植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告植物光合和呼吸作用、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 植物生理學(xué)及實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)類型：探索、綜合或驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：植物光合和呼吸作用、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵罅私庋蹼姌O法測(cè)定光合呼吸基本原理;掌握改良半葉法測(cè)定光合和呼吸基本原理;掌握紅外線CO2分析儀法測(cè)定光合作用和呼吸作用，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度測(cè)定的基本原理和方法,并用LI-6400測(cè)定光合、呼吸、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，測(cè)定光-光合響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理化學(xué)方程式：改良半葉法測(cè)干重：同面積光暗葉片重量差。使用三氯乙酸（TCA）涂抹在葉片葉柄處，阻斷葉片在光合作用的時(shí)候向外輸出營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。測(cè)定的為總光合作用量。紅外線CO2分析儀法熟悉儀器基本結(jié)構(gòu)，及安裝調(diào)試。以玉米和煙草植物為材料，用LI-6400portablephotosynthesissystem(便攜式光合測(cè)定系統(tǒng))測(cè)定它們的光合作用、呼吸作用、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，測(cè)定光-光合響應(yīng)曲線。紅外線CO2分析儀法：CO2吸收4260nm紅外線封閉式：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)CO2下降量開放式：參比室和葉室CO2差值——本實(shí)驗(yàn)采用開放式。測(cè)量蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度——蒸騰速率上升，產(chǎn)生更多的水，相對(duì)濕度的改變被濕度感受器感知，變化被輸入計(jì)算機(jī)從而輸出蒸騰氣孔導(dǎo)度。水分的擴(kuò)散和二氧化碳擴(kuò)散存在線性關(guān)系，胞間二氧化碳濃度可以通過(guò)，蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和大氣間的二氧化碳濃度計(jì)算樣品室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度而得知其蒸氣壓。三、主要儀器設(shè)備1、實(shí)驗(yàn)儀器打孔器、墊板、烘箱等；LI-6400portablephotosynthesissystem；2、實(shí)驗(yàn)材料枇杷或八角金盤等葉片；三氯乙酸TCA；玉米和煙草植物（不同陰、陽(yáng)類型植物或C3、C4植物）。四、操作方法與實(shí)驗(yàn)步驟改良半葉法：同面積光暗葉片重量差在實(shí)驗(yàn)前選擇幾片葉片，沿著葉柄涂上事先準(zhǔn)備好的TCA；剪下半葉帶回實(shí)驗(yàn)室（置濕潤(rùn)并保持黑暗環(huán)境中），使半葉留在植株上進(jìn)行光合作用幾小時(shí)，后摘下保存；光合作用和黑暗兩組，分別用打孔器打相同數(shù)量的約30個(gè)小孔；烘干約一小時(shí)，并稱量?！咀⒁馐马?xiàng)】所取材料在植株上的部位要一致，打取葉圓片要避開主脈和傷口，取材以及打取葉圓片的過(guò)程操作要迅速，以免失水。紅外線CO2分析儀法【要求】每組測(cè)定一種植物飽和光強(qiáng)下光合速率,氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。計(jì)算水分利用效率。每組測(cè)定一種植物光合速率-光響應(yīng)曲線，當(dāng)測(cè)定完成后，再取5個(gè)點(diǎn)作為暗呼吸。【步驟】?jī)x器校正完畢。飽和光強(qiáng)下植物光合速率（Pn）測(cè)定：第一組同學(xué)按F4（NewMSMNTS）開始（以后同學(xué)F3（addremark）開始）。打開葉室夾好葉片，關(guān)緊葉室?！_燈，按2，按F5（Lampoff）,PAR<enter>,移到Target<enter>,根據(jù)植物類型選擇飽和光強(qiáng)（200～2000）<enter>,F5<Keep>。

→光強(qiáng)調(diào)節(jié)：如何根據(jù)植物類型選擇飽和光強(qiáng)。[按1，F(xiàn)5（Lampoff）,PAR<enter>,移到Target<enter>,XXXX（200，……2500）任一值<enter>,F5<Keep>。

→流量調(diào)節(jié)（如有必要）：按2，按F2（FLOW）設(shè)置100~500能合適控制葉室內(nèi)相對(duì)濕度的值。

