測量cam植物光合速率的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種測量CAM植物光合速率的方法，所述方法是基于大葉室的CO2連續(xù)監(jiān)測，通過測量CAM植物的凈CO2交換量的動(dòng)態(tài)變化，從而核算CAM植物的凈光合速率和暗期CO2吸收率等光合特性指標(biāo)。本發(fā)明的特點(diǎn)在于針對(duì)CAM植物的氣孔運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行CO2凈交換量的連續(xù)測量，從而掌握該植物在晝夜交替或明暗交替環(huán)境下的實(shí)際的同化效率或光合特性。該光合測量方法適用于CAM植物，也能在組培植物或光合較弱的植物種類的光合測量中進(jìn)行應(yīng)用，有效地解決了CAM植物的光合特性的準(zhǔn)確測量問題，還為組培植物或光合弱的植物提供了一種光合測量的解決方案。本方法易于產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，具有很好的應(yīng)用前景和商業(yè)化前景。
【專利說明】測量CAM植物光合速率的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光合測量領(lǐng)域，具體地說，涉及一種測量CAM植物光合速率的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 蘭科植物、沙漠植物、多肉植物等一些典型的CAM植物為了適應(yīng)晝夜溫差大、干 旱、強(qiáng)光照等特殊的生存環(huán)境，形成了夜間氣孔開放吸收(?,白天氣孔關(guān)閉防止蒸騰過量， 氣生根可W直接吸收空氣中的水分等特殊的生理機(jī)制，其CAM光合途徑與常見的C3光合途 徑或C4光合途徑有顯著的差異。光合測量是研究植物生理生態(tài)和生長發(fā)育特性的重要方 法，是植物學(xué)、植物環(huán)境生理、生物環(huán)境工程、園藝學(xué)、農(nóng)學(xué)、栽培學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究的 常用手段。現(xiàn)有或常用的光合測量裝置都是依據(jù)C3植物和C4植物的光合特性而開發(fā)的， 一般是W-定葉面積在一定時(shí)間內(nèi)的(?吸收量進(jìn)行其凈光合速率的定量評(píng)價(jià)。因此，商用 的光合測量儀一般會(huì)針對(duì)植物葉片特征而使用不同形態(tài)的葉室進(jìn)行葉室的環(huán)境調(diào)控，并精 密地測量葉室內(nèi)在一定時(shí)間內(nèi)的(?交換量作為植物光合速率的核算依據(jù)，每個(gè)樣本的測 量時(shí)間約為1-5分鐘。與C3植物和C4植物相比，CAM植物在常用的葉室內(nèi)的CA交換量很 弱，其(?交換量的實(shí)際測量常常難W穩(wěn)定到一定數(shù)值，表現(xiàn)為忽高忽低的動(dòng)態(tài)變化。因此， 常規(guī)的測量方法是難W實(shí)現(xiàn)CAM植物的光合測量，該是由于現(xiàn)有的光合測量儀的信噪比難 W達(dá)到測量CAM植物(?交換量的精度需求。最重要的是，CAM植物特殊的光合途徑中（? 吸收與同化作用是在不同時(shí)段進(jìn)行的，夜間開放氣孔吸收(?,而在白天則關(guān)閉氣孔進(jìn)行同 化作用。因此，無光照情況下進(jìn)行葉室內(nèi)(?吸收量的測量則難W準(zhǔn)確評(píng)價(jià)CAM植物真正的 同化強(qiáng)度，而有光照情況下測量的葉室內(nèi)（?吸收量則幾乎為零。白天測量得到的CAM植 物的(?吸收量則應(yīng)是由其兼性CAM植物同時(shí)具備的C3光合途徑所貢獻(xiàn)的。因此，現(xiàn)有的 商用光合測量儀難W實(shí)現(xiàn)CAM植物的光合定量測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的商用光合測量儀無法準(zhǔn)確測量CAM植物的光合速率 現(xiàn)狀，提供一種可準(zhǔn)確測量CAM植物光合速率的方法。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明的一種測量CAM植物光合速率的方法，所述方法是 基于大葉室的C〇2連續(xù)監(jiān)測，通過測量植物的凈C〇2交換量的動(dòng)態(tài)變化，從而核算CAM植物 的凈光合速率的動(dòng)態(tài)變化，包括W下步驟：
[0005] 1)連接光合測量裝置的本體和葉室之間的管路和連接線后，在未放置任何測量樣 本的情況下（空葉室狀態(tài)）進(jìn)行葉室C〇2吸收量的調(diào)零校正；
[0006] 2)設(shè)定葉室的溫控模式，可選模式為氣溫追蹤模式和恒溫模式；
[0007] 3)設(shè)定并調(diào)整氣路的空氣流速后再次進(jìn)行C〇2吸收量的調(diào)零校正；
