林木生物固碳研究：利用叶绿素荧光成像技术培育优良树种

在实现碳中和目标的过程中，生物固碳是必不可少的技术路线。在海洋中，重要的生物碳汇是藻类。而在陆地上，森林无疑是重要的生物碳汇。因此，植树造林对于碳中和目标实现的重要性是不言而喻的。

这就要求科学家与林木育种专家合作培育或筛选更优良的造林树种。植物固碳都是通过光合作用完成的，那么更高的光合能力也就意味着更高的固碳量。另一方面，由于温室效应、环境污染等因素，林木也面临越来越严重的环境胁迫问题。造林选用的树种也必须考虑其抗逆能力。

FluorCam叶绿素荧光成像技术既能直接反映植物光合能力状况与光合电子传递机理，也能非常灵敏地识别环境胁迫对光合系统的损伤程度，定量测量植物的胁迫抗性，在拟南芥等模式植物与农田作物中已经有了大量的研究成果。FluorCam叶绿素荧光成像技术与光合仪等技术结合，同样协助科学家开展培育筛选优良树种的研究。本文介绍其中部分研究成果，希望对相关的科研工作者有所裨益。

不同型号的FluorCam叶绿素荧光成像系统与拟南芥、小麦、甘薯叶绿素荧光成像图

1. 北方与南方银桦的光合能力与根质量分数差异

东芬兰大学将北方（北纬67°）与南方（北纬61°）银桦（Betula pendula Roth）在同样的生长条件下进行培养。结果表明北方银桦具备更高的净光合速率（净CO₂同化速率）Anet和更高的气孔导度gs。FluorCam叶绿素荧光成像结果则表明，北方银桦具备更高的光系统IIZD量子产额（ZD光化学效率）Fv/Fm。同时，北方银桦也具有更高的根质量分数。北方银桦的生长策略：更高效的光合能力与更多投资地下生长，使其更能适应北极土壤，有益于其在自然与人工扩散过程中适应新气候。这一研究成果发表于2021年《Tree Physiology》。

净光合速率温度响应曲线、气孔导度温度响应曲线与净光合速率光响应曲线，紫线为北方银桦，黄线为南方银桦

ZD光化学效率Fv/Fm、小荧光Fo、ZD荧光Fm与可变荧光Fv，紫色为北方银桦，黄色为南方银桦

2. 杨柳的臭氧抗性与抗臭氧剂的作用

臭氧（O₃）是目前广泛存在的一种污染气体，对植物生长有严重的影响。在城市中臭氧污染更为严重。杨柳类林木作为城市绿化的主力树种之一，亟需评估其臭氧耐受抗性并探索相应的保护措施。

南京信息工程大学、日本北海道大学等合作使用杨柳（龙江柳，Salix sachalinensis F. Schmid），在日本札幌开展了为期2年的环境O₃与高浓度O₃对比实验，同时施加抗臭氧剂Ethylenediurea（EDU）以考察其对杨柳的保护作用。实验结果表明，O₃和EDU对ZD光化学效率Fv/Fm等叶片生理指标都没有造成显著影响，这既表明了杨柳本身对O₃具有良好的耐受性，也证明EDU的生态友好性。而光合数据表明，EDU提高了杨柳在高浓度O₃下的ZD固碳速率Amax、气孔导度gs等，株高、生物量等有所提高。这一研究结果预示EDU可能在城市绿化固碳中有良好的应用前景。

左：高浓度O3损伤的杨柳叶片；右：不同处理杨柳叶片的ZD光化学效率Fv/Fm

不同处理杨柳叶片的ZD固碳速率Amax与气孔导度gs

3. 利用基因技术培育高盐碱抗性杨树品种

东北林业大学从筐柳（Salix linearistipularis）中克隆了WRKY基因（SlWRKY28）并转移到山新杨（Populus davidiana × P. bolleana）中。通过筐柳转录组测序分析表明，在盐碱胁迫下，这一基因会有显著的向上调控表达。如何证明这一基因转移到山新杨后，也使山新杨获得了良好的盐碱抗性呢？FluorCam叶绿素荧光成像测量结果表明，NaHCO₃胁迫处理下，SlWRKY28基因过表达的植株其ZD光化学效率Fv/Fm显著高于非转基因植株，直观地证明了SlWRKY28基因过表达减轻了盐碱胁迫对光系统的损伤，提高了抗性。

SlWRKY28基因过表达与非转基因植株的光合能力对比

4. 不同树种的高温抗性快速评估

温室效应造成了升温，树木面临更加严峻的高温干旱胁迫。因此在绿化固碳工程中，林木品种的耐高温能力是不得不考虑的重要因素。印度ICARZY农林研究所研究了印度楝（Azadirachta indica）和小叶榄仁（Terminalia mantaly）高温耐受性的生理机制。他们一方面通过红外热成像技术直接检测其冠层温度动态变化，对比FluorCam叶绿素荧光成像技术获得的数据和成像图，快速获得温度变化与光合生理的响应过程，并直观地比较了两种树种的高温抗性差异。结果表明，印度楝的高温抗性要远高于小叶榄仁。

左：印度楝和小叶榄仁的红外热成像图；右：ZD光化学效率Fv/Fm动态曲线及对应荧光成像图

参考文献：

1. Tenkanen A, et al. 2021. Strategy by latitude? Higher photosynthetic capacity and root mass fraction in northern than southern silver birch (Betula pendula Roth) in uniform growing conditions. Tree Physiology, 41(6): 974–991

2. Agathokleous E, et al. 2022. Ethylenediurea (EDU) spray efects on willows (Salix sachalinensis F. Schmid) grown in ambient or ozone‑enriched air: implications for renewable biomass production. J. For. Res. 33:397–422

3. Wang X, et al. 2020. Overexpression of transcription factor SlWRKY28 improved the tolerance of Populus davidiana × P. bolleana to alkaline salt stress. BMC Genetics, 21:103

4. Taria S, et al. 2020. Combining IR imaging, chlorophyll fluorescence and phenomic approach for assessing diurnal canopy temperature dynamics and desiccation stress management in Azadirachta indica and Terminalia mantaly. Agroforestry Systems, 94(3):941-951

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