王月 王鲁鑫 李浩天 刘兴斌 韩晓日

摘要：通过水培试验研究在低磷（2 μmol/L）、磷充足（2 mmol/L）条件下，大气中不同CO2浓度[（400±50）、（800±50） μmol/mol]对番茄光合特性和抗氧化酶活性的影响。结果表明，磷充足条件下，CO2浓度升高可以显著促进番茄叶片光合速率的提高;而低磷抑制了这种作用。磷充足时，CO2浓度升高显著增加了叶绿素含量，并且叶绿素b含量的增幅明显大于叶绿素a含量;而低磷条件下，CO2浓度升高显著降低了叶绿素含量。与磷充足相比，低磷条件下，番茄叶片的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性明显降低，丙二醛含量升高。但CO2浓度升高明显促进了3种抗氧化酶的活性，并且磷充足条件下促进作用更为显著，同时降低了MDA的含量。因此CO2浓度升高条件下，磷素充足供应可以促进CO2浓度升高产生的正效应。

关键词：番茄;CO2浓度升高;低磷;光合作用;抗氧化酶活性

中图分类号：S145.3;S641.206 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）12-0163-05

收稿日期：2021-08-29

基金项目：国家自然科学基金（编号：41602363）。

作者简介：王 月（1977—），女，辽宁北镇人，博士，讲师，主要从事植物营养施肥与土壤肥力研究。E-mail：wangyue1028@163.com。

设施农业中通常施用CO2来补充密闭条件下CO2的缺乏问题，从而增加蔬菜产量和提高品质。CO2施肥对作物的影响还由于全球大气变化而受到更广泛的关注。由于森林砍伐、化石燃料的燃烧等人为活动导致大气中CO2浓度逐年升高，产业革命以前大气中CO2浓度约是280 μmol/mol，目前，大气中CO2浓度已经超过了400 μmol/mol，预计2100年将会达到730～1 020 μmol/mol[1]。

CO2作为植物光合作用的重要原料，其浓度升高势必会对植物光合作用产生影响[2]。有关CO2浓度升高对植物的影响国内外学者进行了大量探索[3-5]。普遍认为在响应短期高浓度CO2时，多数植物会增加净光合作用和减少蒸腾作用[6]。在光合作用中叶绿素发挥着重要作用，它的含量会直接影响植物的光合效率。关于CO2浓度升高对植物叶绿素影响的结论并不一致。研究认为，CO2浓度升高对植物叶绿素含量的影响，表现为促进效应[7]、抑制效应[8]和没有影响[9]。这可能与植物种类以及CO2处理时间等因素不同有关。植物叶片的衰老与光合性能密切相关，因为叶片衰老会影响光合面积以及光合速率。膜质过氧化最重要的产物之一丙二醛（MDA）以及抗氧化酶超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）是标志衰老性状较为常用的敏感指标。通常CO2浓度升高能提高植物的抗氧化能力[10-11]，也有研究认为，CO2浓度升高会降低植物的抗氧化酶活性[12]。但以上的研究大多是在单一CO2浓度升高条件下进行的，而CO2浓度升高对植物的影响还与其他环境因子有关[13]，其中养分有效性是重要的因素之一，因其在植物响应高浓度CO2时发挥着调控作用[14-15]。磷素作为植物必需的大量营养元素，其有效性直接影响植物光合作用对CO2的响应[16-17]。本研究在不同供磷条件下，探索CO2浓度升高对番茄光合作用和抗氧化系统生理指标的影响，对评价和预测CO2浓度升高条件下番茄植株生长和适应性有一定的实践指导意义，同时为植物的磷素营养管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与方法

试验于2020年11月在沈阳农业大学植物营养学科人工气候室内进行。供试作物为番茄（302番茄）。先将种子消毒催芽，然后播在清洗干净的石英沙中。待幼苗长出2张真叶时进行移栽，将4株长势一致的幼苗转移到1 L的培养器皿中，内装1/2浓度Hoagland营养液，共移栽12盆，供后续进行的4个处理，重复3次使用。培养7 d后，进行不同CO2浓度与供磷量处理。每天光照12 h，光照度是10 000 lx;白天、晚上的温度分别为25、18 ℃。处理后16 d进行相关性状测定。