→命名文件：按1，F(xiàn)1（OpenLogfile），一個(gè)班一個(gè)文件名，如：1702－1，做附加標(biāo)記：F3（addremark）如：植物，處理，組號(hào)等<enter>。按F5（Match)→[如顯示漏氣（leak），按EXIT,再下按F5（Match)直到不漏氣],按F5(IAGRMatch)→F1(exit)→測(cè)定：觀察Photo穩(wěn)定時(shí)，按采樣鍵F1（ＬＯＧ）或測(cè)定器黑鈕5次（一般同一葉片應(yīng)測(cè)5次值）。光合速率對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線（Pn-lightcurve)在完成采樣（LOG）后，按５，按F1（AUTOPROG）,找Lightcurve,名命及做標(biāo)記<enter>,按Y(使測(cè)量數(shù)據(jù)緊隨上述數(shù)據(jù)后)。設(shè)置光強(qiáng)（從高到低，光強(qiáng)間用1空格隔開。高光強(qiáng)下點(diǎn)間隔大，低光強(qiáng)下點(diǎn)間隔小,常用2000150010006003002001005030100，光強(qiáng)為0時(shí)為呼吸速率）。設(shè)置測(cè)定時(shí)間間隔（s）的最小值30（60）和最大值60（120），Matchif|ΔCO2|lessthan(ppm):20，按Y（Start）開始自動(dòng)測(cè)量,等待測(cè)量結(jié)束?！咀⒁馐马?xiàng)】嚴(yán)格密封，防止漏氣。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理飽和光下不同植物光合(Pn)、呼吸(R)和蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(SC)及水分利用效率(WUE)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)【重要數(shù)據(jù)意義】Photo——光合速率（μmol.m-2s-1）PnCond——?dú)饪讓?dǎo)度（molH2Om-2s-1）SCTrmmol——蒸騰速率（mmol.m-2s-1）Tr表1：玉米Pn(μmol.m-2s-1)R(μmol.m-2s-1)Tr(mmol.m-2s-1)SC(molH2Om-2s-1)WUE17.922.1732.1010.081808.53017.902.1742.1000.081748.52317.952.2132.1000.081738.54718.022.2092.1170.082588.51218.132.2062.1260.082958.526平均值17.982.2072.1090.082168.528標(biāo)準(zhǔn)誤差0.093430.037970.012030.0005680.05682表2：煙草Pn(μmol.m-2s-1)R(μmol.m-2s-1)Tr(mmol.m-2s-1)SC(molH2Om-2s-1)WUE13.591.1164.8440.20732.80613.591.1054.8410.20732.80713.611.1244.8380.20712.81313.561.1554.8400.20742.80213.551.1464.8400.20742.800平均值13.581.1294.8410.20732.806標(biāo)準(zhǔn)誤差0.024490.020820.0021910.00012250.005030表3：PlantsPn(μmol.m-2s-1)R(μmol.m-2s-1)Tr(mmol.m-2s-1)SC(molH2Om-2s-1)WUE玉米17.98±0.09432.207±0.037972.109±0.012030.08216±0.0005688.528±0.05682煙草13.58±0.024491.129±0.020824.841±0.0021910.2073±0.00012252.806±0.005030植物光強(qiáng)2500150010007004002001005030100玉米15.9528.3126.3522.4816.018.2514.0011.290-0.1786-2.044-2.112植物光強(qiáng)250020001500100060030020010050200煙草14.6814.6614.5614.0312.559.6967.6954.6292.2250.5748-0.9700六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析改良半葉法結(jié)果。