光合作用的生理生态

1、光合作用的生理生态第1页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一第一章 光合作用机理进展 地球上生命活动的能量，基本上都是依赖于太阳能，光合作用是最主要的能将太阳能固定的生命过程。 可以说，通过光合作用的反应系统，利用自然界最丰富而廉价的资源CO2和H2O提供了我们所需的有机物。 从光能吸收到碳水化合物形成，有50多个中间步骤。直接发生在光合膜上、由光驱动的反应，叫做光反应；而不依赖于光，由酶催化的反应叫做暗（碳）反应。 研究对象：从分子水平的激发态到植物群体； 研究课题：从光的吸收到生态系统； 时间跨度：从飞秒(fs)到世纪。 （s,ms,s, ns, ps, fs）第2页

2、，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一第3页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一一、光反应同化力形成 （一）光能的吸收与传递 叶绿素的卟啉环上具有很多共轭双键，正是这些共轭双键能够吸收可见光（400700nm）。 最稳定的价电子处于基态，能量最低。当光量子被一个基态的电子吸收，光量子的能量就被加到电子上，电子跃迁为能级较高的激发态。对于可见光，电子跃迁时间为1015s.第4页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一1、叶绿素激发与去激 第5页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、色素之间的能量传递 共振传递：在

3、色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动(共振)，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递，第一个分子中原来被激发的电子便停止振动，而第二个分子中被诱导的电子则变为激发态，第二个分子又能以同样的方式激发第三个、第四个分子。这种依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为“共振传递”。 第6页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一激子传递：激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子（激子是能量和动量相同的分子共有的电子激发态）。它能转移能量但不能转移电荷。其能量传递效率决定于两个分子间的作用矩阵。 在由相同分

4、子组成的聚光色素系统中，其中一个色素分子受光激发后，高能电子在返回原来轨道时也会发出激子，此激子能使相邻色素分子激发，即把激发能传递给了相邻色素分子，激发的电子可以相同的方式再发出激子，并被另一色素分子吸收， 这种在相同分子内依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。第7页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 天线色素吸收的光能，经过色素间的一系列传递，汇集到反应中心，在那里引起光化学反应。第8页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（二）原初光化学反应 原初反应是光合作用中将光能转化为化学能的最初步骤，其反应非常快，在fsps之间。 反应部位：光合膜

5、（反应中心） 第9页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（三）叶绿体电子传递 1、光合电子传递的顺序（1）两个光系统 红降现象： 双光增益效应： 第10页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一PSII和PSI： PSII：P680核心、捕光色素蛋白复合体(LHCII)、放氧复合体（OEC） PSI: P700核心、LHCI第11页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（2）Z链 （Z schem） 第12页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、电子传递体在类囊体膜上的分布 第13页，共149页，2022年，5

6、月20日，17点20分，星期一类囊体膜上存在4中蛋白复合体： PSII复合体：PSII-：基粒中央 PSII-：间质片层 Cytb/f复合体：基粒垛叠区、基粒末端与边缘 PSI复合体：PSI-：基粒外周 PSI-：间质片层 ATP酶复合体（CF,coupling factor）： CF1:位于膜表面，起催化作用，ADP+Pi ATP Cf2:插入膜内，提供H+通道 第14页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一OEC（放氧复合体）：膜内表面P680的原初电子供体：位于膜内侧，原初电子受体 位于膜外测。PQ：可以在膜的疏水区移动。P700的电子供体（PC）位于膜内表面，受体f

7、d位于 膜外表面。 这样的空间排列，使得P680受光激发后，在类囊体的内表面发生水的氧化，并向类囊体膜内释放O2和H+。在膜的外测发生PQ还原，并通过跨膜移动，把膜外质子传到腔内。 PSI受光激发后，从类囊体内侧的PC接受电子，并在膜的外测把电子交给fd，从而在膜的外测进行NADP的还原。 电子传递体在类囊体膜上的这种分布，使电子在膜的内外进行定向传递，形成跨膜质子梯度，推动ATP形成。第15页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（四）PSII的结构与运转1、PSII复合体的结构 第16页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一PSII反应中心结构模式图