[0008] 4)將待測量的葉片或植株地上部分放置到葉室1或葉室2,根據(jù)測量樣本放置到 葉室中的位置核算其葉面積或地上鮮重（測量前建議采用圖像處理核算，測量后再次進(jìn)行 破壞試驗(yàn)或其他精準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行校驗(yàn)）；
[0009] 5)將待測樣本的葉面積或地上鮮重輸入光合測量裝置的本體的樣本屬性，設(shè)定參 數(shù)后開始測量；
[0010] 6)采用本紅外非擴(kuò)散性氣體分析器（In化aredRayGasAnalyzer,IRGA分析器） 循環(huán)測量葉室內(nèi)的(?交換量，測量周期W天為單位。CAM植物的測量周期可長可短，但為 了保證測量精度，建議W2天或4天作為一個(gè)周期。
[0011] 根據(jù)CAM植物的凈(?交換量的動(dòng)態(tài)變化，核算暗期(?吸收率（即植物在暗期 吸收的C〇2量占全天吸收的C〇2量的比率），用于衡量該植物的CAM光合途徑在整個(gè)日同 化量積累中的貢獻(xiàn)率，從而正確評(píng)價(jià)CAM植物的光合特性。本發(fā)明中涉及的CAM植物包括 大葉落地生根daigremontiana)、長壽花（底blossfeldiana)、 虎皮蘭（Sansevieriatrifasciata)、蟹爪蘭（Schlumbergeraaltensteinii)、鐵皮石解 值en化obiumO巧cinale)等專性CAM植物或兼性CAM植物等。
[0012] 本發(fā)明中采用的CAM植物光合測量裝置（圖1)由本體部分和葉室部分組成。本 體部分由主機(jī)和控制器組成，主機(jī)主要完成控制、采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示、傳輸?shù)认嚓P(guān)功能， 控制器主要是完成葉室的溫度控制、流速控制、風(fēng)扇控制和光強(qiáng)控制。葉室由葉室1和葉室 2組成，是測量植株C〇2交換量、水分交換量、溫度變化的組件，內(nèi)置氣粟和流量計(jì)、葉溫傳感 器和光量子傳感器。葉室的溫控模式可選擇為氣溫追蹤模式和恒溫模式，氣路的空氣流速 根據(jù)葉室的零點(diǎn)校正與溫度控制目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。放置到葉室1或葉室2的植株葉面積 或地上部分鮮重可在開始測量前利用圖像處理或結(jié)束測量后的破壞試驗(yàn)獲得。葉室1和葉 室2的(?濃度變化基于主機(jī)的IRGA分析器進(jìn)行循環(huán)測量，測量氣路的切換是利用采樣氣 粟的自動(dòng)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。本體部分的主機(jī)有人機(jī)接口可W進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置、測量控制和數(shù)據(jù) 操作。CAM植物的凈光合速率的測量周期需W天為單位。
[0013] 由于CAM植物的光合較弱，現(xiàn)有的光合測量儀的信噪比難W達(dá)到測量CAM植物的 (?交換量的精度要求，因此，現(xiàn)有的光合測量儀不能準(zhǔn)確測量CAM植物的光合速率。為此， 本發(fā)明提出一種基于大葉室的C〇2連續(xù)監(jiān)測準(zhǔn)確地測量CAM植物的凈C〇2交換量，從而計(jì)算 出CAM植物的凈光合速率。經(jīng)過實(shí)際測試，該方法通過增大光合器官的生物量并基于C〇2交 換量的動(dòng)態(tài)連續(xù)測量W計(jì)算夜間（暗期）和白天（明期或光期）的C〇2凈交換量，利用暗期 的(?凈交換量作為CAM光合途徑對(duì)該植物日同化量的貢獻(xiàn)，而把明期的(?凈交換量作為 C3光合途徑對(duì)該植物日同化量的貢獻(xiàn)，從而了解該植物在晝夜交替或明暗交替環(huán)境下的光 合特性。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明方法不僅能夠計(jì)算CAM植物的凈(?交換量的動(dòng)態(tài)變化，還提出一個(gè) 衡量CAM植物光合特性的指標(biāo)，即暗期(?吸收率（植物在暗期吸收的(?量占全天吸收的 (?量的比率），由此了解該植物的CAM光合途徑在整個(gè)日同化量積累中的貢獻(xiàn)率。為了提 高該光合測量方法的可靠性并降低測量成本，本發(fā)明試制了由2個(gè)大葉室和1臺(tái)主機(jī)組成 的CAM光合測量裝置，實(shí)現(xiàn)了2株CAM植物光合特性的同時(shí)準(zhǔn)確測量。
