《Frontiers in Plant Science》：Real-time chlorophyll fluorescence monitoring reveals dynamic acclimation of lettuce to temperature and light stress in controlled environments
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本文通过高时间分辨率的叶绿素荧光（CF）实时监测系统，探讨了温度和光强交互作用对生菜光合系统的影响。研究发现，高光与低温的复合胁迫最初会抑制光合系统II（PSII）效率，但植物能通过降低非调节性能量耗散的量子产额（ΦNO）逐步适应。相比之下，高温下气孔导度增加促进了CO2同化，但PSII最大效率（Fv/Fm）持续受抑，表明光抑制的持续存在。研究强调了瞬时CF参数与最终生物量积累的脱钩，但累积电子传递速率（ETR）是预测生长的有效指标。该高分辨率监测方法为可控环境农业（CEA）的实时环境调控与胁迫生理研究提供了新见解。
在可控环境农业（CEA）中，维持最优光合性能面临挑战，不适宜的光照和温度会诱导生理胁迫并增加对补光、遮阴及暖通空调等环境调控系统的能源依赖。因此，优化光合效率对于最大化作物产量和提升CEA的能源利用效率至关重要。本研究旨在展示高频叶绿素荧光（CF）监测系统在评估植物对温度与光胁迫的生理响应及其动态适应过程中的应用价值。
实时光化学活动监测
研究采用了一套实时CF监测系统，在7天处理期内，每30分钟（光期）或每小时（暗期）自动收集高时间分辨率的光化学活动数据。这套系统能够连续监测不同温光条件下的CF变化，捕捉日内和日际动态。操作PSII效率（ΦPSII）在白天逐渐增加，尤其在32°C低光以及所有温度下的高光（500 μmol·m-2·s-1PPFD）条件下，这表明存在针对热和光胁迫的短期光化学调节。这些日变化与量子产额的非光化学淬灭（ΦNPQ）和非调节性能量耗散（ΦNO）的降低有关，反映了能量分配从非光化学过程向光化学过程的转移。
光合效率与能量耗散
总体而言，ΦPSII在500 μmol·m-2·s-1下低于150 μmol·m-2·s-1。在150 μmol·m-2·s-1下，ΦPSII在32°C时最低，而在500 μmol·m-2·s-1下，则在18°C时最低。25°C在所有条件下 consistently 显示出最高的ΦPSII。尽管极端温度下ΦPSII有降低趋势，但跨时间平均后这些差异并不显著。ΦPSII也受到处理后天数（DAT）的影响，其趋势取决于温度和PPFD。在18°C下，ΦPSII随时间增加了约10%，表明存在恢复响应。在500 μmol·m-2·s-1PPFD下，ΦPSII在7天内逐渐增加了约14%，而在150 μmol·m-2·s-1下则略有下降。电子传递速率（ETR）在高光下比低光下高出约三倍。与ΦPSII相比，温度和DAT对ETR的影响相对较小，但其整体模式与ΦPSII一致。
ΦNPQ和ΦNO在高光下显著高于低光，表明更高的光强度增加了非光化学能量耗散，这与光合效率的降低相关。随时间推移，在高光下ΦNPQ和ΦNO下降，伴随着ΦPSII逐渐增加，表明对高光的适应。ΦNPQ在第一天显著下降后保持稳定，而ΦNO在整个实验期间持续下降。到第7天结束时，两种光条件下的ΦNO已无显著差异。
最大量子效率的时间变化
光适应最大量子效率（Fv′/Fm′）的日均值表现出与ΦPSII不同的趋势。Fv′/Fm′在低光下高于高光，但随时间逐渐下降，而在高光下保持相对稳定。温度效应也很明显：在低光下，Fv′/Fm′在18°C最高，其次是25°C和32°C。
暗适应1小时和8小时后的PSII最大效率（Fv/Fm1h 和 Fv/Fm 8h）被用来评估环境胁迫的瞬时和持续效应。在低光下，Fv/Fm随时间下降，而在高光下则增加。Fv/Fm1h在低光下 consistently 更高，但高光下的Fv/Fm8h完全恢复，接近0.83这一公认最优值。Fv/Fm1h和Fv/Fm8h在25°C最高，在次优温度下较低。然而，到第6和7天，18°C下的Fv/Fm8h恢复至约0.83，而32°C下的值仍维持在0.813左右的低位，表明尽管有足够的暗适应时间，高温下仍存在更持久的胁迫。