8、 示意PSII反应中心D1蛋白和D2蛋白的结构。 D1很容易受到光化学破坏，会发生活性逆转。 电子从P680传递到去镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体醌QA和QB。P680+在“Z”传递链中被D1亚基中酪氨酸残基还原。 图中还表明了Mn聚集体(MSP)对水的氧化。 CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。第17页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一包括3个部分： （1）捕光天线系统 围绕P680的CP43和CP47蛋白复合体组成的内周天线（近侧天线） 由LHCII复合体组成的外周天线（远侧天线） （2）D1-D2蛋白 D1-D2蛋白：由2个32KD蛋白组成，其中包括原初电

9、子供体Yz（Tyr161残基）。反应中心电子传递链： YzP680PheoQA(D2蛋白)QB（D1蛋白）构成反应中心的电子传递链。 （3）水氧化放氧系统 包括：三种外周蛋白（33，23，17KD）, Mn簇, Cl, Ca2+第18页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、PSII的运转 PSII是执行光诱导电荷分离及电子传递的基本单位，P680中心色素是一个chla双分子体。 电子从放氧中心到P680是很快的过程。Yz是D1蛋白上的第161位Tyr残基。 原初的电荷从P680到Pheo只需几个皮秒（ps）,Pheo-又立即被QA氧化，QA又被QB在100200微秒时间

10、内氧化。QB先形成半醌QB，然后又从另一个QA接受1个电子，形成还原型醌QB2。（这里QA是单电子受体，QB是双电子受体）。 完全还原的QB2从间质接受2个质子，形成QBH2，并与PQ交换位置，随后再向cytb/f传递。 D1蛋白亚基是QB的载体，故又称为QB蛋白，它可被DCMU等除草剂结合，从而阻断电子从QA向QB的传递。此外，许多逆境因子，如强光、高盐等对电子传递的抑制部位，也是这里。 第19页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一3、PSII的水裂解放氧 PSII的一个重要功能，就是参与水的裂解放氧。有关分子氧释放的机理，依然是目前研究的重要问题。 （1）氧释放动力学

11、 光合放氧具有周期现象，在闪光诱导动力学研究中，发现氧的释放伴随着4个闪光周期的摆动，即每4次闪光出现一个放氧高峰。Kok等提出4个S态循环的模型（Kok钟），OEC需要积累4个氧化当量（正电荷），才能从2个水分子中夺取4个还原当量，释放一分子氧。 hv1 hv2 hv3 hv4S0 S1 S2 S3 S4 S0+4H+O2 这里，S0-S4代表放氧中心的不同氧化还原状态，hv1-hv4表示闪光的顺序。从S0到S4共积累4个氧化当量，S4是不稳定的，它释放出分子氧后又回到S0状态。这样，每次循环吸收4个光量子，氧化2个水分子，向PSII中心传递4个电子，释放4个质子，1个氧分子。第20页，共1

12、49页，2022年，5月20日，17点20分，星期一第21页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（2）Mn, Cl, Ca与放氧的关系 （1）Mn 直接参与水裂解积累4个氧化当量的过程。 锰以不同的亲和程度结合在PSII颗粒上，利用加热或Tris溶液洗涤，把锰除去，放氧就受到抑制，回加锰后，放氧活性得到恢复。 （2）Cl与Ca Colema和Govindjee利用35Cl-NMR技术证明，氯和钙与外周蛋白相互作用，会导致蛋白质区域之间盐桥的断裂，从而在锰簇中取出质子。第22页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（五）两个光系统之间的电子传递 两个光系

13、统之间的电子传递，包括电子从PSII还原侧的QA到PSI氧化侧的Pc，中间有PQ,cytb/f复合体，PC的参与。 1、从QA起到PQ的传递 QA的单电子载体行为转换为QB的双电子载体行为，这个转化机理，是通过暗适应叶绿体的闪光实验认识的。第23页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一e第一次闪光：QA QA（半醌离子） e 暗中：QA QB QB e 第二次闪光：QA QB QB22H PQQB2 QBH2 PQH2第24页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一关于PQ库： PQ是类囊体上含量最多的电子传递体，因此，认为存在一个PQ库。由于PQ是脂溶性

