植物生理学实验报告植物光合和呼吸作用、气孔导度和蒸腾速率的测定

实验报告课程名称： 植物生理学及实验 实验类型：探索、综合或验证实验项目名称：植物光合和呼吸作用、气孔导度和蒸腾速率的测定一、实验目的和要求了解氧电极法测定光合呼吸基本原理;掌握改良半叶法测定光合和呼吸基本原理;掌握红外线CO2分析仪法测定光合作用和呼吸作用，蒸腾速率和气孔导度测定的基本原理和方法,并用LI-6400测定光合、呼吸、蒸腾速率和气孔导度，测定光-光合响应曲线。实验内容和原理化学方程式：改良半叶法测干重：同面积光暗叶片重量差。使用三氯乙酸（TCA）涂抹在叶片叶柄处，阻断叶片在光合作用的时候向外输出营养物质。测定的为总光合作用量。红外线CO2分析仪法熟悉仪器基本结构，及安装调试。以玉米和烟草植物为材料，用LI-6400portablephotosynthesissystem(便携式光合测定系统)测定它们的光合作用、呼吸作用、蒸腾速率和气孔导度，测定光-光合响应曲线。红外线CO2分析仪法：CO2吸收4260nm红外线封闭式：单位时间内CO2下降量开放式：参比室和叶室CO2差值——本实验采用开放式。测量蒸腾速率和气孔导度——蒸腾速率上升，产生更多的水，相对湿度的改变被湿度感受器感知，变化被输入计算机从而输出蒸腾气孔导度。水分的扩散和二氧化碳扩散存在线性关系，胞间二氧化碳浓度可以通过，蒸腾速率、气孔导度和大气间的二氧化碳浓度计算样品室内空气的露点温度而得知其蒸气压。三、主要仪器设备1、实验仪器打孔器、垫板、烘箱等；LI-6400portablephotosynthesissystem；2、实验材料枇杷或八角金盘等叶片；三氯乙酸TCA；玉米和烟草植物（不同阴、阳类型植物或C3、C4植物）。四、操作方法与实验步骤改良半叶法：同面积光暗叶片重量差在实验前选择几片叶片，沿着叶柄涂上事先准备好的TCA；剪下半叶带回实验室（置湿润并保持黑暗环境中），使半叶留在植株上进行光合作用几小时，后摘下保存；光合作用和黑暗两组，分别用打孔器打相同数量的约30个小孔；烘干约一小时，并称量。【注意事项】所取材料在植株上的部位要一致，打取叶圆片要避开主脉和伤口，取材以及打取叶圆片的过程操作要迅速，以免失水。红外线CO2分析仪法【要求】每组测定一种植物饱和光强下光合速率,气孔导度和蒸腾速率。计算水分利用效率。每组测定一种植物光合速率-光响应曲线，当测定完成后，再取5个点作为暗呼吸。【步骤】仪器校正完毕。饱和光强下植物光合速率（Pn）测定：第一组同学按F4（NewMSMNTS）开始（以后同学F3（addremark）开始）。打开叶室夹好叶片，关紧叶室。→开灯，按2，按F5（Lampoff）,PAR<enter>,移到Target<enter>,根据植物类型选择饱和光强（200～2000）<enter>,F5<Keep>。

→光强调节：如何根据植物类型选择饱和光强。[按1，F5（Lampoff）,PAR<enter>,移到Target<enter>,XXXX（200，……2500）任一值<enter>,F5<Keep>。

→流量调节（如有必要）：按2，按F2（FLOW）设置100~500能合适控制叶室内相对湿度的值。

→命名文件：按1，F1（OpenLogfile），一个班一个文件名，如：1702－1，做附加标记：F3（addremark）如：植物，处理，组号等<enter>。按F5（Match)→[如显示漏气（leak），按EXIT,再下按F5（Match)直到不漏气],按F5(IAGRMatch)→F1(exit)→测定：观察Photo稳定时，按采样键F1（ＬＯＧ）或测定器黑钮5次（一般同一叶片应测5次值）。光合速率对光强的响应曲线（Pn-lightcurve)在完成采样（LOG）后，按５，按F1（AUTOPROG）,找Lightcurve,名命及做标记<enter>,按Y(使测量数据紧随上述数据后)。设置光强（从高到低，光强间用1空格隔开。高光强下点间隔大，低光强下点间隔小,常用2000150010006003002001005030100，光强为0时为呼吸速率）。设置测定时间间隔（s）的最小值30（60）和最大值60（120），Matchif|ΔCO2|lessthan(ppm):20，按Y（Start）开始自动测量,等待测量结束。【注意事项】严格密封，防止漏气。