[0015] 本發(fā)明的特點(diǎn)在于針對(duì)CAM植物的氣孔運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)而進(jìn)行(?凈交換量的連續(xù)測 量，從而掌握該植物在晝夜交替或明暗交替環(huán)境下的實(shí)際同化效率或光合特性。該光合測 量方法適用于CAM植物，有效地解決了CAM植物光合特性的準(zhǔn)確測量問題，也為組培植物或 光合弱的植物提供了一種光合測量的解決方案。本方法易于產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，具有很 好的應(yīng)用前景和商業(yè)化前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明中采用的CAM植物光合測量裝置示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中CAM植物光合測量方法的實(shí)際測試場景。
[0018] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中基于CAM光合測量方法而測試的典型的CAM植物的凈光 合速率變化；其中，X軸上黑線代表暗期。
[001引 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中鐵皮石解值en化obiumofficinaleKimuraetMigo)在 人工光環(huán)境（人工氣候室）和自然光環(huán)境（溫室）下測量的凈C02交換率（凈光合速率） 在4天期間的動(dòng)態(tài)變化；其中，X軸上黑線代表暗期。

【具體實(shí)施方式】
[0020] W下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。若未特別指明，實(shí)施例 中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段，所用原料均為市售商品。
[0021] W下實(shí)施例中采用的CAM植物光合測量裝置如圖1所示。
[0022] 實(shí)施例1測量CAM植物光合速率的方法
[002引植物種類；大葉落地生根（必JftowcAoedaigremontiana)、長壽花（底2虹McAoe blossfeldiana)、虎皮蘭(Sansevieriatrifasciata)、蟹爪蘭(Schlumbergera altensteinii)，上述4種測試植物在現(xiàn)有技術(shù)中均顯示為典型的專性CAM植物。
[0024] 測量環(huán)境；人工光環(huán)境（人工氣候室）。
[00巧]測量期間；2天。
[0026] 具體測量方法包括W下步驟：
[0027] 1)連接好光合測量裝置的本體和葉室之間的管路和連接線后，在未放置任何測量 樣本的情況下進(jìn)行空葉室C〇2吸收量的調(diào)零校正；
[0028] 2)葉室的溫控模式設(shè)定為恒溫模式；
[0029] 3)調(diào)整氣路的空氣流速實(shí)現(xiàn)氣溫控制目標(biāo)后再次進(jìn)行空葉室(?吸收量的調(diào)零校 正；
[0030] 4)將測量樣本的植株放置到葉室1和葉室2,根據(jù)圖像方法測算其葉室內(nèi)所有葉 片的葉面積，并將其輸入到本體的樣本屬性，選擇好測量時(shí)間間隔等參數(shù)后開始測量；
[0031] 6)每種樣本測量結(jié)束后進(jìn)行2株植物凈光合的均值處理，標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%之內(nèi)認(rèn) 為該均值可作為該種植物的凈光合速率的定量評(píng)價(jià)；
[0032]7)更換植物樣本時(shí)須重復(fù)上述測量流程。
[0033]CAM植物光合測量方法的實(shí)際測試場景如圖2所示。
[0034] 測量結(jié)果表明：從大葉落地生根、長壽花、虎皮蘭和蟹爪蘭的凈光合速率在2天期 間的變化過程來看，該4種CAM植物在暗期均有明顯的C〇2吸收。在13:00左右，虎皮蘭、 大葉落地生根和長壽花的凈光合速率降低，達(dá)到日最低凈光合速率；但此時(shí)的蟹爪蘭卻有 一個(gè)明顯的C〇2吸收峰，其2天的凈光合速率分別為0. 6和0. 4ymol?HT2 ?S4，該與其它3 種CAM植物具有明顯的差異（圖3)。由于蟹爪蘭的氣體交換特性與虎皮蘭、大葉落地生根 和長壽花的差異，對(duì)其專性CAM植物的鑒定還有待于進(jìn)一步深入研究。因此，該CAM光合測 量方法不僅能測量CAM植物的凈光合速率，從而真實(shí)地反映CAM植物的氣體交換特性，同時(shí) 還能較好地區(qū)分不同CAM植物之間氣體交換特性的差別。
[0035] 實(shí)施例2測量兼性CAM植物光合速率的方法
[0036] 植物種類；鐵皮石解值en化obium officinale Kimura et Migo)，是一種珍惜瀬危 藥用植物，也是一種CAM植物，但現(xiàn)有文獻(xiàn)未能鑒定出是否屬于專性CAM植物或兼性CAM植 物。該植物具有極高的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。發(fā)明人經(jīng)過長達(dá)10年W上的研究表明，鐵皮 石解是一種典型的兼性CAM植物，正常生存環(huán)境下CAM光合途徑和C3光合途徑同時(shí)存在而 進(jìn)行光合作用。