1.2 供磷水平和CO2浓度

供磷水平设低磷、磷充足2个水平。磷充足营养液配方：4 mmol/L Ca（NO3）2·4H2O，6 mmol/L KNO3，2 mmol/L NH4H2PO4，2 mmol/L MgSO4·7H2O;微量元素的组成同Arnon营养液。低磷营养液配方：NH4H2PO4的浓度为2 μmol/L，以（NH4）2SO4补充铵态氮，其他同磷充足营养液。营养液pH值调至6.0，每3 d換1次营养液。

CO2浓度处理在培养箱（Conviron E7/2，加拿大）中进行，对照CO2处理浓度为（400±50） μmol/mol，升高CO2处理浓度为（800±50） μmol/mol。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 番茄叶片光合作用参数测定 每个处理选择具有代表性的番茄植株3株，选取倒数第3张功能叶，利用便携式Ciras-2 型光合仪进行光合参数的测定。包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr），并通过公式计算水分利用效率（WUE）=Pn/Tr。测定时使用内置红蓝光源，叶室温度设定为25 ℃。

1.3.2 番茄叶片叶绿素含量测定 每个处理选择具有代表性的番茄植株3株，将主茎上倒数第3张功能叶摘下，放入自封袋中并置冰盒内带回实验室，立即测定叶绿素a、叶绿素b含量[18]，并计算总叶绿素含量及叶绿素a含量/叶绿素b含量。

1.3.3 叶片抗氧化酶活性及丙二醛含量的测定 选择番茄主茎上倒数第3张完全展开叶，放入自封袋中并置冰盒内带回实验室，立即进行3种抗氧化酶即超氧化物歧化酶（SOD）[19]、过氧化物酶（POD）[20]、过氧化氢酶（CAT）[21]等的活性以及丙二醛含量[22]的测定。

1.4 数据统计分析

利用SPSS 16. 0 和Excel 分析试验数据并作图。

2 结果与分析

2.1 不同供磷水平下CO2浓度升高对番茄叶片光合作用的影响

由图1可知，无论低磷还是磷充足条件下，CO2浓度升高均显著增加了番茄的光合速率，低磷条件下增加13.0%，磷充足条件下增加26.1%;2个CO2水平下， 均为磷充足处理光合速率显著高于低磷处理。气孔导度以及蒸腾速率在响应CO2浓度升高时均显著降低，低磷和磷充足条件下分别降低69.1%和13.8%、53.9%和21.2%;CO2浓度升高明显促进了番茄叶片的水分利用效率，在低磷和磷充足条件下分别增加145.1%、60.1%。

2.2 不同供磷水平下CO2濃度升高对番茄叶片叶绿素含量的影响

从表1可以看出，在低磷条件下，叶片中叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量在响应CO2浓度升高时显著减少，分别比对照降低了17.2%、18.1%、17.5%，叶绿素a含量/叶绿素b含量的变化不显著;磷充足时，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量在响应CO2浓度升高时均显著提高，分别比对照提高了11.5%、21.0%、13.5%，其中叶绿素a含量和叶绿素b含量的比值显著降低。

2.3 CO2浓度升高对番茄叶片抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响

对照CO2条件下，与磷充足相比，低磷使番茄叶片SOD、POD和CAT的活性分别降低了31.9%、47.3%、16.2%（图2-A、图2-B、图2-C），而MDA的含量比磷充足条件下增加了27.5%（图2-D）;CO2浓度升高后，SOD、POD和CAT的活性分别增加了7.7%、21.2%、19.3%，同时MDA的含量降低了13.3%。磷充足条件下，番茄叶片中SOD、POD和CAT的活性在响应CO2浓度升高时，分别比低碳处理增加10.6%、25.1%、15.8%，MDA的含量降低了15.4%，且处理间差异显著。

3 讨论与结论

众多研究表明，CO2浓度升高通常会刺激C3植物的光合作用和生长潜力[23-24]。本研究结果表明，无论在低磷还是在磷充足条件下，CO2浓度升高均促进了番茄叶片的净光合速率，但低磷限制了这种效应，这与相关研究结果[25]一致，表明磷供应不足会使大中CO2浓度升高，对植物生长的促进作用减弱。无论CO2浓度高或低，低磷均显著降低了番茄的光合速率。低磷条件下植物净光合速率降低并非气孔导度降低减少了CO2的供应，而是由于非气孔因素阻碍了对CO2的利用[26]，主要是因为磷不足影响了植物的代谢过程[27]。高浓度CO2条件下植物叶片的气孔往往会关闭[28]，减少植物与大气之间的气体交换，从而使气孔导度下降，蒸腾速率降低[29]，这在本研究中进一步得到了证实。由于光合速率增加和蒸腾速率下降，本研究中番茄水分利用效率显著升高，这与相关研究结果[30-31]一致。