14、的，它可以在类囊体膜的疏水区移动，使类囊体膜上的电子传递链之间连接通用，当两个光系统发生光能分配不均衡时，PQ库可以起到调节与缓冲作用，从而保证两个光系统的均衡运转。 此外，PQ的移动性，也使得H向类囊体腔内释放，造成跨膜质子动力势，推动ATP形成。第25页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、cytb/f复合体 （1）组成4个多肽链组成（多亚基膜蛋白）： cytf, cytb6, Rieske铁硫蛋白， 17KD蛋白（功能不详） （2）电子传递顺序 PQH2 FeSR Cytf PC第26页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（3）cytb/f

15、复合体介导跨膜质子转移的机理Q循环 关于Cytb/f 复合体介导的跨膜质子转移的机理，Mitchell曾提出Q循环的假设：还原的PQH2将2个电子中的一个传给 Cytb6/f 复合体中的FeSR，再交给Cytf，进而传给 PC，与此同时，PQH2又将第二个电子交给低电位的b，并释放2个H+到膜腔内，电子由低电位的b传至高电位的b，再将电子传至PQ。经过两次电子循环后，PQ两次被还原，双还原的PQ又从膜外结合两个质子，并将其贮入质醌库中。第27页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一Q循环（1）Q循环（2）第28页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一3、

16、PC（质蓝素） 质蓝素(PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于Cyt b/f复合体与PS之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。 分子特点：Mr=10.5KD，含铜蛋白。在氧化还原时，在597nm处有可逆的吸收变化。PS复合体存在类囊体非堆叠的部分，PS复合体存在堆叠部分，而Cyt b/f 比较均匀地分布在膜中，因而推测PC通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子。 电子传递顺序： 绿藻：cytf PC P700 高等植物：cytf PC P700第29页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一第30页，共149页，2022年，5

17、月20日，17点20分，星期一（六）PSI结构与运转 1、PSI复合体组成 反应中心P700 电子受体 LHCI（捕光天线）第31页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、PSI反应中心的运转 P700：chla双分子体 A0：chla单分子体 A1：叶醌（维生素K1） FA, FB, FX: 三个铁硫中心，含12个Fe，12个S。 Fd: 是2Fe2S铁氧还蛋白P700A0A1FAFBFXfdNADP 假环式 cytb/f O2 PC O2-环式第32页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一PSI电子传递体及其动力学第33页，共149页，2022年，

18、5月20日，17点20分，星期一（七）光合磷酸化1、概念：在照光条件下，叶绿体把ADP与Pi形成ATP的过程。 2、机理： 第34页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一3.ATP合成的部位ATP酶 第35页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一4、光合磷酸化的抑制剂 (1)电子传递抑制剂 指抑制光合电子传递的试剂，如羟胺(NH2OH)切断水到PS的电子流，DCMU抑制从PS上的Q到PQ的电子传递；KCN和Hg等则抑制PC的氧化。一些除草剂如西玛津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除草定(bromacil)、异草定(isocil)等也是

19、电子传递抑制剂，它们通过阻断电子传递抑制光合作用来杀死植物。 (2)解偶联剂 指解除磷酸化反应与电子传递之间偶联的试剂。常见的这类试剂有DNP(二硝基酚)、CCCP(carbonyl cyanide-3-chlorophenyl hydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短杆菌肽D、尼日利亚菌素、NH等，这些试剂可以增加类囊体膜对质子的透性或增加偶联因子渗漏质子的能力，其结果是消除了跨膜的H+电化学势，而电子传递仍可进行，甚至速度更快(因为消除了内部高H浓度对电子传递的抑制)，但磷酸化作用不再进行。 (3)能量传递抑制剂 指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的试剂，如二环己基碳二亚胺(DCCD)、

20、对氯汞基苯(PCMB)作用于CF1，寡霉素作用于CFo(CFo 下标的o就是表明其对寡霉素oligomycin敏感)。它们都抑制了ATP酶活性从而阻断光合磷酸化。第36页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一光合电子传递链的三种抑制剂DCMU、DBMIB和百草枯的化学结构第37页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一叶绿体电子传递链的抑制剂作用位点： DCMU和DBMIB阻止电子传递反应，而还原态的百草枯自动氧化为基本离子，导致超氧和其他活性氧种类的形成。第38页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一二、碳同化1、C3途径： 光调节酶