處理黑暗處理（約1小時(shí)）樹上光合作用（約1小時(shí)）質(zhì)量（克）0.25640.26806CO2+6H2O6(CH2O)+6O2黑暗處理與書上處理進(jìn)行對(duì)比，可以得知約一小時(shí)內(nèi)，樹葉進(jìn)行凈光合作用的增量：0.2680g–0.2564g=0.0116g=11.6mg切取葉面總和（dm2）×光照時(shí)數(shù)（h）=5882.35mg/（dm2·h）每份處理共31個(gè)小圓片，葉片總面積約1.972×10-切取葉面總和（dm2）×光照時(shí)數(shù)（h）=5882.35mg/（dm2·h）干重增加總數(shù)（mg）光合干重增加總數(shù)（mg）光合作用強(qiáng)度==3761.35mg/(dm2?h)切取葉面總和（dm2）×光照時(shí)數(shù)（h））干重增加總數(shù)（mg）光合作用強(qiáng)度==3761.35mg/(dm=3761.35mg/(dm2?h)切取葉面總和（dm2）×光照時(shí)數(shù)（h））干重增加總數(shù)（mg）光合作用強(qiáng)度==3761.35mg/(dm2?h)切取葉面總和（dm2）×光照時(shí)數(shù)（h））干重增加總數(shù)（mg）光合作用強(qiáng)度==3761.35mg/(dm2?h)切取葉面總和（dm2）×光照時(shí)數(shù)（h））干重增加總數(shù)（mg）光合作用強(qiáng)度=LI-6400結(jié)果PlantsPn(μmol.m-2s-1)R(μmol.m-2s-1)Tr(mmol.m-2s-1)SC(molH2Om-2s-1)WUE玉米17.98±0.09432.207±0.037972.109±0.012030.08216±0.0005688.528±0.05682煙草13.58±0.024491.129±0.020824.841±0.0021910.2073±0.00012252.806±0.005030從圖顯示：在175左右之前光強(qiáng)下煙草的光合速率大于玉米，其他光強(qiáng)下玉米的光合速率都大于煙草。在無(wú)光照下玉米的呼吸速率大于煙草。并且從圖中可以得出：煙草光補(bǔ)償點(diǎn)=6.147μmolCO2m-2s-1；光飽和點(diǎn)=700μmolCO2m-2s-1左右；量子效率=0.0421玉米光補(bǔ)償點(diǎn)=7.713μmolCO2m-2s-1；光飽和點(diǎn)=2000以上μmolCO2m-2s-1；量子效率=0.2572【量子效率】植物同化1mol二氧化碳所固定的能量與轉(zhuǎn)化1mol產(chǎn)物所需要光量子的能量的百分比。從圖中的光合飽和點(diǎn)和光合補(bǔ)充點(diǎn)得出：玉米是C4植物，而煙草是C3植物；由于C4植物的PEP羧激酶活性比C3強(qiáng)，C4植物能更好的利用二氧化碳，因此，C4植物的光合速率比C3快許多，尤其是在二氧化碳濃度低時(shí)，C4能更有效地應(yīng)用二氧化碳。玉米適于在充足的光強(qiáng)下種植，而煙草增強(qiáng)光強(qiáng)卻不增長(zhǎng)光合速率，可以在適宜的光強(qiáng)下種植，兩種都是陽(yáng)生植物，但是所需最大光強(qiáng)不同。分析光對(duì)蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率的影響及它們間的相互關(guān)系：1) 光是影響蒸騰作用的主要外界條件，可以提高大氣的溫度和葉溫，大氣溫度的升高增強(qiáng)水分蒸發(fā)速率，葉面溫度大于大氣溫度，使葉外的蒸汽壓差增大，蒸騰速率更快。此外，光照促進(jìn)氣孔的開放，減少內(nèi)部阻力，從而增強(qiáng)蒸騰作用。2) 光照是調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)的主要信號(hào)。保衛(wèi)細(xì)胞葉綠體在光下形成的蔗糖，累積在液泡中，滲透勢(shì)降低，于是吸收水膨脹，氣孔張開。光也可促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)蘋果酸的形成和K+、Cl-的積累。一般情況下,光可促進(jìn)水勢(shì)降低，氣孔張開。原理：紅光是通過(guò)間接效應(yīng)，而藍(lán)光也會(huì)刺激氣孔張開。藍(lán)光可使保衛(wèi)細(xì)胞膜上的質(zhì)子泵ATP酶活化，質(zhì)子泵排出質(zhì)子到膜外，使得質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的電勢(shì)更負(fù)，于是通過(guò)各種途徑吸收各種離子和積累有機(jī)質(zhì)于液泡，氣孔就張開。3) 水分利用效率是光合速率與蒸騰速率的比值，所以水分利用率隨著光合速率的升高而升高，隨蒸騰速率的升高而降低，在一定的光強(qiáng)范圍內(nèi)，光合速率隨著光強(qiáng)的增加而增加，但蒸騰速率也在增加，但總體是水分利用效率增加。當(dāng)?shù)竭_(dá)光合飽和點(diǎn)時(shí)，隨著光強(qiáng)的再上升，光合速率不變，但是蒸騰卻將達(dá)到最大，直到植物缺少水分而關(guān)閉氣孔。 以玉米為例，在水分脅迫條件下，氣孔導(dǎo)度與光合速率呈平行下降的趨勢(shì)，但在生長(zhǎng)良好的大田條件下，光合速率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率間并不存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[[1]董樹亭,胡昌浩,周關(guān)印.玉米葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰和光合特性研究[J].玉米科學(xué),1993(02):41-44.]。[1]董樹亭,胡昌浩,周關(guān)印.玉米葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰和光合特性研究[J].