五、实验数据记录和处理饱和光下不同植物光合(Pn)、呼吸(R)和蒸腾速率(Tr)、气孔导度(SC)及水分利用效率(WUE)(平均值±标准误差)【重要数据意义】Photo——光合速率（μmol.m-2s-1）PnCond——气孔导度（molH2Om-2s-1）SCTrmmol——蒸腾速率（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标准误差0.093430.037970.012030.0005680.05682表2：烟草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标准误差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烟草13.58±0.024491.129±0.020824.841±0.0021910.2073±0.00012252.806±0.005030植物光强2500150010007004002001005030100玉米15.9528.3126.3522.4816.018.2514.0011.290-0.1786-2.044-2.112植物光强250020001500100060030020010050200烟草14.6814.6614.5614.0312.559.6967.6954.6292.2250.5748-0.9700六、实验结果与分析改良半叶法结果。处理黑暗处理（约1小时）树上光合作用（约1小时）质量（克）0.25640.26806CO2+6H2O6(CH2O)+6O2黑暗处理与书上处理进行对比，可以得知约一小时内，树叶进行净光合作用的增量：0.2680g–0.2564g=0.0116g=11.6mg切取叶面总和（dm2）×光照时数（h）=5882.35mg/（dm2·h）每份处理共31个小圆片，叶片总面积约1.972×10-切取叶面总和（dm2）×光照时数（h）=5882.35mg/（dm2·h）干重增加总数（mg）光合干重增加总数（mg）光合作用强度==3761.35mg/(dm2∙h)切取叶面总和（dm2）×光照时数（h））干重增加总数（mg）光合作用强度==3761.35mg/(dm=3761.35mg/(dm2∙h)切取叶面总和（dm2）×光照时数（h））干重增加总数（mg）光合作用强度==3761.35mg/(dm2∙h)切取叶面总和（dm2）×光照时数（h））干重增加总数（mg）光合作用强度==3761.35mg/(dm2∙h)切取叶面总和（dm2）×光照时数（h））干重增加总数（mg）光合作用强度=LI-6400结果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烟草13.58±0.024491.129±0.020824.841±0.0021910.2073±0.00012252.806±0.005030从图显示：在175左右之前光强下烟草的光合速率大于玉米，其他光强下玉米的光合速率都大于烟草。在无光照下玉米的呼吸速率大于烟草。并且从图中可以得出：烟草光补偿点=6.147μmolCO2m-2s-1；光饱和点=700μmolCO2m-2s-1左右；量子效率=0.0421玉米光补偿点=7.713μmolCO2m-2s-1；光饱和点=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与转化1mol产物所需要光量子的能量的百分比。从图中的光合饱和点和光合补充点得出：玉米是C4植物，而烟草是C3植物；由于C4植物的PEP羧激酶活性比C3强，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快许多，尤其是在二氧化碳浓度低时，C4能更有效地应用二氧化碳。玉米适于在充足的光强下种植，而烟草增强光强却不增长光合速率，可以在适宜的光强下种植，两种都是阳生植物，但是所需最大光强不同。分析光对蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率的影响及它们间的相互关系：1) 光是影响蒸腾作用的主要外界条件，可以提高大气的温度和叶温，大气温度的升高增强水分蒸发速率，叶面温度大于大气温度，使叶外的蒸汽压差增大，蒸腾速率更快。此外，光照促进气孔的开放，减少内部阻力，从而增强蒸腾作用。