文献速读

长期以来，光呼吸常被视为植物光合作用中“耗能又失碳”的过程。 然而，一篇发表于 Global Change Biology Communications 的最新综述提出，在高温条件下，光呼吸或许并非单纯的负担，而可能通过消耗过剩能量、缓解光系统压力，成为树木叶片应对热胁迫的一种潜在保护机制。

研究同时指出，目前关于树木光呼吸的关键参数、野外高温响应和物种差异仍缺乏直接证据。许多森林碳循环模型继续使用源自草本作物的参数，这可能给全球森林生产力和碳汇预测带来系统性不确定性。

核心问题：光呼吸究竟是高温下的“碳损失”，还是帮助树木避免光损伤的“能量安全阀”？

正文导读

一、为什么要重新认识光呼吸？

叶片中的三类主要气体通量包括光合作用、光呼吸和呼吸。Rubisco既能与二氧化碳发生羧化反应，推动碳固定，也能与氧气发生氧化反应，启动光呼吸。光呼吸会释放已经固定的二氧化碳，并消耗ATP和NADPH，因此过去常被称为“低效”过程。

但光呼吸同时承担多项重要功能，包括清除有毒代谢物、连接碳氮硫代谢、维持氧化还原平衡，并可能在高温下为过剩能量提供消耗通道。

二、光呼吸为何可能保护高温下的树木？

当叶片温度升高时，Rubisco固定二氧化碳的能力下降，而氧化反应更容易发生。与此同时，光反应产生的电子和还原力如果无法及时被碳固定过程利用，可能增加光系统II受损的风险。

综述提出，持续的光呼吸可以消耗多余的ATP和NADPH，降低叶绿体中的氧化还原压力，并帮助维持光合装置的运行。其作用类似“安全阀”，代价则是额外的能量消耗和碳损失。

光呼吸的潜在权衡：牺牲部分碳效率，换取高温条件下的能量平衡与光系统保护。

三、重要发现一：能量代价高，但可能具有保护价值

能量成本：在典型C3植物条件下，光呼吸可使ATP和NADPH需求比单独运行卡尔文循环高30%至50%。

碳通量占比：在标准条件下，光呼吸可占C3叶片总二氧化碳同化量的25%至50%，热胁迫下可能更高。

保护假说：高温和强光共同作用时，光呼吸可能消耗过剩能量，降低光系统II的激发压力和光损伤。

四、重要发现二：作物参数不一定适用于森林树木

当前估算光呼吸常使用FvCB生化模型、低氧抑制法和电子传递速率分配法。但这些方法都依赖若干假设，且多数来自作物或草本模式植物。

其中一个核心参数是化学计量常数 λ，通常假设每两次Rubisco氧化反应释放一个二氧化碳分子，即 λ=0.5。综述指出，这一参数尚未在任何木本物种中得到系统验证，且温度是否会改变该参数仍不清楚。

图1｜一年生植物与树木的光呼吸和光合作用比值随温度变化的文献数据汇总（原论文图）

已有文献汇总显示，不同物种之间的光呼吸水平差异明显。树木叶片还面临树冠位置、微气候和长期胁迫历史的复杂影响，同一棵树的向阳叶与背阴叶温度甚至可能相差10°C至20°C。因此，将作物参数直接用于树木，可能掩盖真实的温度响应。

五、重要发现三：树木领域仍存在三大关键空白

缺少木本验证：λ等基础参数在树木中尚未得到系统测定。

缺少野外证据：尚无系统研究直接测量自然热浪或旱季高温期间树木光呼吸的急性响应。

缺少跨气候比较：不同树种、纬度和生物群系的光呼吸能力及热敏感性是否不同，仍不明确。

现有作物实验为热保护假说提供了间接支持，但尚不能证明天然树木中的光呼吸会主动上调并发挥保护作用。综述因此强调，应明确区分已有实证结果与概念性推断。

六、从叶片机制到全球碳循环

树木储存约45%的全球活体生物量碳，森林也是全球碳平衡的重要组成部分。光呼吸参数的不确定性会向上影响森林总初级生产力、净初级生产力和生态系统呼吸的模型结果。

图2｜从Rubisco温度开关、光呼吸“安全阀”到全球碳模型不确定性的概念框架（原论文图）

该框架展示了三层联系：在适温条件下，Rubisco羧化主导并促进生物量积累；在高温条件下，氧化反应和光呼吸增强；在生态系统尺度，未经木本植物验证的参数会增加森林碳循环预测的不确定性。

七、未来研究可以怎么做？

利用便携式光合测量系统，在自然热浪和不同树冠位置同步测量光合作用、光呼吸、呼吸与叶温；

结合低氧处理、叶绿素荧光和气体交换，减少单一方法假设造成的偏差；

利用木材同位素指标重建数月至数年的光呼吸变化，并与叶片直接测量相互验证；

建立覆盖热带、温带和北方森林的多站点观测网络；

在杨树、桉树等木本植物中开展通路调控实验，检验能量耗散与热耐受之间的因果关系。

八、研究意义

这篇综述提醒我们，提升植物碳效率与增强热耐受性之间可能存在权衡。如果光呼吸确实为树木提供高温保护，那么单纯抑制光呼吸的育种或生物工程策略，可能在减少碳损失的同时削弱树木的热韧性。

因此，准确刻画树木光呼吸的温度响应，不只是测量方法的改进，也关系到森林碳汇预测、气候模型参数化以及未来植物生物技术的合理设计。

九、亮点

• 首次系统梳理树木光呼吸测量方法的特定局限；

• 重新评估光呼吸作为树木高温保护机制的科学假说；

• 明确指出木本植物λ参数尚未得到系统验证；

• 将叶片生化过程与森林碳循环模型不确定性联系起来；

• 提出木材同位素、多站点网络和树木通路工程等新研究方向。

局限

• 树木热保护假说目前仍缺少直接的野外实验证据；

• 许多定量证据来自作物、草本模式植物或受控环境；

• 现有树种和区域数据不足，尚不能得出跨生物群系的普遍结论；

• 不同方法测得的是光呼吸的不同组成部分，各自存在偏差与假设。

论文信息

标题：Photorespiration as a Thermal Protection Mechanism in Trees: Measurements, Assumptions, and Persistent Gaps

期刊：Global Change Biology Communications

文章类型：Review，Open Access

专题合集：Waking Up on Climate Change: Measuring Impact, Focusing Efforts and Building Futures

作者：Rakesh Tiwari | Christine H. Foyer | Robert Muscarella

发表时间：2026年

DOI：https://doi.org/10.1002/gcb4.70025

关于期刊

Global Change Biology Communications 是一本经过同行评审的开放获取期刊，是 Global Change Biology 的姊妹刊，发表关于生物系统如何应对全球变化的高影响力研究。

期刊特色

• 欢迎专业化研究：接纳高质量的专业化或新颖方向研究，拓展全球变化生物学领域的学术对话。

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