内已经同化储存的有机物，使果实直接丧失了一种库源。去除植物全部叶片，只保留非叶绿色器官进行光合作用，能够估算其光合贡献，但是，去叶是一种有损处理，可能影响植物生命活动的正常运行，无法模拟植物在正常生长情况下非叶绿色器官的光合表现。

使用铝箔纸遮阴是较常见的间接估算植物非叶绿色器官光合能力的方法，在小麦［54］、紫花苜蓿［14］、大豆［37］和棉花［35］等作物上均有报道。相比去叶，遮蔽器官能使其不进行光合作用的同时保留库源，这一处理会使被遮蔽的器官有机会转移碳同化物到果实或其他器官中，减少了不必要的同化物流失，但是，这一处理也会产生其他效应。Rut 等［25］以小麦为材料，比较研究了3 种评估植物器官相对光合贡献的方法，通过遮蔽器官、喷施光合抑制剂、碳同位素标记处理发现，前两种方法会造成补偿效应，从而增加未处理光合器官或花前期器官储备对籽粒灌浆的贡献；使用碳同位素标记评价时，由于作物的稃片或器官在收割后会继续进行呼吸作用产生损失，无法准确及时估算其光合贡献率。喷施光合抑制剂，除限制目标器官的光合作用外，还会通过在植物体内的运输影响其他器官的光合作用［25，55］。因为评价方法的局限性，对非叶绿色器官产量贡献率估测偏高，但毋庸置疑的是非叶绿色器官对产量存在贡献，误差的发现侧面反映了一些未受处理影响的器官的潜力，这对产量具有重要意义［56-57］。

去叶、遮阴、喷施光合抑制剂等方法，除了限制植物光合作用以外，还会影响呼吸作用、果实成熟等植物其他生命活动的运行，无法较为准确地反映非叶绿色器官的光合能力。同位素标记能够在不影响植物正常生长的情况下实现各种非叶绿色器官光合能力的估算，且可以避免出现由于限制目标器官光合作用而产生的其他器官的光合补偿效应。然而，同位素标记后光合产物在贮藏过程中会出现再分配现象［58］，无法准确估算谷物穗部器官中各个组织的光合能力。且取样时，需考虑由于呼吸作用所消耗的同化物量［25］。另外，植物开花前所产生的光合产物大量积累在茎中，这些营养物质在生殖生长阶段逐渐向繁殖器官中进行转移，在估算植物繁殖光合贡献时，需要考虑茎中营养物质转移对籽实增重的贡献。研究植物器官相对贡献率的常规方法需要大量的重复试验、花费很多的时间和精力去养护，无法短期从大样本中筛选到具有优势的物种，因此，开发运用高通量手段估算非叶绿色器官光合能力，对筛选稳定且具有高产潜力的作物品种是非常有意义的。

2 非生物胁迫对非叶绿色器官的影响

在面临干旱、高温、病害等逆境胁迫时，植物叶片比非叶绿色器官更易受到影响［59-60］。逆境胁迫会加快叶片衰老，导致其无法高效运行光合作用等生命活动，而非叶绿色器官具有蒸腾速率较低、水分利用效率较高、渗透调节能力较强的特征，表现出一定的抗逆能力，能够保证各生理活动的正常运行，为植物生长和生产提供一定的光合补偿。

2.1 干旱对非叶绿色器官的影响

水分胁迫通过影响植物代谢，降低其生长能力和光合作用［61］。干旱胁迫下，麦类作物穗部器官的光合作用对维持作物整体光合能力具有“缓冲效果”［32］，这种维持效应可能是因为穗部器官能够保持更高的相对含水量［21］。研究表明，与旗叶相比，小麦穗部器官的蒸腾速率较低，水分利用效率较高［62-63］；颖片、外稃及芒具有较强的渗透调节能力，穗部各器官在干旱胁迫下均表现出较高的相对含水量，最终保证各生理活动的正常运行［21，64］。干旱胁迫下，穗部器官中与脯氨酸、亚精胺、棉籽糖和海藻糖等渗透调节物质合成相关的基因呈现上调表达，以增强穗部器官对干旱胁迫的抵抗能力［65-66］。此外，麦类作物的穗部器官具有小而浓密的细胞、较小的细胞间隙以及较厚的细胞壁，这些特征也有益于减轻干旱胁迫的损害［63，67］。麦类作物非叶绿色器官在干旱胁迫下的光合抗逆性可能是因为颖片、外稃和芒中存在厚壁组织等抗旱的生态特征，芒有利于折射多余的光线，使穗部器官衰老的速度比旗叶慢，从而产生持续的荧光信号，并在缺水条件下保持产量［31，68］。水分胁迫会对植物绿色面积产生一定的影响。盛花期到盛铃期，棉花在轻度到中度水分胁迫下，冠层上部非叶绿色器官表面积平均降低了27%～60%［69］，而小麦的非叶绿色器官占每茎秆绿色面积的比率随着水分供应的减少而明显增加［70］。随着干旱程度的增强，麦类作物非叶绿色器官叶绿体的损失量明显低于旗叶，叶绿素、光合酶等降解更少，叶绿体结构稳定性更强［21-22，71］。