相关研究表明，CO2浓度升高对植物叶片中叶绿素含量，叶绿素a含量和叶绿素b含量的比值均有影响，但结论不一致。长期生长在CO2浓度升高条件下的植物，其叶片中叶绿素的含量会降低，叶绿素a含量和叶绿素b含量的比值会下降[32-33]。本研究中在对照CO2条件下，低磷处理的叶绿素含量显著高于磷充足处理，可能是由于缺磷时植物生长缓慢，干物质积累少，所以叶绿素含量相对较高;低磷条件下，当CO2浓度升高时叶绿素含量显著降低，可能是由于CO2浓度升高促进了其光合作用，积累了更多的干物质，所以叶绿素含量降低。当磷充足时，CO2浓度升高使叶绿素含量增加，并且叶绿素a含量与叶绿素b含量的比值降低，说明磷充足时CO2浓度升高有利于叶绿素的形成并且更有利于形成叶绿素b，这或许是CO2浓度升高增强植物光合作用的原因之一，因为叶绿素b含量增加可使补光色素蛋白复合体的生成增多，从而增强了叶绿体对光能的吸收。也有研究认为，CO2浓度升高导致叶绿素a含量/叶绿素b含量升高[34-35]或者不变[36]，这可能与植物种类或生育时期等不同有关。

MDA的积累量间接反映了植物受胁迫的程度[37-38]。SOD、POD、CAT这3种抗氧化保护酶，可以清除植物体内的活性氧等超氧化物，防止膜脂过氧化，提高植物的生理活性、减缓其衰老[39]。本研究中低磷导致了番茄叶片中MDA的含量显著升高，这与在甘蔗以及在水稻叶片上的研究结果[40-41]一致，因此低磷导致了超氧自由基的增多并造成了膜脂过氧化程度的提高。同时缺磷处理番茄叶片SOD、POD、CAT等3种抗氧化酶活性显著降低，但是CO2浓度升高增加了3种抗氧化酶的活性，因此增强了抗氧化能力，使其膜脂过氧化程度减弱，进而降低了番茄叶片中的MDA含量，表明在一定期间内高浓度CO2对保护番茄叶片防止氧化损伤起着重要的作用。这与在樱桃番茄以及在番茄幼苗上的研究结果[42-43]类似。而彭长连等发现，CO2浓度升高条件下水稻的氧化损伤程度降低，同时几种抗氧化酶的活性也降低，认为高浓度CO2条件下氧化损伤程度的降低主要是由于生成的活性氧减少所致[12]。林久生等发现，在小麦的整个生长期几种抗氧化酶的活性均表现为CO2倍增条件下明显高于CK，并且H2O2含量也高于CK，认为CO2倍增条件下小麦氧化损伤程度的减轻并不是由于活性氧含量的下降，而主要是由于细胞内抗氧化能力的增强[44]。可见由于试验使用材料的种类、发育阶段、CO2浓度和处理时间以及其他生长环境等不同，使得高浓度CO2对植物自由基的产生以及清除的影响试验结果不尽一致。

综上所述，CO2浓度升高增强了番茄的光合效率，而低磷抑制了这种作用;磷充足条件下CO2浓度升高有利于番茄叶片叶绿素的形成，并且更有利于叶绿素b的形成，同时也增强了番茄抗氧化系统的保护能力，进而促进光合作用。因此CO2浓度升高条件下，磷素的充足供应可以促进CO2浓度升高产生的正效应。

参考文献：

[1]Kumar A，Nayak A K，Sah R P，et al. Effects of elevated CO2 concentration on water productivity and antioxidant enzyme activities of rice （Oryza sativa L.） under water deficit stress[J]. Field Crops Research，2017，212：61-72.

[2]Redda A R，Rasinen G K，Raghawendra A S. The impact of global elevated CO2 concentration on photosynthesis and plant productivity[J]. Current Science，2010，99（1）：46-57.