21、： RuBP羧化酶NADP-磷酸甘油醛脱氢酶SBP酯酶 FBP酯酶 Ru5P激酶 第39页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一第40页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、C4途径第41页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一3、CAM途径第42页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一剑麻 龙舌兰落地生根第43页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一第二章 光合机构对环境的响应和适应第44页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 光合机构对环境的响应合适应，是目前光合作

22、用研究中的一个热点，它不仅涉及光合机构的调节控制，而且关系到作物的光合性能和生产能力，以及农业、环境等一系列重大问题。 在植物的进化过程中，光合作用机构也在不断进化。从细菌光合到植物光合就是一个重大进步。但这不意味着光合功能就此稳定下来一成不变了。当我们发现，从水域到陆地，从寒冷的极圈到炎热的赤道，从泥泞的沼泽到荒凉的沙漠，都可以发现靠自身光合作用而生存的植物，便会知道光合作用这一植物的基本功能是多么善于适应环境的变化啊！ 第45页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 适应（adaptation）: 在长期（几天、几周、几个月）变化了的环境中光合机构的形态、结构和功能上的

23、变化。 响应（response）：在短期（最多几小时）变化的环境中，光合功能的变化。 但有时二者难以严格区分。第46页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一一、光照（一）植物光合机构对光照条件的适应阴生植物与阳生植物光合机构比较 部位参数阳生植物阴生植物叶绿体体积正常偏大基粒类囊体多少chla/chlb高低叶片厚度厚薄气孔密度大小栅栏组织/海绵组织高低光合速率、光补偿点、光饱和点高低整体R/T大小第47页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（二）植物光合机构对光照条件的响应 短时间内光强的改变，光合机构具有一定的调节功能： 1、酶活性变化：激活或失活（

24、如C3途径中的光调节酶：RuBP羧化酶、NADP-磷酸甘油醛脱氢酶、SBP酯酶、FBP酯酶、Ru5P激酶。） 2、类囊体垛叠程度改变 3、叶绿体运动 4、叶片伸展角度改变 但这些调节是有一定限度的，当光强突然增加，植物来不及调节适应时，便会引起光抑制或光破坏。第48页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（三）强光对植物光合作用的影响光抑制1、光抑制现象 photoinhibition: 植物的光合机构所接受的光能超过光合作用所能利用的数量时，光合功能降低的现象。（1）光抑制的基本特征 A量子效率下降 B光饱和光合速率下降 CPS2电子传递效率下降 其中，量子效率是用来测定

25、光抑制程度的较好指标。 第49页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（2）植物对光抑制的敏感性 受植物遗传因素和环境条件影响。 阴生植物比阳生植物敏感 C3植物比C4植物敏感 当高温、低温、干旱、营养不足等胁迫因素存在时，植物对光抑制的敏感性增加。原因： 逆境下不利于光合作用进行，光能过剩程度加大； 不利于光胁迫破坏的修复。第50页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、光抑制的机理（1）光合机构的破坏 部位：PSII反应中心。按其发生的原初部位可分为： 受体侧光抑制： 常起始于还原型QA的积累。还原型QA的积累促使三线态P680(P680T)的形成

26、，而P680T可以与氧作用(P680T +O2P680 + 1O2)形成单线态氧(1O2)； 供体侧光抑制： 起始于水氧化受阻。由于放氧复合体不能很快把电子传递给反应中心，从而延长了氧化型P680(P680+)的存在时间。 680+和1O2都是强氧化剂，如不及时消除，它们都可以氧化破坏附近的叶绿素和D1蛋白，从而使光合器官损伤，光合活性下降。 第51页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 （2）活性氧的破坏作用 通过Mehler反应生成的活性氧，如果可被及时清除，则有防护作用；但是，如果不能被及时清除，会对叶绿体的膜蛋白、膜脂造成破坏。 （3）热耗散的增加 这是一种不发生

