研究揭示大气CO2浓度升高影响大豆产量和品质的机制

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  大气CO2浓度不断升高是全球气候变化的重要环境因子,根据计算大气CO2浓度已从工业革命前的270 ppm升高到目前的412 ppm(http://scrippsco2.ucsd.edu/#),预测到本世纪中叶大气CO2浓度将升高到550 ppm,本世纪末达到700 ppm。研究发现大气CO2浓度升高促进C3作物生物量提高,即肥料效应(CO2fertilization effect),但会导致植株氮(N)浓度降低,进而抑制产量的持续增加。大豆是对CO2浓度升高响应最敏感的作物之一,由于其本身具有共生生物固氮能力,理论上大气CO2浓度升高可能显着改变N吸收模式,进而影响CO2肥料效应。黑龙江省是我国大豆的主产区,大豆种植面积占全国种植面积40%左右,品种资源丰富。针对气候变化引起的不确定性,研究大气CO2浓度升高对大豆产量及N吸收机制的影响,对预警未来气候条件下大豆N利用效率、提高大豆产量稳定性具有重要理论意义和实际应用价值。同时对进一步认识全球C、N循环也有重要的科学意义。中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组助理研究员李彦生和研究员金剑等利用开顶式气室(Open Top Chamber, OTC)模拟大气CO2浓度升高到550ppm,采用稳定同位素15N标记方法,选取黑龙江省主栽品种,量化分析了大气CO2浓度升高条件下共生固氮、土壤氮和肥料氮对大豆产量形成的贡献。研究发现,高浓度的CO2显着增加了大豆植株中N吸收量,这主要与大豆共生生物固氮贡献提高有关(图1)。大气CO2浓度升高条件下,大豆根瘤数量和质量均显着提高。揭示高CO2浓度条件下大豆R5期(鼓粒期)至R8期(成熟期)共生生物固氮的增加与产量提高显着相关(P 0.05)。从植株C、N和磷(P)的化学计量学角度进一步证实大气CO2浓度升高显着增加大豆不同组织的C:N比,但降低N:P比,提出N是限制黑土区大豆对大气CO2浓度升高响应重要元素,而不是P,大豆固氮能力可能是决定未来大豆产量稳定性的重要因素(图2)。解析大气CO2浓度升高影响大豆营养品质对保障未来粮食品质安全具有重要意义。研究发现,虽然大气CO2浓度升高一定程度上增加大豆R8期脂肪含量(P 0.05),但显着降低大豆籽粒中蛋白质和游离氨基酸含量(P 0.05)(图3)。在营养元素方面,锌(Zn)和铁(Fe)浓度在高CO2条件下也呈降低趋势。在未来CO2浓度升高环境条件下,大豆蛋白和微量元素等品质特征可能降低。该研究成果分别发表在环境和植物领域国际期刊Science of the Total Environment 和Frontiers in Plant Science上。此系列研究工作得到中科院百人计划、国家重点研发计划(2017YFD0300300)和国家自然科学基金(41201247、31501259、41271261)的资助。(生物谷

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