光化学淬灭系数（qL）也显示出清晰的温度和光效应。qL在32°C最高，其次是25°C和18°C，且这种温度依赖性差异在整个实验期间几乎保持不变。在低光下，qL保持稳定，而在高光下逐渐增加。
叶片气体交换参数
叶片气体交换测量旨在探究CF中观察到的温度和光强效应是否也反映在CO2同化和气孔响应中。净光合速率（A）在两个时间点均 consistently 在高光下高于低光下，与温度无关。然而，温度效应因光强和时间而异。在低光下，温度差异极小。相比之下，在高光下，A在第2天在32°C时最低，但在第7天变为最高，表明高温下存在恢复或适应。
气孔导度（gs）在第2天随温度升高而增加，PPFD无显著效应。到第7天，在32°C和500 μmol·m-2·s-1下，gs增加了900 mmol·H2O·m-2·s-1，是其他处理组合的5.6倍，表明随时间推移，高温高光复合条件下存在强烈的气孔调节。蒸腾速率（E）遵循与gs相似的模式。细胞间CO2浓度（Ci）在高光下低于低光下，且32°C在所有温度处理中Ci最高。水分利用效率（WUE）在两个日期均随温度升高而下降，且在高光下 consistently 更高。
ETR与A之间的关系受温度及其与DAT交互作用的显著影响，但不受DAT单独影响。此处，ETR-A关系的斜率反映了从光合电子传递链衍生的电子用于碳同化的效率。在第2天，斜率在32°C最低，表明高温下每单位电子传递的CO2同化减少。到第7天，32°C下的斜率增加并超过了18°C和25°C下的斜率，而18°C和25°C下的斜率随时间下降。这些结果表明，电子传递与CO2固定的耦合最初在高温下受到抑制，但随着适应而改善。
A/Ci响应曲线用于说明不同处理下的光合响应。总体而言，500 μmol·m-2·s-1导致整个Ci范围内更高的A值。温度对A无显著主效应，但观察到温度与光强之间存在显著交互作用，表现为低光高温和高光低温下A降低。从A/Ci曲线估计了最大Rubisco羧化速率（Vc,max）、最大电子传递速率（J）和丙糖磷酸利用速率（TPU）。Vc,max在高光下是低光下的3.8倍，但温度效应因光强而异。在高光下，Vc,max随温度升高而增加，在32°C达到最高值。然而，在低光下，Vc,max在所有温度下均保持低位。J与ETR强相关，主要受光强影响，在高PPFD下显示更高的J，无显著温度效应。TPU对高光强的响应也增加了2.9倍，并且观察到显著的交互作用，TPU仅在高光下随温度升高而增加。
生长响应
地上部生物量在25°C和500 μmol·m-2·s-1下最高，18°C和32°C下的地上部干重分别比25°C降低了28%和20%。地上部干重随累积ETR增加而显著增加。在考虑了累积ETR后，温度对地上部干重没有显著的额外影响，且累积ETR与地上部干重之间的关系在不同温度处理间没有差异。尽管低光下地上部鲜重仅降低18%，但地上部干重降低了40%，这种差异可能由低光下更高的地上部含水量解释。同样，地上部含水量也在适宜温度25°C下最高。叶绿素含量在高光下略高，温度无显著影响。
光强对光化学的影响
虽然光合作用随光强增加而增加，但高光下的光合效率常因过量激发能量无法用于电子传递和碳固定而下降。这部分能量通过非光化学途径耗散，如调节性热耗散（ΦNPQ）和非调节性能量损失（ΦNO）。随时间推移，在高光下ΦNPQ和ΦNO均下降，而ΦPSII增加，表明动态适应。NPQ快速下降并在DAT 2后稳定，这可能归因于各种生理响应。相比之下，ΦNO在整个一周内持续下降，表明植物通过改变光捕获和电子传递能力等相关过程，系统性地调整了光合机构并提高了光能利用效率。DAT 2后ΦPSII的持续增加似乎与ΦNO的下降关联更密切，而非NPQ的变化。这突出表明，分别获取ΦNPQ和ΦNO数据有助于洞察驱动光合效率改善的不同类型机制。
qL在高光下随时间增加，与ΦPSII的改善同步。这种恢复可能源于增强的质体醌（PQ）生物合成。Fv′/Fm′代表光适应状态下PSII的理论最大效率，当严重光抑制或NPQ饱和后发生电子传递限制时会进一步下降。本研究中高光下其稳定性表明PSII能力得以保留，这很可能归因于有效的NPQ调节。