2) 光照是调节气孔运动的主要信号。保卫细胞叶绿体在光下形成的蔗糖，累积在液泡中，渗透势降低，于是吸收水膨胀，气孔张开。光也可促进保卫细胞内苹果酸的形成和K+、Cl-的积累。一般情况下,光可促进水势降低，气孔张开。原理：红光是通过间接效应，而蓝光也会刺激气孔张开。蓝光可使保卫细胞膜上的质子泵ATP酶活化，质子泵排出质子到膜外，使得质膜内侧的电势更负，于是通过各种途径吸收各种离子和积累有机质于液泡，气孔就张开。3) 水分利用效率是光合速率与蒸腾速率的比值，所以水分利用率随着光合速率的升高而升高，随蒸腾速率的升高而降低，在一定的光强范围内，光合速率随着光强的增加而增加，但蒸腾速率也在增加，但总体是水分利用效率增加。当到达光合饱和点时，随着光强的再上升，光合速率不变，但是蒸腾却将达到最大，直到植物缺少水分而关闭气孔。 以玉米为例，在水分胁迫条件下，气孔导度与光合速率呈平行下降的趋势，但在生长良好的大田条件下，光合速率与气孔导度、蒸腾速率间并不存在显著的正相关关系[[1]董树亭,胡昌浩,周关印.玉米叶片气孔导度、蒸腾和光合特性研究[J].玉米科学,1993(02):41-44.]。[1]董树亭,胡昌浩,周关印.玉米叶片气孔导度、蒸腾和光合特性研究[J].玉米科学,1993(02):41-44. 如图所示为5种荒漠植物气孔导度、蒸腾速率及水分效率在不同CO2下随光强的变化[[2]蒋高明,林光辉,BrunoDVMarino.美国生物圈二号内生长在高CO_2浓度下的10种植物气孔导度、蒸腾速率及水分利用效率的变化[J].ActaBotanicaSinica,1997(06):546-553.[2]蒋高明,林光辉,BrunoDVMarino.美国生物圈二号内生长在高CO_2浓度下的10种植物气孔导度、蒸腾速率及水分利用效率的变化[J].ActaBotanicaSinica,1997(06):546-553. 高CO2浓度使所有荒漠植物蒸腾速率和气孔导度降低，而水分利用效率提高，且实验中所用的5种植物蒸腾速率及部分植物的气孔导度随光照强度增加变化不明显。 另外，在低CO2浓度时，植物的气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率受光强的影响大于高CO2浓度；大部分玉林植物气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率在光强500μmol·m-2·s-1时达到饱和，而荒漠植物则在1000μmol·m-2·s-1左右时达到饱和。 附：美国生物圈二号内几种植物气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率与CO2之间的线性关系表。比较分析改良半叶法和LI-6400两种方法的优缺点。【半叶法】优点：不需复杂的仪器设备，简便易行。一般科研单位均可应用。测定结果可反映叶片在自然条件下进行光合作用的情况，接近田间实际情况。缺点：①破坏被测材料．不能连续测量；②测定时间长，环境条件不易控制，不同时间的测定数据由于环境条件的不同而没有严格的可比性；③不能测出短时间光台速率的变化：④测定效率低、误差较大，不宣在研究工作中大量使用。【LI-6400】优点:①原理可靠，测量较准确：②灵敏度高，可测1．0mg／kg、0．Smg／kg的C02；③反应速度快、响应时间短，可快速跟随c02浓度的变化测出C02瞬时变化；④不破坏植株材料；⑤易实现自动化、智能化．缺点：红外气体分析器的精密度和准确度仍是一个严重的问题；量程的标定中周围温度变化会对摩尔浓度造成影响。在使用光合作用测定系统在农业应用中进行光合速率对比观测时存在着一系统的观测误差，导致误差的因素可能来源于气源的稳定性、样本地段的选择、样株选择、叶片选择等所谓的取样误差：也可能来源于对仪器使用不当而出现的操作误差；还可能来源于观测时间不同或观测持续时间过长而出现的观测时间误差。七、讨论、心得红外线CO2分析仪法：在开放式系统中，气体流量是影响光合速率的重要因素，必须精确控制。流量的调节依据是测定过程中的CO2浓度差，CO2浓度差以控制在5～25ppm的浓度范围内较好。气体流量须根据被测叶片面积的大小及叶片的光合速率高低适当调节。叶片面积大、光合作用强的，流速应适当大些，反之则应小些。开放式气路的优点：可对光合速率作长时间动态监测，例如，固定一片叶片，可以进行此叶片光