27、光合机构破坏的光抑制。量子效率的降低是由于天线色素或反应中心激发态叶绿素热耗散的增加引起的，反应中心复合体并不受到破坏。 这实际上也是一种对光合机构的保护机理。第52页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一3、光抑制后光合功能的恢复 光抑制引起的破坏与自身的修复过程是同时发生的，两个相反过程的相对速率决定光抑制程度和对光抑制的忍耐性。 当光抑制不太严重时，回到非胁迫条件下，几分钟到几个小时，光合功能可以恢复。光抑制严重时，则难以恢复。 第53页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 研究表明，恢复光合功能，需要对光破坏部位的修复。这种修复需要从膜上去掉被

28、破坏的部分，并用新的取而代之。研究表明，修复需要QB蛋白（D1蛋白）的从头合成。 实验证据：已知QB蛋白是由叶绿体基因编码，并在叶绿体内合成的蛋白质。采用氯霉素（chloramphenicol）,一种叶绿体蛋白质合成抑制剂处理，可以加剧光抑制，并且抑制恢复过程。 而采用环己亚胺（cycloheximide）,一种细胞质蛋白质合成抑制剂处理，不加剧光抑制，也不妨碍恢复过程。 此外，还有实验证明，QB蛋白的合成需要有稳定的mRNA库，即：要以已经存在mRNA位模板，而不是从转录开始的。其实验证据是： 采用利富平（rifampicin），一种质体中的转录抑制剂处理，既不加剧光抑制，也不妨碍修复。 光

29、合机构的修复需要弱光和合适的温度，以及维持适度的光合速率第54页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一4、光抑制破坏的防御（1）减少光能吸收，增加光能利用能力（减轻过剩程度） 形态学变化：如强光下叶片变小、变厚，天线色素减少。（减少吸收） 提高电子传递与碳同化能力（增加利用能力） 叶片运动：改变入射光的角度 叶绿体运动：以窄面对着阳光，减少吸收第55页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（2）通过状态转换，向PSI分配较多能量 高等植物的两个光系统，既在空间上独立，又在功能上相互联系，它们串联起来，才能完成Z链传递。任何一个系统效率降低，都会导致整个光

30、合效率的降低。因此，必需存在一套调节激发能分配的机制，来保证光合作用能够高效进行，并且对环境变化作出响应和适应。 第56页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 两种光能分配状态： 状态I：激发能向PSII分配增加的状态。（如用700nm，主要被PSI吸收的光照射小球藻，吸收的激发能向PSII分配比例增加） 状态II：激发能向PSI分配增加的状态。（如用650nm，主要被PSII吸收的光照射小球藻，吸收的激发能向PSI分配比例增加）。 机理天线移动假说： 当LHCII磷酸化，诱导状态II，激发能向PSI分配增加； 当LHCII脱磷酸化，诱导状态I，激发能向PSII分配增加。

31、 强光下，LHCII磷酸化后，便从PSII分布的基粒类囊体的垛叠区，向PSI分布的非垛叠区移动，扩大了PSI的捕光面积，使吸收的光能更多的向PSI分配。这样，就对比较脆弱的PSII形成一种保护。 通过状态转换来猝灭的程度，常用qT表示。 第57页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（3）围绕PSII的电子循环 Heber等1979年根据cytb559与PSII结合的特点及其氧化还原特性，提出了可能存在通过cytb559的围绕PSII的电子循环传递，并认为这种循环可以保护PSII不受过量光的伤害。 Falkowski(1986)、Thompson(1988)等用生理学和物理

32、学方法，证实了之一循环的存在。此循环是由醌提供电子给cytb559,后者把电子传给chlz（联接天线和PSII反应中心的辅助叶绿素），chlz再把电子传给P680。 电子是从QB经Cytb559，然后再回到P680。即： P680PheoQAQBCytb559ChlzP680 也有实验指出PS中环式电子传递为： P680 Cytb559 Pheo P680 Falkowski估算，在饱和光照下，又15的电子走这条循环传递途径。 此外，在光能过剩的情况下，围绕PSI的循环电子传递，也可对PSII提供有效的保护。第58页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（4）形成跨膜质子梯