2.2 高温对非叶绿色器官的影响

据预测，未来50～75年全球气温将会升高3.5 ℃，许多小麦种植区在灌浆时期温度可能达到40 ℃，这会对生长在气候温和地区的作物产生严重的热胁迫［72］。光合作用对温度较为敏感，高温胁迫会抑制光合作用的运行［73］。高温条件下，作物的生育期会变短，整个生育进程加快，光化学反应过程发生改变。C3植物由于氧化反应对温度依赖性会比C4植物消耗更多能量，这会使叶面温度超过20～25 ℃［74］。灌浆期小麦旗叶、非叶绿色器官在高温条件下的叶绿素含量、净光合速率降低，但非叶绿色器官相比旗叶表现出较低的膜质过氧化程度，脯氨酸含量增幅较高和抗氧化酶（超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶）活性较稳定的特征［75-76］，即表现出优于旗叶的抗热性。可能是因为麦类作物穗部器官中存在类似C4光合途径；14CO2同位素标记试验结果表明，相比旗叶，小麦颖片中固定的δ14C 更多出现在苹果酸中而非3-磷酸甘油酸中［75］。麦类作物生长后期易受到高温胁迫，相比旗叶，位于植株顶部的穗部器官更易受到阳光直射和高温胁迫。然而，Kong 等［75］的试验结果表明，花后24 和32 d 小麦颖片的非光化学猝灭值（non-photochemical quenching，NPQ）显著高于旗叶，意味着颖片向NPQ 途径分配了更多的能量，对高温、强光照的环境适应性更强。

3 非叶绿色器官光合途径鉴定

陆地植物由95%的C3植物和5%的C4植物组成［77］，C4植物具有光合效率较高的C4光合途径，其初级生产力占总初级生产力的20%［78］。研究发现，在小麦等C3植物的穗部器官中存在C4光合途径或者C3～C4中间型光合途径［79-80］，并且这种较高效的光合能力在干旱胁迫下表现得尤为明显［13］。干旱胁迫时，小麦旗叶中参与C3途径的光合酶核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase，RuBisCo）的表达量呈现下调趋势，且活性降低，叶片的光合性能受到抑制［81］。尽管穗部器官颖片和外稃中RuBisCo 的活性降低，但其参与C4途径的光合酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（phosphopyruvate carboxylase，PEPC）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸依赖型苹果酸酶（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate dependent malic enzyme，NADP-ME）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖型苹果酸酶（nicotinamide adenine dinucleotide dependent malic enzyme，NAD-ME）以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸依赖型苹果酸脱氢酶（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate dependent malic dehydrogenase，NADP-MDH）的活性均升高，对叶片C3途径的减弱具有一定的补偿作用以保证光合产物的产出［65，82］。另外，在小麦和燕麦（Avena sativa）穗部器官中还被发现存在类似C4植物叶片中的克兰兹（Kranz）结构，以及基粒发育良好和不良的2 种叶绿体［79，83］，这种结构能够确保细胞在低CO2浓度下仍旧保持较高的光合能力。Baluar 等［79］报道，黑小麦（Triticale durum）、硬质小麦的芒和颖片的维管束密度与玉米叶片无差异，并具有和玉米叶片相似的Kranz 结构，说明这些颖片和芒可能在向着C4途径进化。但是，一些研究也报道，穗部器官中缺乏C4光合代谢或类似C4的光合代谢。尽管穗部器官中存在类似的Kranz 结构，但其功能仍有待商榷［21］，且研究证明，Kranz 结构并非C4途径的必要条件［84］。穗部器官较高的CO2同化率是通过卡尔文循环而非转化成C4途径中的苹果酸或者天冬氨酸而实现［85］。C4途径关键酶PEPC 除了在穗部器官中发挥作用外，在小麦叶片中也有存在，并不能作为C4光合代谢的直接标志［86］。因此，需要更多的研究证明穗部器官中存在较高光效的C3～C4或C4途径，并探索其在逆境胁迫中的响应机制。

4 非叶绿色器官再固定CO2

植物通过控制气孔开度调节植物的蒸腾速率，从而影响叶片水势，此外，气孔还是气体交换的重要通路，是植物器官进行光合作用的重要器官。植物绿色器官同化的CO2主要有两个来源，第一种是大气中的CO2从气孔进入细胞后被固定；第二种是线粒体呼吸释放的CO2被直接再固定或离体后进入气孔再次被利用并固定［12］。植物对CO2的再同化能改善呼吸作用造成的碳损失，对木本植物而言，有利于其防止茎内缺氧症的发生。

