2023年發(fā)表在Plant Physiology上的一篇名為‘Impact of pod and seed photosynthesis on seed filling and canopy carbon gain in soybean’的文章引起了人們對豆莢等非葉綠色組織光合作用對大豆增產及提高種子飽滿度的關注。
由于之前大多數(shù)光合作用研究主要集中在葉片光合作用上，人們對于除葉片之外的其它綠色組織（非葉綠色組織）的碳同化能力及其如何影響產量和種子質量了解有限。本研究主要探究了田間大豆豆莢和種子的光合效率，并評估了光合作用對成熟種子重量和組分構成的影響，為田間大豆豆莢和種子光合效率對產量的影響提供了參考。
本研究通過對田間大豆的豆莢和種子進行遮光處理，比較遮光前后大豆和豆莢種子的重量、組分、總光合速率、PSII效率等指標，并提出：大豆豆莢和種子的光合作用占成熟種子重量的13%~14%，且豆莢的碳同化和種子的光合作用可以彌補同組織呼吸產生的81%的碳損失。另外，通過研究者構造的冠層光合模型預測，大豆豆莢和種子可以達到植物每日碳增匯總量的9%。通過葉綠素熒光成像測定，未成熟的大豆種子光反應PSII效率的峰值出現(xiàn)在10-100mg的種子重量階段，而豆莢PSII的效率峰值則出現(xiàn)在75到100mg的種子重量階段。

主要結果：
1、本研究選取了Clark（圖1A、B）和 William82（圖2A、B）兩個品種，用葉綠素熒光成像儀測定了PSII效率 Fq/Fm，發(fā)現(xiàn)豆莢的遮光處理降低了果實重量且PSII的熒光效率也顯著降低。此外，研究者發(fā)現(xiàn)，遮光處理對不同品種的大豆種子組分含量的影響存在差別，但未遮光處理的豆莢的種子重量都顯著高于進行遮光處理的種子重量（圖1C、圖2C）。

圖1 田間條件下進行遮光和未遮光處理的Clark品種的豆莢種子的種子組分。（a）田間大豆的圖片（“Clark”）。（b）當莢長度小于2 cm時，用于覆蓋莢的鋁箔表示。（c）種子重量，g/100粒種子。（d）種子的油脂百分比含量。（e）種子的蛋白質百分比含量。

圖2 田間條件下進行遮光和未遮光處理William82品種豆莢種子的種子組分。（a）田間大豆的圖片（“William82”）。（b）當莢長度小于2 cm時，用于覆蓋莢的鋁箔表示。（c）種子重量，g/100粒種子。（d）種子油脂百分比含量。（e）種子的蛋白質百分比含量。
 

2、研究表明未進行遮光處理的豆莢的凈光合和總光合值顯著高于遮光處理的；通過建模估計，正常光照的豆莢的最大量子效率（ΦCO2）比遮光處理的豆莢高10倍。當考慮在冠層群體中時，研究者進一步發(fā)現(xiàn)未進行遮光處理的豆莢的總光合速率始終要高于那些被遮光處理的豆莢。對于植物來說，豆莢的呼吸是一種碳損失，但是能進行正常光合作用的豆莢能彌補81%呼吸帶來的碳損失。

圖3， 2021年9月7日至16日，在美國UIUC能源農場實驗基地測量得到的“William82”的豆莢光合參數(shù)。

3、研究者模擬了冠層群體中葉片和豆莢所處的面積指數(shù)和冠層分布情況（圖4A），進一步對葉片和豆莢的總光合效率測定表明豆莢的光合對冠層CO2總同化的貢獻約為9.6%。

圖4 大豆光合作用的冠層模型。（a）冠層中每層的葉面積指數(shù)。1是最頂層，8是最底層。（b）預測模型中葉片和莢果的總呼吸量。
4、研究者用“William 82”這一品種的大豆，將其從未成熟開始分為7個階段，并分別測定這7個階段豆莢內種子的PSII效率、葉綠素濃度及葉綠素A/葉綠素B的發(fā)展趨勢（圖5D、E、F），得出在田間條件下，種子和豆莢的光合作用效率在100 mg發(fā)育階段達到峰值。

圖5 田間條件下，種子光合過程中發(fā)育的7個階段：5~10毫克、10~25毫克、25~50毫克、50~75毫克、75~100毫克、100~200毫克、200~300毫克。（a）圖中的大豆為2021年在伊利諾斯州田中的大豆William82。（b）采集的大豆種子的鮮重范圍圖片如圖右側所示。5到10毫克的種子在第一排，下面的種子依次較大。（c）b中同一盤種子的葉綠素熒光成像圖。（d）Fq‘/Fm’的平均值，誤差條表示SE（n = 41到48）。（e）總葉綠素水平的平均值，誤差條表示SE（n=4~10）。（f）葉綠素a/b比值的平均值，誤差條表示SE（n=4~10）
 

5、研究者還去除了豆莢中的種子，單獨測定了豆莢的PSII光合速率、葉綠素濃度及葉綠素A/葉綠素B的發(fā)展趨勢（圖6D、E、F）。發(fā)現(xiàn)種子和豆莢的光合速率測定結果都表明，在100mg的發(fā)展階段時，光合速率達到頂峰。

圖6 田間條件下豆莢在7個發(fā)育階段的光合活性。品種是“William82“。（a）2021年伊利諾斯州油田的大豆植株圖片。（b）收集的大豆豆莢圖片。豆莢內種子的新鮮重量范圍如圖左右標注所示。（c）b中同一盤豆莢的葉綠素成像圖。（d）Fq‘/Fm’的平均值，誤差條表示SE（n = 32~42）。（e）總葉綠素水平的平均值，誤差條表示SE（n=6~12）。（f）葉綠素a/b比值的平均值，誤差條代表SE（n=6~12）。
 

6、通過RNA-seq對光合作用相關的基因的表達情況進行分析發(fā)現(xiàn)，與光合暗反應中Rubisco酶相關的基因（圖7A、B）、光捕獲相關基因（圖7C、D）、葉綠素合成相關基因（圖7E、F）以及卡爾文循環(huán)的相關基因（圖7G、H）在大豆種子發(fā)育初期就達到了最大表達，而值得關注的是，大部分與光合相關的基因的表達都比之前測定的種子光合速率達到最大值的時期要更前。研究者認為這種現(xiàn)象解釋了在10-25mg階段葉綠素水平下降的原因（圖5E）：葉綠素合成相關基因在發(fā)育早期高表達，然后在5~6mg時期表達下降，而葉綠素降解相關基因則在發(fā)育后期逐漸活躍。這些數(shù)據(jù)都表明，在種子發(fā)育過程中，光合作用效率和葉綠素水平與基因表達密切相關。

圖7 種子發(fā)育過程中光合作用相關基因的表達

總結與展望：
本研究與前人對大麥穗、小麥穗等光合情況的研究結果基本一致，尤其表現(xiàn)在非葉組織的碳同化功能會因物種、品種、環(huán)境的差異而不同。雖然大豆的豆莢和種子是異養(yǎng)器官，但其光合還是對種子增重有9%的貢獻。且冠層下的豆莢可能在冠層發(fā)育密集（高葉面積指數(shù)）之前或之后獲得更多的光，而文章采用的是冠層密集時期的模型，因此可能會低估豆莢和種子光合對冠層光合的貢獻。
研究者也指出，盡管豆莢種子內部的有效光水平低，但大豆種子的光合活性卻驚人地高，這也許是因為種子中葉綠體活性很高，且這些葉綠體具有與葉片葉綠體相似的葉綠素-蛋白復合物，同時有著較高比例的顆粒堆積。