1. 植物生产与气候变化
2. 光合作用的适宜温度
2.1. 温度响应图
2.2. 最适温度与生活环境的平均温度相对应
2.3. 适应环境温度
2.4. 适应能力可以很快
2.5. 热敏植物与冷敏植物
2.6. C3植物和C4植物的比较
3. 二氧化碳同化是温度响应特征不同的诸过程相互作用的结果
4. C3和C4植物决定CO2同化最适温度的过程是什么?
5. C3光合途径的最适温度受某些环境因子的调控
6. 为什么二氧化碳吸收速率从其最适温度向两侧都是降低的?
6.1. 当温度低于最适温度时
6.2. 当温度高于最适温度时
7. 植物的低温（≤10 oC左右）和高温（≥37 oC左右）锻炼
8. 温度对光合作用的影响：总结图
9. 需要记住的信息
陆生植物经常受到温度剧烈变化的影响，在极地和炎热的沙漠地区，温度的变化幅度可以达到40°C甚至更高。陆生植物扎根后就几乎不能移动，因此必须应对原位环境的变化。植物通过光合作用同化二氧化碳，这是碳进入生物圈的起点。光合作用正常工作的温度范围是多少?光合作用如何响应快速和缓慢的温度变化?不同植物的响应有何差异?限制光合作用的生理过程是什么?这些关键问题需要在全球变暖的背景下 加以考虑。
按照目前温室气体排放增加的趋势，未来50年内大气温度可能升高2 ~ 3°C。与此同时，热浪和极端高温事件将更加频繁，持续时间也将更长，极大地影响农业生产和森林的功能 。基于大规模观察数据构造的模型表明，在缺乏农业适应性措施的情况下，生长季温度每升高1°C，作物产量下降可达17% 。 高等植物的生产力 尤其依赖于叶片的光合作用 。二氧化碳进入叶片后在叶绿体中被还原，同时伴随着氧气的产生。CO2 几乎完全是通过保卫细胞进入叶片的（图1），每一个CO2 分子进入叶片，就会蒸发掉50~300个水分子，具体数值取决于植物种类和状态。蒸腾损失的水分除了其他功能外，还能使叶片冷却 。叶片是太阳能转化为化学能的转化器 ，和任何能量转化器一样，需要一个持久工作的冷却系统。 目前正在发生的气候变化使得了解温度对光合作用的影响更为必要。 光合作用中二氧化碳的吸收速率随温度而变化。在大多数情况下，温度在10~34°C之间 变化时， 光合速率也会发生快速可逆 的变化，并出现一个最大速率：即光合作用的最适温度 。 10°C以下和34°C以上的温度对植物而言属于胁迫条件，它们需要启动 保护机制 ，以应对这样的极端温度。在此胁迫条件下，叶片的二氧化碳同化过程往往是不稳定的，甚至可能停止（图2）。 在寒冷环境或寒冷季节生长的植物，低温下的光合速率更高；相反，在温暖环境或温暖季节生长的植物，高温时光合速率更高些。 生长在不同温度下的同种植物个体，光合作用对温度的响应也存在差异。图4显示了在10 °C或25 °C下生长的豌豆的二氧化碳吸收速率。 第一种情形为在10 °C下培养植物，其叶片光合作用的最适温度约为16 °C；而在第二种情形下，植物的培养温度是25 °C，此时的最适温度则高于25 °C。而且在较低温度下，在10 °C条件下生长的植物二氧化碳吸收速率更高。 植物的这种生理特征有利于适应较冷凉的温度条件。
例如，中东沙漠（内盖夫的Wadi Rum）一种灌木 Hamada scoparia 的光合作用随温度的季节变化的变化：最适温度从早春的29 °C升高到夏季的41 °C，再回落到秋季的28 °C。 光合最适温度的变化甚至可以更快，幅度更大。例如，在加利福尼亚海滨的加州脆菊木（Encelia california ）的株丛，将其生长温度从30 °C（昼夜恒定）改变到白天15 °C、夜间2 °C，只需要3天，其光合最适温度就会降低约10 °C。 一般来说，无论是还在生长的叶片还是已经成熟的叶片，都可以测量到这样的变化，生长中的 叶片响应幅度 往往更大。 生活在冷凉环境的植物物种（或生态型）对高温的适应会伴随着最适温度的增加 ，同时光合速率 往往会降低 。 例如，裂叶滨藜（Atriplex sabulosa ）就是这样的情况。人们很好奇这种变化的意义何在。而对于那些严格适应温暖环境的植物来说，情况可能正好相反，如Tridestomia oblongifolia 。图7展示了大滨藜（Triplex lentiformis ）的情况，它是一种多年生密丛生小灌木，既分布在加州的死亡谷，也出现在凉爽湿润的沿海地带：