[3]DeLucia E H，Hamilton J G，Naidu S L，et al. Net primary production of a forest ecosystem with experimental CO2 enrichment[J]. Science，1999，284（5417）：1177-1179.

[4]郝兴宇，韩 雪，李 萍，等. 大气CO2浓度升高对绿豆叶片光合作用及叶绿素荧光参数的影响[J]. 应用生态学报，201 2（10）：2776-2780.

[5]刘 超，胡正华，陈 健，等. 不同CO2浓度升高水平对水稻光合特性的影响[J]. 生态环境学报，2018，27（2）：246-254.

[6]Long S P，Ainsworth E A，Rogers A，et al. Rising atmospheric carbon dioxide：plants FACE the future[J]. Annual Review of Plant Biology，2004，55：591-628.

[7]Pinter Jr P J，Idso S B，Hendrix D L，et al. Effect of free-air CO2 enrichment on the chlorophyll content of cotton leaves[J]. Agricultural and Forest Meteorology，1994，70（1/2/3/4）：163-169.

[8]Rao M V，Hale B A，Ormrod D P. Amelioration of ozone-induced oxidative damage in wheat plants grown under high carbon dioxide （role of antioxidant enzymes）[J]. Plant Physiology，1995，109（2）：421-432.

[9]Reeves D W，Rogers H H，Prior S A，et al. Elevated atmospheric carbon dioxide effects on sorghum and soybean nutrient status[J]. Journal of Plant Nutrition，1994，17（11）：1939-1954.

[10]莊明浩，李迎春，郭子武，等. 大气CO2浓度升高对毛竹叶片膜脂过氧化和抗氧化系统的影响[J]. 生态学杂志，2012，31（5）：1064-1069.

[11]刘 筱. 模拟CO2浓度升高和降水改变对薄荷生理生态特性的影响[D]. 贵阳：贵州大学，2020.

[12]彭长连，林植芳，林桂珠. 加富CO2条件下水稻叶片抗氧化能力的变化[J]. 作物学报，1999，25（1）：39-43.

[13]赵天宏，王美玉，张巍巍，等. 大气CO2浓度升高对植物光合作用的影响[J]. 生态环境，2006，15（5）：1096-1100.

[14]Lloyd J，Farquhar G D. The CO2 dependence of photosynthesis，plant growth responses to elevated atmospheric CO2 concentrations and their interaction with soil nutrient status. Ⅰ. General principles and forest ecosystems[J]. Functional Ecology，1996，10（1）：4.

[15]牛晓光，杨荣全，李 明，等. 大气CO2浓度升高与氮肥互作对玉米光合特性及产量的影响[J]. 中国生态农业学报，2020，28（2）：255-264.

[16]Conroy J P，Smillie R M，Küppers M，et al. Chlorophyll a fluorescence and photosynthetic and growth responses of Pinus radiata to phosphorus deficiency，drought stress，and high CO2[J]. Plant Physiology，1986，81（2）：423-429.

[17]Lewis J D，Griffin K L，Thomas R B，et al. Phosphorus supply affects the photosynthetic capacity of loblolly pine grown in elevated carbon dioxide[J]. Tree Physiology，1994，14（11）：1229-1244.

[18]李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[19]Giannopolitis C N，Ries S K.Superoxide dismutases：Ⅱ. purification and quantitative relationship with water-soluble protein in seedlings[J]. Plant physiology，1997，59（2）：315-318.

[20]陈贻竹，B.帕特森. 低温对植物叶片中超氧物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化氢水平的影响[J]. 植物生理学报，1988，14（4）：323-328.

[21]Cakmak I，Marschner H. Magnesium deficiency and high light intensity enhance activities of superoxide dismutase，ascorbate peroxidase，and glutathione reductase in bean leaves[J]. Plant Physiology，1992，98（4）：1222-1227.

[22]Heath R L，Packer L.Photoperoxidation in isolated chloroplasts：Ⅰ. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation[J]. Archives of Biochemistry and Biophysics，1968，125（1）：189-198.

[23]Kant S，Seneweera S，Rodin J，et al. Improving yield potential in crops under elevated CO2：integrating the photosynthetic and nitrogen utilization efficiencies[J]. Frontiers in Plant Science，2012，3：162.

[24]Morales A，Yin X Y，Harbinson J，et al. In silico analysis of the regulation of the photosynthetic electron transport chain in C3 plants[J]. Plant Physiology，2017，176（2）：1247-1261.