准确测定Fv/Fm需要足够的暗适应时间。在本研究中，Fv/Fm在1小时后继续增加，2小时后稳定，表明较短的暗适应期可能难以区分瞬时和持续胁迫。高光下初始的光抑制很可能源于植物在步入式生长室中预先适应了250 μmol·m-2·s-1的光照。随着适应进行，通过修复机制光化学效率得到改善。在低光下，Fv/Fm逐渐下降但未低于0.82，表明没有严重的光损伤。相反，这种模式可能反映了植物为最大化光捕获而发生的生理转变。
温度与光的复合效应对光化学的影响
温度对光化学的影响不如光强那样动态，但在次优热条件下观察到了清晰的胁迫响应。低温最初抑制了ΦPSII，主要原因是ΦNO增加而非ΦNPQ，表明通过非调节途径和光抑制造成了过量能量损失。然而随时间推移，随着ΦNO下降，ΦPSII大幅增加，表明光合适应。根据先前研究，这种冷胁迫下的恢复与增强的修复和代谢调整有关。冷胁迫损害卡尔文循环中的酶活性并降低类囊体膜流动性，限制电子传递和PSII功能。本研究中低温下较低的qL值可能表明PQ库过度还原和活性氧（ROS）的潜在积累。然而在适应过程中，qL增加伴随ΦNO下降，表明电子传递效率提高，光损伤风险降低。Fv/Fm在低温胁迫下的逐渐恢复反映了PSII组分（如D1蛋白和细胞色素b6f复合体）的修复。
相比之下，高温导致最高的qL值，但Fv′/Fm′和Fv/Fm下降，表明尽管反应中心开放度得以维持，但热诱导的电子传递抑制。热胁迫影响PQ氧化，导致单线态氧积累、质体氢醌降解，并通过Rubisco失活抑制卡尔文循环活性，从而破坏烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）消耗和氧化还原平衡。这些效应会降低PSII效率。值得注意的是，次优光温组合会放大胁迫响应。在低温高光下，ΦPSII最低而ΦNO最高，表明由于过量光能和有限光化学能力导致的光抑制。相反，高温低光也损害了光化学。在此条件下，Fv′/Fm′显著降低，可能归因于有限的光捕获能力加上持续的热抑制光合作用及叶绿素含量降低。虽然高光可驱动光保护，但低光结合高温会降低叶绿素含量和卡尔文循环酶活性，导致光化学活性进一步抑制。总体而言，虽然本研究中高温对ΦPSII影响有限，但观察到的Fv/Fm 8h下降表明存在中度但持续的胁迫。生菜相对较低的热耐受性可能解释了观察到的有限恢复，因为其在热胁迫下的适应能力与冷胁迫或高光适应相比动态性较低。
链接CF数据与碳同化及生长
气体交换部分追踪了CF趋势，但在极端温度下出现分歧。碳同化遵循抛物线型温度响应，在低温和高温下均受到抑制。在18°C，早期ΦPSII降低，但A与25°C相似，且gs和Ci未显示强烈限制，表明低温下的光化学抑制并未限制CO2固定。先前研究报道，低温下降低的光化学可以通过更低的暗呼吸、减少的光呼吸和持续的叶绿素水平得到补偿。在低温下，增加的CO2/O2溶解度比有利于Rubisco羧化而非加氧，这通常与减少的光呼吸相关，并有助于维持冷条件下的碳同化效率。从DAT 2到7，尽管ETR稳定，18°C和25°C下的A略有下降，表明可能存在由于库限制或TPU瓶颈导致的反馈抑制。电子传递与碳固定之间的这种不平衡可能导致ETR/A斜率逐渐下降。
相比之下，高温诱导了碳同化的瞬时抑制，随后是强烈的恢复。在32°C，尽管ΦPSII仅轻微降低，A最初被显著抑制，表明光化学与碳同化之间存在暂时的脱钩。尽管在DAT 2时32°C下的gs、E和Ci升高，但A仍受抑制，表明碳同化最初受到增强的光呼吸或降低的Rubisco活性等非气孔因素的限制，而非CO2扩散。随着适应进行，到DAT 7时，A大幅增加，尤其是在高温高光组合下，这与gs和E的显著增加同时发生，进而增加了A与ETR关系的斜率。与gs和E相比，Ci在高温下仍略高，但在高光下较低，表明通过气孔开度增加的CO2扩散很大程度上被增强的碳同化速率所平衡。这种适应也得到DAT 7时高温高光组合下更高Vc,max和TPU的支持，表明碳同化的代谢适应。这些气孔和生化调整共同导致碳同化相对于光化学效率不成比例地增加，造成了高温条件下观察到的A与ΦPSII之间的分歧。
生物量和地上部含水量揭示了与光合速率的脱钩。尽管18°C下的ΦPSII恢复至与25°C相当的水平，且32°C下的A到DAT 7时超过了25°C，但地上部生物量仍在25°C最高。