[0037] 測量環(huán)境；人工光環(huán)境（人工氣候室）和自然光環(huán)境（溫室）。
[0038] 測量期間；4天。
[0039] 具體測量方法包括W下步驟：
[0040] 1)連接好光合測量裝置的本體和葉室之間的管路和連接線后，在未放置任何測量 樣本的情況下進(jìn)行空葉室C〇2吸收量的調(diào)零校正；
[0041] 2)葉室的溫控模式在人工光下設(shè)定為恒溫模式，在自然光下設(shè)定為氣溫追蹤模 式；
[0042] 3)調(diào)整氣路的空氣流速實(shí)現(xiàn)氣溫控制目標(biāo)后再次進(jìn)行空葉室(?吸收量的調(diào)零校 正；
[0043] 4)將測量樣本的植株放置到葉室1和葉室2,根據(jù)圖像方法測算其葉室內(nèi)所有葉 片的葉面積，并將其輸入到本體的樣本屬性，選擇好測量時(shí)間間隔等參數(shù)后開始測量；
[0044] 6)每種樣本測量結(jié)束后進(jìn)行2株植物凈光合的均值處理，標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%之內(nèi)認(rèn) 為該均值可作為該種植物的凈光合速率的定量評(píng)價(jià)。
[0045] 測量結(jié)果表明：鐵皮石解無論在人工光環(huán)境還是在自然光環(huán)境下的凈光合速率都 小于2. 5umol 在光期的(?交換量的變化幅度較大。因此，市場上常見的便攜式光合 測量裝置確實(shí)很難準(zhǔn)確測量其光合特性。根據(jù)圖4可知，鐵皮石解不僅在暗期或夜間也能 吸收C〇2,在明期或白天也能吸收C〇2,在上述測量環(huán)境下表現(xiàn)為C3光合途徑和CAM光合途 徑共同存在，但是在人工光可控環(huán)境下夜間吸收的(?較少，但在自然光環(huán)境下夜間吸收的 (?較多。因此，鐵皮石解可W鑒定為典型的兼性CAM植物。
[0046] 雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在 本發(fā)明基礎(chǔ)上，可W對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，該對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因 此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的該些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種測量CAM植物光合速率的方法，其特征在于，所述方法是基于大葉室的CO2連續(xù) 監(jiān)測，通過測量植物的凈CO2交換量的動(dòng)態(tài)變化，從而核算CAM植物的凈光合速率的動(dòng)態(tài)變 化，包括以下步驟： 1) 連接光合測量裝置的本體和葉室之間的管路和連接線后，在未放置任何測量樣本的 情況下進(jìn)行葉室CO2吸收量的調(diào)零校正； 2) 設(shè)定葉室的溫控模式； 3) 設(shè)定并調(diào)整氣路的空氣流速后再次進(jìn)行CO2吸收量的調(diào)零校正； 4) 將待測量的葉片或植株地上部分放置到葉室1或葉室2,根據(jù)測量樣本放置到葉室 中的位置核算其葉面積或地上鮮重； 5) 將待測樣本的葉面積或地上鮮重輸入光合測量裝置的本體的樣本屬性，設(shè)定參數(shù)后 開始測量； 6) 采用本紅外非擴(kuò)散性氣體分析器循環(huán)測量葉室內(nèi)的CO2交換量，測量周期以天為單 位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述CAM植物包括但不限于大葉落 地生根（&/觀c/iog daigremontiana)、長壽花（沿blossfeldiana)、虎皮 蘭(Sansevieria trifasciata)、蟹爪蘭(Schlumbergera altensteinii)、鐵皮石斛 (Dendrobium officinale) 〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟2)中所述溫控模式包括氣溫追 蹤模式和恒溫模式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，根據(jù)CAM植物的凈CO2交換量的動(dòng)態(tài) 變化，核算暗期CO2吸收率，用于衡量該植物的CAM光合途徑在整個(gè)日同化量積累中的貢獻(xiàn) 率，從而評(píng)價(jià)CAM植物的光合特性。
【文檔編號(hào)】G01N21/84GK104359908SQ201410599227
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】賀冬仙, 鄭國明, 高榮孚, 杜維芬 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)