碳酸酐酶的应答响应及在节水灌溉中的应用

Carbonic anhydrases (CA) are zinc-containing isozymes, it is widespread in plants, animals and even microbe. When the crops were under water stress conditions, its CA activity increased, and catalyzed the conversion of HCO3- to CO2 and H2O in cell, so as to adapt to the water deficit caused by stomatal conductance decreased or closed, and finally realized the water regulated deficit function of crops, changed the water requirement status. This study select the crop with high CA activity as experiment materials, and the crop with low CA activity as contrast, take the bicarbonate with appropriate δ13C and δD as tracer, through the determination of crop CA response, leaf water content variation, photosynthetic characteristics and δ13C, δD under drought stress, relationship between CA activity and δ13C, δD is set up, content of water translated from bicarbonate and catalyzed by CA is figured out, and the rate that content of water translated from bicarbonate to content of total water requirement is then calculated, and the contribution that the potential water resource provided by bicarbonate to crop water-saving irrigation is evaluated, combined with the variation of leaf water content, water regulated deficit strategies could be clarified, the water requirement information could be analyzed completely, so as to provide scientific consideration for the selecting of irrigation time and frequency, finally realize water-saving irrigation.

碳酸酐酶是一种含锌同工酶，它广泛地分布在植物和动物甚至微生物中，在作物遭受干旱的情况下，其叶片中的碳酸酐酶活力升高，将细胞内的碳酸氢根离子转化成水和二氧化碳，以应对因气孔导度减小或关闭造成的水分的不足，从而实现作物的水分调亏功能，改变作物的水分需求状况。本研究选取具有高碳酸酐酶活性的作物为研究对象，低碳酸酐酶活性的作物为对照，筛选碳氢同位素组分合适的重碳酸盐作示踪剂，通过对干旱胁迫下作物碳酸酐酶的应答响应，叶片含水率变化、光合特性及稳定碳、氢同位素比值的研究，建立碳酸酐酶活性与δ13C、δD值之间的关系，推算由碳酸酐酶催化HCO3-转化而成的H2O的量，并计算其占作物总需水量的比重，评估碳酸酐酶催化HCO3-为作物提供的潜在水源对作物节水灌溉的贡献，结合叶片含水率的变化，阐明作物的水分调亏策略，全面立体地分析作物的水分需求信息，从而为灌溉时间及频率的选择提供科学依据,最终实现节水灌溉。

干旱胁迫下，作物外观形态上多表现为叶片卷曲甚至枯黄，作物的生长已经受到影响，此时进行灌溉已经有所延迟。如果不待植物有干旱生理表现而灌溉，则会造成水分浪费。其中，碳酸酐酶在干旱下能够分解胞内HCO3-为H2O，延缓作物对水分的迫切需求。为确定最佳灌水时间点和灌水量，就需充分了解作物对干旱的生理响应机理，改良灌水模式，提高水分利用效率。本项目通过测定作物碳酸酐酶活性，光合、产量以及稳定碳同位素组成，分析碳酸酐酶作用下植物对HCO3-离子的利用情况，及其对植物水分调控过程和产量品质的影响；对构树和桑树叶片在自然失水过程中叶片紧张度的变化进行研究，分析其抗干旱能力；通过设置干旱及复水对诸葛菜和甘蓝型油菜进行处理，分析各自碳酸酐酶应答响应机制、及其与光合特性、叶片紧张度与水分状况之间的关系，分析灌水时间点的判定方法，制定基于植物光合生理响应特征的调亏灌溉策略，并依据土壤水势和含水量之间关系的数学模型计算作物灌水量。逆境下，植物碳酸酐酶活性被激活而升高，不同植物的碳酸酐酶对逆境的敏感程度不同，且持续响应时间也不同；高碳酸酐酶活性的植物对HCO3-离子具有较强的利用能力，能够在一定程度上改善植物水分亏缺的状况，维持植物正常光合作用；叶片紧张度能够较好反映叶片水分状况，表征植物抗干旱能力，叶片紧张与净光合速率之间关系的数学模型，能够较为精确的预测净光合速率的值，实现灌水时间点的快速无损测定，同时还可以保证作物产量免受严重损失；复水水分利用效率在本项目中被定义为每增加单位水分含量净光合速率的增加值，其值越大，复水效果越好，基于复水水分利用效率，本项目得出诸葛菜和油菜的合理灌水点分别为-0.22和-0.44MPa，复水目标时间点则分别为-0.14和-0.22MPa；以壤土或者黏土为例，对诸葛菜来说，上述水势各自对应的土壤水分含量分别为18.7% 和19.4% 或者17.1%和17.6%，壤土和黏土调亏灌溉量与充分灌水时灌水量的比值则分别为53.8%或者2.8%。对甘蓝型油菜来说，各自对应的土壤水分含量分别为17.2%和18.7%或者16.1%和17.1%，壤土和黏土调亏灌溉量与充分灌水时灌水量的比值则分别为53.6%或者11.2%。如果在黏土上种植诸葛菜或者甘蓝型油菜，则可以节省更多灌水资源。研究结果既可以为抗干旱作物的选择提供依据，而且还具有较高的经济价值及生理生态意义。