33、度类囊体膜能量化（类囊体腔酸化） 叶绿体在光下，由于水的裂解和跨膜质子交换，在类囊体膜两侧可以产生高达3个pH梯度的质子差，这种状态叫做膜的能量化。 光合磷酸化所必需 耗散过量光能：这是保护光合机构免受光氧化破坏的重要机制，被称为能量猝灭（qE），其程度常用chla的荧光参数NPQ来度量。 第59页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一其机理是： 降低1chl的寿命，从而减少PSII反应中心和LHCII种1O2的产生； 阻止类囊体膜的过度酸化和长寿命P680的产生； 降低PSI将O2还原为O2.的速率。 形成跨膜pH梯度，导致LHCII构象变化，增加了chl之间、chl与叶

34、黄素之间的相互作用，促进叶黄素循环，从而促进了猝灭作用。第60页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（5）叶黄素循环 Yamamoto等（1962）报道了植物体内存在着叶黄素循环，但其功能一直不清楚。直到1990年，Demmmig-Adams等，证明了这一循环与类囊体膜的能量化一起，共同调节能量耗散过程。 叶黄素循环是指叶黄素的三个组分依光照及其它条件的改变而相互转化。 当出现过剩光能时，紫黄质便会在环氧化酶的作用下，通过中间体环氧玉米黄质转化为去环氧的玉米黄质。此过程为叶黄素循环的去环氧化。玉米黄质可直接猝灭激发态叶绿素或通过改变类囊体膜的流动性及促进PS的LHC聚集来

35、增加非辐射能量耗散。当光能不再过剩时，则向相反的方向转化，结果玉米黄质减少，紫黄质增加。非辐射能量耗散的增加不可避免地导致光能转化效率的下降，但它却能减轻甚至避免过剩光能对光合机构的破坏，因此这种光抑制被认为是光合机构为适应强光所付出的必要代价，被称为光合作用的下调（down regulation）。 第61页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 高光强，低pH(6.5),玉米黄质环氧化酶 第62页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一叶黄素循环第63页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 耗能机理：玉米黄质是类胡萝卜素的一种，各

36、种类胡萝卜素的单线态的能量高低，取决于其分子中共轭双键的多少，共轭双键多，则其单线态能量低。 紫黄质（Vio） 环氧玉米黄质 玉米黄质共轭双键： 9个 10个 11个能量： 高 中 低 叶黄素循环受底物抗坏血酸(AsA)的调节，被低浓度DTT特异抑制。 目前，人们常用antherxanthin+Zea /Vio+antherxanthin+Zea比值，来表示有机体中的脱环氧化状态。第64页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（6）PSII的异质化和反应中心的失活周转 近几年的研究表明，植物体内PSII反应中心不是均一的，具有异质性（多样性），这些不同状态的反应中心和PSI

37、I的失活周转共同参与了过量能量的耗散。 PSII非均一性： PSIIQB-reducing: 可还原中心，具有电子传递能力，占7580。可随光强而变化。强光时减少，弱光时增多。 PSIIQB-nonreducing: 不可还原中心，不具有电子传递能力，即不能进行QAQB间的电子传递。占2025。可随光强而变化。强光时增多，弱光时减少。 目前认为，类囊体中存在一些无活性的PSII，不能进行QAQB间的电子传递，但它与周围有活性的PSII有很好的连接，主要行使热耗散功能，在过量光解除后，一部分失活的PSII可以复活。第65页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（7）光呼吸 C

38、3植物的光呼吸具有很高的能量需求，可以耗去很多能量，防止强光和CO2亏缺条件下的光抑制。 长期以来，光呼吸被认为是“无效”耗能过程，人们试图通过抑制光呼吸来提高光合速率和作物产量的努力，均难以奏效。但近年来越来越多的证据表明光呼吸在耗散过剩光能保护光合机构免于光破坏中起重要作用。光呼吸的保护作用大致通过四条途径实现：第66页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 光呼吸释放1分子CO2比光合碳同化固定1分子CO2多消耗两倍的化学能量，当碳同化不能及时利用化学能量时，光呼吸的耗能运转可以减少过剩光能的积累； 光呼吸循环加速了磷的周转利用，从而避免了光合作用的无机磷限制； 光呼

39、吸释放的CO2和再生的3一磷酸甘油酸可以重新进入卡尔交循环，维持一定的光合速率； 光呼吸降低Mehler反应速率，有利于减轻O2等活性氧的潜在危害，而且比Mehler反应的光保护作用更有效。第67页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（8）H2O-H2O循环Mehler反应： 2e SOD PSI 2O2 2O2- O2 + H2O2 4e CATAsA-POD PSII H2O + O2 2H2O O2第68页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一Mehler的保护作用需要清除活性氧的酶系统协同运转，否则，造成伤害。 在这个过程中，PSII中水光解所