C3植物 是最早出现的植物类群，约占现存植物物种的85%，它们主要生长在凉爽湿润 的环境（或季节）。如树木，除了极少外，它们都是C3植物。C4植物 始现于第三纪末期，仅占现存植物物种总数的5% 。它们更喜爱炎热、干燥的环境（或季节），玉米和甘蔗就是C4植物。但是，C3植物具有极强的可塑性。事实上，它们的最适温度范围很宽，从大约7 °C到35 °C左右，而C4植物的最适温度一般在30~40°C之间 ，只有很少例外。而且当温度低于20 °C时，C4植物的平均光合速率低于 C3植物。 捕集天线对光的吸收 （图9）和将光能转移到PSII反应中心的过程对温度不敏感 。当存在人工电子受体时，对离体类囊体测量（见图9中的图例）发现，电子传递 随温度升高而加快，明显存在最适温度 ，大约为30 °C，与二氧化碳饱和 时叶片吸收CO2 的最适温度相当。PSII活性的最适温度与电子转移链的最适温度相同。 PSI活性不受高温抑制（30°C以上，45°C以下），高温时活性保持稳定甚至有所增加：高温下是PSII的活性限制了电子传递链的活性。
PSII对高温非常敏感，高温会破坏PSII中使水氧化的蛋白质复合物（见图9）。
C3和C4植物中电子传递对温度的反应相似。但是，这两类植物的光合器官在结构上存在着差异。
因此，能量供应并不能解释这两类植物光合最适温度的差异，对能量的使用方式不同才是决定性因素。 含有21%的O2 （+ N2 ）+ 360 μL/L CO2 的正常空气：在此条件下玉米（C4植物）的最适温度为27 °C，而豌豆（C3植物）仅为22 °C（图10），C4 植物的最适温度高于 C3植物（另见6节）。
含有1% 的O2 （+ N2 ）+ 360 μL/L CO2 的低氧空气 ：玉米的二氧化碳吸收不受影响，而豌豆的二氧化碳吸收速率在17°C以上时得以提高，并且最适温度提高到与玉米接近。
当叶温很高时，大气中的氧会抑制C3 植物的二氧化碳 吸收，但对C4植物没有影响 （或影响可以忽略）。
注意，通过测量活体豌豆叶片发出的 叶绿素荧光与温度 的关系，发现电子传递速率在空气含量量为1%和21%的时基本相同，表明光合 最适温度的变化与光化学过程无关 。
C3植物的情形
二氧化碳和氧气竞争Rubisco的活性位点：该酶同时具有羧化酶功能和加氧酶功能。二氧化碳通过其羧化酶功能进入本森-卡尔文循环的同时，其氧化酶功能导致光合氧气固定 ，这是光呼吸 代谢途径的起点。 当环境空气中氧气含量较低（例如1%）或二氧化碳含量较高时，二氧化碳 会占据大量的Rubisco活性位点。 如果氧气含量增加，或者二氧化碳 含量减少（释放出Rubisco酶的活性位点，并被氧气占据），该酶就会主要固定氧气。在正常的空气 中，当温度升高 时氧气的固定增加 （因而二氧化碳的固定减少），原因有两个： 一是Rubisco对二氧化碳的亲和力 下降幅度大于对氧气的亲和力，因而有利于氧气吸收。 二是二氧化碳在水中的溶解系数比氧气下降更多，导致叶绿体中二氧化碳的含量下降比氧气快 ，这也有利于氧气固定。 在缺氧的大气 中（图10），氧气和二氧化碳对Rubisco活性位点的竞争 会大大减弱，捕集的光能主要用于二氧化碳的吸收，二氧化碳吸收速率随着叶片温度的升高而增加，直到30 °C左右达到最大，然后温度的升高而降低（见第4.1节）。 当温度较低 时，在正常空气中的氧气对光合二氧化碳固定的影响（图11）非常低（甚至为零）：此时二氧化碳在羧化位点上的竞争更有优势 。 C4植物的情形
二氧化碳通过一种对氧不敏感的机制在Rubisco附近富集，在不同C4植物叶片中含量可以达到800到2000 μL/L ：也就是比当前大气中的含量高2到5倍 。 在此条件下，由于Rubisco的活性位点全部被二氧化碳占据，光合作用对氧气的固定作用很弱，甚至完全没有。因此，即使叶片温度升高 ，光系统捕集的太阳光能也仅用于二氧化碳固定 ，这就是C4植物具有较高的光合最适温度的原因。 C4植物是在第三纪末期全球大气二氧化碳浓度下降 的过程中，从C3植物 演化而来的。 大气CO2浓度的降低使得C3植物Rubisco的加氧酶功能得以发挥，并通过光呼吸途径损失固定的碳。 因而，建立二氧化碳富集机制就成了一个优势 ，可以防止光呼吸碳损失 。我们现在还能够发现C3和C4“过渡类型 ”的植物物种。 光合最适温度随环境二氧化碳含量的增加而提高。如图12所示，从CO2 含量为100 μL/L时的10 °C左右提高到含量为800 μL/L时的30 °C以上。 光合机构叶绿体本身有较强的抗旱性 ，叶绿体内Rubisco吸收二氧化碳和固定光能的能力可以一直保持，直到叶片水分丢失了其含水量的30%。但是在叶片水平，随着含水量的降低，气孔逐渐关闭 ，二氧化碳吸收会减少。气孔关闭减缓了二氧化碳进入 叶片的速度，导致叶肉细胞中二氧化碳含量减少 。