玉米科學(xué),1993(02):41-44. 如圖所示為5種荒漠植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及水分效率在不同CO2下隨光強(qiáng)的變化[[2]蔣高明,林光輝,BrunoDVMarino.美國(guó)生物圈二號(hào)內(nèi)生長(zhǎng)在高CO_2濃度下的10種植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及水分利用效率的變化[J].ActaBotanicaSinica,1997(06):546-553.[2]蔣高明,林光輝,BrunoDVMarino.美國(guó)生物圈二號(hào)內(nèi)生長(zhǎng)在高CO_2濃度下的10種植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及水分利用效率的變化[J].ActaBotanicaSinica,1997(06):546-553. 高CO2濃度使所有荒漠植物蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度降低，而水分利用效率提高，且實(shí)驗(yàn)中所用的5種植物蒸騰速率及部分植物的氣孔導(dǎo)度隨光照強(qiáng)度增加變化不明顯。 另外，在低CO2濃度時(shí)，植物的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和水分利用效率受光強(qiáng)的影響大于高CO2濃度；大部分玉林植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和水分利用效率在光強(qiáng)500μmol·m-2·s-1時(shí)達(dá)到飽和，而荒漠植物則在1000μmol·m-2·s-1左右時(shí)達(dá)到飽和。 附：美國(guó)生物圈二號(hào)內(nèi)幾種植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用效率與CO2之間的線性關(guān)系表。比較分析改良半葉法和LI-6400兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)?！景肴~法】?jī)?yōu)點(diǎn)：不需復(fù)雜的儀器設(shè)備，簡(jiǎn)便易行。一般科研單位均可應(yīng)用。測(cè)定結(jié)果可反映葉片在自然條件下進(jìn)行光合作用的情況，接近田間實(shí)際情況。缺點(diǎn)：①破壞被測(cè)材料．不能連續(xù)測(cè)量；②測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)境條件不易控制，不同時(shí)間的測(cè)定數(shù)據(jù)由于環(huán)境條件的不同而沒(méi)有嚴(yán)格的可比性；③不能測(cè)出短時(shí)間光臺(tái)速率的變化：④測(cè)定效率低、誤差較大，不宣在研究工作中大量使用?！綥I-6400】?jī)?yōu)點(diǎn):①原理可靠，測(cè)量較準(zhǔn)確：②靈敏度高，可測(cè)1．0mg／kg、0．Smg／kg的C02；③反應(yīng)速度快、響應(yīng)時(shí)間短，可快速跟隨c02濃度的變化測(cè)出C02瞬時(shí)變化；④不破壞植株材料；⑤易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化．缺點(diǎn)：紅外氣體分析器的精密度和準(zhǔn)確度仍是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題；量程的標(biāo)定中周圍溫度變化會(huì)對(duì)摩爾濃度造成影響。在使用光合作用測(cè)定系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中進(jìn)行光合速率對(duì)比觀測(cè)時(shí)存在著一系統(tǒng)的觀測(cè)誤差，導(dǎo)致誤差的因素可能來(lái)源于氣源的穩(wěn)定性、樣本地段的選擇、樣株選擇、葉片選擇等所謂的取樣誤差：也可能來(lái)源于對(duì)儀器使用不當(dāng)而出現(xiàn)的操作誤差；還可能來(lái)源于觀測(cè)時(shí)間不同或觀測(cè)持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而出現(xiàn)的觀測(cè)時(shí)間誤差。七、討論、心得紅外線CO2分析儀法：在開放式系統(tǒng)中，氣體流量是影響光合速率的重要因素，必須精確控制。流量的調(diào)節(jié)依據(jù)是測(cè)定過(guò)程中的CO2濃度差，CO2濃度差以控制在5～25ppm的濃度范圍內(nèi)較好。氣體流量須根據(jù)被測(cè)葉片面積的大小及葉片的光合速率高低適當(dāng)調(diào)節(jié)。葉片面積大、光合作用強(qiáng)的，流速應(yīng)適當(dāng)大些，反之則應(yīng)小些。開放式氣路的優(yōu)點(diǎn)：可對(duì)光合速率作長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，例如，固定一片葉片，可以進(jìn)行此葉片光