[25]Conroy J P. Influence of elevated atmospheric CO2 concentrations on plant nutrition[J]. Australian Journal of Botany，1992，40（5）：445.

[26]朱隆靜，喻景权. 不同供磷水平对番茄生长和光合作用的影响[J]. 浙江农业学报，2005，17（3）：120-122.

[27]Jacob J，Lawlor D W. Stomatal and mesophyll limitations of photosynthesis in phosphate deficient sunflower，maize and wheat plants[J]. Journal of Experimental Botany，199 42（8）：1003-1011.

[28]Mott K A. Sensing of atmospheric CO2 by plants[J]. Plant，Cell and Environment，1990，13（7）：731-737.

[29]Centritto M，Lucas M E，Jarvis P G. Gas exchange，biomass，whole-plant water-use efficiency and water uptake of peach （Prunus persica） seedlings in response to elevated carbon dioxide concentration and water availability[J]. Tree Physiology，2002，22（10）：699-706.

[30]Klaiber J，Najar-Rodriguez A J，Piskorski R，et al. Plant acclimation to elevated CO2 affects important plant functional traits，and concomitantly reduces plant colonization rates by an herbivorous insect[J]. Planta，2013，237（1）：29-42.

[31]Brestic M，Zivcak M，Hauptvogel P，et al. Wheat plant selection for high yields entailed improvement of leaf anatomical and biochemical traits including tolerance to non-optimal temperature conditions[J]. Photosynthesis Research，2018，136（2）：245-255.

[32]Oberbauer S F，Strain B R，Fetcher N. Effect of CO2-enrichnient on seedling physiology and growth of two tropical tree species[J]. Physiologia Plantarum，1985，65（4）：352-356.

[33]Socias F X，Medrano H，Sharkey T D. Feedback limitation of photosynthesis of Phaseolus vulgaris L grown in elevated CO2[J]. Plant，Cell and Environment，1993，16（1）：81-86.

[34]Nie G Y，Long S P，Garcia R L，et al. Effects of free-air CO2 enrichment on the development of the photosynthetic apparatus in wheat，as indicated by changes in leaf proteins[J]. Plant，Cell and Environment，1995，18（8）：855-864.

[35]卢从明，张其德，冯丽洁，等. CO2浓度倍增对谷子拔节期和灌浆期光合色素含量和PSⅡ功能的影响[J]. 植物学报，1997，39（9）：874-878.

[36]韦彩妙，林植芳，孔国辉.提高CO2浓度对两种亚热带树苗光合作用的影响[J]. 植物学报，1996，38（2）：123-130.

[37]高 婷，张 杰，马瑞红，等. NaCl胁迫对黑籽南瓜生长和生理特性的影响[J]. 江苏农业科学，2020，48（6）：122-124，137.

[38]赵 嫚，陈仕勇，李亚萍，等. 外源GABA对盐胁迫下金花菜种子萌发及幼苗抗氧化能力的影响[J]. 江苏农业学报，202 37（2）：310-316.

[39]高小丽，孙健敏，高金锋，等. 不同基因型绿豆叶片衰老与活性氧代谢研究[J]. 中国农业科学，2008，41（9）：2873-2880.

[40]万美亮，邝炎华，陈建勋. 缺磷胁迫对甘蔗膜脂过氧化及保护酶系统活性的影响[J]. 华南农业大学学报，1999，20（2）：1-6.

[41]潘晓华，刘水英，李 锋，等. 低磷胁迫对不同水稻品种叶片膜脂过氧化及保护酶活性的影响[J]. 中国水稻科学，2003，17（1）：57-60.

[42]Karim M F，Hao P F，Nordin N H B，et al. CO2 enrichment using CRAM fermentation improves growth，physiological traits and yield of cherry tomato （Solanum lycopersicum L.）[J]. Saudi Journal of Biological Sciences，2020，27（4）：1041-1048.

[43]Zhang Y，Yao Q，Shi Y，et al. Elevated CO2 improves antioxidant capacity，ion homeostasis，and polyamine metabolism in tomato seedlings under Ca（NO3）2-induced salt stress[J]. Scientia Horticulturae，2020，273：109644.

[44]林久生，王根軒. CO2 倍增对渗透胁迫下小麦叶片抗氧化酶类及细胞程序性死亡的影响[J]. 植物生理学报，2000，26（5）：453-457.