40、产生的电子，通过PSI传递给O2，最终又还原成H2O, 其中没有氧的释放。因此： PSI受体侧对O2的直接还原生成O2- ，后者又被SOD和过氧化物酶作用生成H2O, 这种在叶绿体中O2的光还原最终生成H2O的过程，叫做H2OH2O循环。径第69页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一5、研究光抑制的主要生理方法 （1）气体交换法 应用IRGA或叶园片氧电极测定CO2同化或O2释放的量子效率，根据叶片的光合作用对光的响应曲线，来区分PSII反应中心破坏引起的光抑制和热耗散增加引起的光抑制。 （2）荧光分析 单列一章来讲。 （3）特定波长下光吸收的测定 A505：通过测定完整

41、叶片照光前后的A505，来反应玉米黄质的形成。强光处理常使A505增大。A320：320nm光吸收的变化主要反映QA还原情况，它是光抑制破坏的一个良好指标。光抑制处理后，A320减少，表明反应中心电荷分离受抑（即还原态QA减少了）。A830：830nm光吸收的变化，反映PSII在光合放氧中的周转情况。在光抑制过程中，菠菜叶片类囊体膜碎片的A830和放氧速率同步下降，表明光抑制主要是反应中心丧失了电荷分离能力。第70页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一二、温度 温度是影响光合机构最为频繁的环境因素，光合作用的暗反应属于酶促反应，很易受到温度的影响。 1、光合机构对高、低温

42、的适应与叶绿体膜的稳定性有关 膜的稳定性取决于膜的不饱和脂肪酸的比例和膜的流动性。热带植物热稳定性高，膜脂相变温度也高，耐热不耐冷。第71页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、光合机构对低温、冰冻的适应机制 可溶性蛋白积累； 糖蛋白增加； Rubisco结构和催化活性改变。制3、高温对光合机构的损伤部位 PSII反应中心及其氧化侧的类囊体膜。 热激蛋白对高温下的PSII具有保护作用。第72页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一三、水分 水是光合作用的原料，但仅占吸收量的一少部分。但间接作用很大。 1、缺水 轻度缺水：气孔关闭 CO2进入叶内减少

43、光合下降（气孔限制）。 严重缺水：气孔关闭（气孔限制）光合机构损伤（非气孔限制） 植物对缺水的适应机制： 限制叶片扩展 产生叶面覆盖物：茸毛、蜡质、盐类结晶 减少光能吸收：叶片运动、叶绿体运动 减少水分蒸腾 提早开花结实：如沙漠的短命植物。第73页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、水分过多 根系活力受阻； 电子传递效率下降； NADP还原受阻制第74页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一四、空气 光合作用的原料CO2来源于空气，一般空气中的CO2浓度位300400ppm。1、CO2浓度与光合作用 空气中的CO2浓度远远低于C3植物的饱和点，因此

44、，CO2浓度常常是C3植物光合作用的主要限制因素。因此，采用CO2施肥可以取得明显效果。C4植物由于存在一个碳二羧酸循环途径，使VBS细胞中CO2浓度成倍增加，通常条件下，CO2浓度不是其光合限制因子。第75页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 2、长期高CO2浓度对光合机构的影响 化石燃料的大量使用，造成空气中CO2浓度不断增加，引起温室效应，会对生物界和人类社会发生深刻的影响。因此，植物生理学家非常关注这种CO2浓度增加对植物的影响。长期：几个星期几个月 高浓度：700ppm左右（比现在增加1倍）第76页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（1

45、）光合速率 CO2浓度增加可减少O2对Rubisco的竞争，从而使叶片的光合速率升高。 然而，存在这样一种现象：光合作用下调（驯化、适应）。 “down regulation of photosynthesis or photosynthetic acclimation”: 即在同样的CO2浓度下测定，高CO2浓度下生长的植物，其光合速率低于普通空气下生长的植物。不论在普通空气下测定还是在高CO2浓度下测定均如此。第77页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（2）光合酶系 在高CO2浓度下，叶片的可溶性蛋白含量、Rubisco的含量与活性均表现下降趋势。（3）光化学系统