然而，叶绿体中的氧气浓度仍然很高。事实上，与二氧化碳（约 400 μL/L）相比，大气中氧气的浓度含量（21%或210 000 μL/L）非常高。在任何情况下，即使气孔关闭，也会有相当数量的氧气通过表皮进入叶片内部。
因此，二氧化碳和氧气之间对Rubisco活性位点的竞争对氧气有利 。
因此，C3植物的叶片在逐渐失水的过程中，其光合作用的最适温度也必须降低 。 如图14A所示，豌豆叶片的最适温度从叶片水分饱和时的23 °C，下降到失去20%水分时的17 °C。 在实验中的水分丧失范围内（图14B），类囊体膜上的电子传递速率不受影响。当水分损失达20%时，光系统捕集的太阳能主要用于氧与RuBP结合，导致光呼吸增加 。 可能有几个原因不同程度地导致了温度越低同化速率也越低： RuBP周转速度降低 。控制RuBP周转的一些酶的活性减慢，尤其是果糖1,6-二磷酸酶（见图9和11）。由于蔗糖合成受到抑制，磷酸丙糖输出终止（或更少），使得无机磷酸盐不再与磷酸丙糖交换进入叶绿体，而叶绿体中的磷被磷酸化化合物固定 ，导致ATP合成因无机磷缺乏而下降。 抑制电子传递链 （见第1节），导致能量 （还原力和ATP） 产生减少。在C4植物中，光合作用对低温的响应主要受Rubisco活性的影响，当然，参与二氧化碳固定的其他酶对低温敏感也是众所周知的。 在C3植物中 ，随着温度升高，光呼吸增加， PSII产生的电子中用于同化二氧化碳的比例下降。除此之外，还有其他因素也在起作用，证据有：（1）即使在很少或没有光呼吸的大气条件（环境氧气含量为1%）下测量，也会发现光合速率随温度升高而降低；（2）在正常的大气条件下C4植物也有相同的表现 （图10）。可能的原因有：PSII活性的降低 导致了从PSII到PSI的电子传递速率减慢。Rubisco要发挥作用必须 被一种叫做Rubisco激酶的酶激活 ，当温度超过约33°C时，该酶的活性就会下降（例外的是，在一些生长期会经历高温的植物中存在耐高温的激酶）。但是，由于激酶本身的激活必须依赖电子传递的过程，因此不能排除电子传递也参与限制Rubisco活性。随着温度的升高 ，与RuBP结构相近的Rubisco酶抑制剂（木糖糖-1,4-二磷酸）的合成量增加，Rubisco的“催化失效”越来越明显 （见图9和11）。在C4植物 （如玉米）中，负责二氧化碳富集在Rubisco周围的酶的激活及其活性对高温不太敏感。C4植物在最适温度以上随着温度升高二氧化碳同化速率下降是源于上述原因。当植物经历低温或高温时，除了光合作用的上述变化外，还能增强它们对致死温度 （霜冻和高温）的抵抗力 ，这就是抗性锻炼 。 在此过程中，温度和光照共同作用，引起代谢变化，这个变化有时非常快（从几分钟到几小时）。 因此，通过改变光周期的长度或光谱中的红光成分 ，可以在正常温度下实现抗寒锻炼。然而，要使抗性能力完全表现出来，仍然需要低温处理。同样地，只有低温处理而缺乏光照也会不同程度地降低抗寒锻炼的效果。 高温： 产生信号激活分子伴侣性蛋白（热激蛋白，HSPs：Heat Shock Proteins）的合成，修复变性蛋白，还会防止其凝固，甚至帮助做上标记，使其降解。低温： 也会激活分子伴侣性蛋白的合成，随后（i）合成干扰冰晶形成的“抗冻”蛋白和（ii）增加糖的合成，以提高细胞内的渗透压。请注意，抗性锻炼过程中的信号通路以及它们如何相互作用以诱导基因组反应，目前了解有限 。 叶片吸收二氧化碳的最适温度 接近其生长环境的平均温度。 当环境条件被持久性地改变时，最适温度也会迅速改变 ：这是一个驯化 过程。 C3 植物 的最适温度总体上低于 C4植物：这主要是由于C3植物的Rubisco在光合固碳的同时还固定大气中的氧气。C3 植物 的最适温度受环境空气中的二氧化碳浓度 影响：当二氧化碳浓度高时，它们的最适温度与C4植物相当。植物经受低温或高温条件时，会通过生理过程的抗性锻炼 应对致命温度。这些过程涉及蛋白质合成，以及叶绿体和细胞膜流动性的变化。
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