除叶片外，植物的其他部位也分布着气孔，朱槿（Hibiscus rosa-sinensis）花瓣的上、下表皮，萼片的下表皮及花柱都有气孔且会随开花进程呈现动态分布［87］。有些非叶绿色器官上的气孔不但具有和叶片气孔相似的功能，甚至还优于叶片气孔，李寒冰等［88］对比了小麦、大豆、玉米（Zea mays）、油菜非叶绿色器官与旗叶气孔的功能和结构后发现，非叶绿色器官的气孔频度更低，因此这些部位保水能力更好。棉花苞片上的气孔能在高浓度CO2（800 μmol·mol-1以上）下，苞片的瞬时水分利用效率显著高于叶片［69］。

一些植物特殊部位的气孔有助于再同化植物本身呼吸释放的CO2。小麦颖片和稃片内表面的气孔能吸收并再固定胚乳释放的CO2［68］，类似地再固定机制也存在于棉花的苞叶和铃壳中，这对产量具有潜在贡献［89］。气孔在一些果实果皮上亦大量存在，黄瓜（Cucumis sativus）、小蜜橘（Satsuma mandarin）等植物的果皮气孔会参与光合作用［80，90］。黄瓜果皮光合作用贡献了自身所需碳的9.4%，而其呼吸作用产生的88%的CO2会被重新固定，在没有叶片的情况下，增加果实表面气孔密度可以提高果实对CO2的吸收，从而提高光合效率，对产量有积极的影响［91］。植物气孔通过蒸腾水分来调节植物内环境的温度，这一过程有助于果实调节光合作用反应的内环境，从而保证CO2的最大化吸收，目前只有少部分植物果实气孔被证实可以吸收CO2用于光合作用［10］。

一些被子植物种子的绿胚在发育时会进行光合作用，种子呼吸产生的CO2能被绿胚叶绿体重新固定［92］。在油菜籽发育时，光照条件相比黑暗条件会促进更多的脂肪酸积累［93］，种子绿胚光合作用在豌豆（Pisum sativum）、蚕豆（Vicia faba）、油菜、拟南芥（Arabidopsis thaliana）、棉花等植物中得到证实［10］。研究作物果实光合作用可以更好地研究早期植物光合对结实率的影响。除果实外，木本植物茎枝内部的皮层中含有的叶绿体也能进行光合作用，这些叶绿体对茎内部的低光、高CO2浓度、低pH、低O2的环境表现出了良好的适应性［94］，木本幼枝和分枝茎内的CO2再固定可以弥补呼吸作用造成的碳损失的60%～90%，这些部位的叶绿体可能通过再固定线粒体释放的CO2从而减缓茎内缺氧症的危害［95］。

5 展望

干旱、高温等逆境胁迫是未来植物生产所面临的挑战，研究植物生长适应性对气候的响应变化对于促进植物生产具有重要意义。植物非叶绿色器官表现了一定的光合能力，尤其是在植物面临逆境胁迫时，叶片同化能力降低，而非叶绿色器官持绿时间长，能保持稳定的水分利用效率和光适应反应，通过再固定呼吸释放的CO2而补偿因叶片气孔限制所造成的碳损失，保障生产。作物繁殖器官发育和生长所需的营养物质主要由邻近叶片和繁殖器官的光合作用供给，繁殖器官的光合贡献能够明显降低生殖生长的营养物质消耗。相比叶片，作物繁殖器官光合具有一定的优势，其处于植株上部，直立分布，能够有效地截获更多光资源；穗部器官中可能存在优于叶片中C3光合途径的C4光合途径或者C3～C4中间型；并且颖片、芒、稃片等穗部器官组织与籽实连接，便于光合产物运输。筛选非叶绿色器官光合能力较高的作物品种，改善作物整体光合性能，提高产量，是应对逆境胁迫、满足人类食物需求的重要途径之一。

然而，以往研究非叶绿色器官光合性能的对象多为谷物类、水果、牧草等遗传背景较为复杂的作物。在探索其非叶绿色器官光合潜力，如光合途径类型、抗逆性表现和库源关系时，无法清晰、完整地探索描述其分子机制，尤其是C3植物的非叶绿色器官是否存在C4、类似C4或者C3～C4中间型等高效光合途径。所以，未来应加强以模式植物为载体，充分挖掘非叶绿色器官与叶片表达差异基因，鉴定非叶绿色器官光合途径类型，整合探究主要作物非叶绿色器官的发育、光合性能及抗逆生理响应等过程，以提高非叶绿色器官的抗逆能力和光合潜力。

另外，在评价非叶绿色器官光合性能时，由于非叶绿色器官性状不规则、多样化，受研究手段限制，无法运用测定叶片光合特征的仪器精确、无损、高通量地测定其绿色面积、光合速率等指标，从而阻碍非叶绿色器官光合性能评价研究的深入开展。未来需开发特有仪器，应用于评价主要作物非叶绿色器官光合特征，例如，测量禾谷类作物单穗的光合性能参数、叶绿素荧光参数、叶绿素含量等指标，促进筛选高光合性能植物资源，推进新品种培育工作。