46、chl含量下降，chla/chlb比值、PSII量子效率变化不大。（4）光合产物积累与分配 长期生长在高CO2浓度下，导致淀粉积累、蔗糖合成增加。 对光合产物的分配影响与N素营养有关： 高N，高CO2浓度下：光合产物输出减少 低N，高CO2浓度下：光合产物输出增多第78页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（4）光呼吸和暗呼吸 光呼吸：降低。与CO2与O2对Rubisco的竞争有关暗呼吸：降低。第一是由于CO2固定增加，使观测 到的呼吸速率相对减少；第二是由于CO2 影响细胞pH，进而影响呼吸酶系统的活 性。第79页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期

47、一五、矿质营养 N、P、K不足：光合下降。主要是酶活性下降Mg、Fe不足：减少chl合成Ca、Mn不足：影响光合放氧重金属过多：抑制PSII活性、降低电子传递效 率，抑制非环式光合磷酸化。同 时影响酶活性。第80页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一第三章 逆境下光合作用的限制部位 从上一章所述可知，几乎所有的不良环境都会导致光合速率的下降，那么，这些环境胁迫是如何引起叶片光合速率下降的呢？是在CO2从空气向叶绿体羧化部位的传导过程中，还是在CO2的固定、还原过程中？还是在同化力形成过程中？如果能对这些问题作出满意的回答，对于深入了解光合作用的调控机理，获得高产、优质、高

48、效是非常有益的。第81页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一一、光合作用的气孔限制和非气孔限制（一）限制因子定律 限制因子定律：如果一个过程受多种因子的制约，则这些因子中处于最低水平或最不能满足过程要求的因子，将成为限制整个过程速度的关键因子。只有提高了限制因子的水平，整个过程的速度才能加。 水桶理论模型。第82页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一第83页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（二）蒸腾与光合过程中水气和CO2扩散阻力的分析 从生态生理角度来看，光合与蒸腾分别是水分子和CO2通过叶片的内外交换过程，其主要通道是气

49、孔，光合与蒸腾速率可分别用CO2和水蒸气分子的扩散通量来表示（mol.s-1）。扩散的动力是叶内外气体的浓度差。 按照费克扩散定律，扩散途径中气体的扩散通量与扩散途径的浓度差成正比，而与扩散阻力成反比。第84页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一对于蒸腾速率，其关系式是： C Tr r C=CiCa 对于光合作用： C Pn r C=CaCi径第85页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 但是，光合作用的情况与蒸腾作用不同，CO2从大气进入叶肉并没有完成扩散的全过程，CO2必须到达叶绿体的羧化部位，才能被同化，才算完成了扩散。CO2在液相中的扩散阻力

50、更大。所以，光合和蒸腾的总阻力是明显不同的。 这个问题与分段电路中的欧姆定律相似，可把总阻力分成若干小段，分别加以考察。在同一扩散途径中，各阻力可视为串联，而不同扩散途径（如气孔扩散与角质扩散）阻力可视为并联。在同一扩散途径的各个小段，其扩散通量（相当于电流）是相等的。第86页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一按照以上原则，可把扩散阻力分为以下几段： 1、界面层阻力rL和rL: 指叶面空气滞留层对气体扩散造成的阻力。它与叶表面的性质、叶片大小、风速等有关。 2、气孔阻力rs和rs: 指气孔对气体扩散的阻力，其大小取决于气孔密度、孔口大小和张开度。 3、叶肉阻力rm: 指

51、CO2在叶肉细胞扩散的阻力。 rm 包括：细胞壁阻力 原生质膜阻力 细胞溶质阻力 叶绿体被膜阻力 羧化阻力（其倒数是羧化效率）第87页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一根据以上原则，蒸腾和光合阻力的表达式为： CiCa Tr rL rs CaCi CaCchl Pn rLrs rLrsrm第88页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 (三)扩散阻力与导度的测量原理 根据以上的分析，可用仪器测量出几个关键参数，并计算各种阻力的值。 1、水的扩散阻力与导度根据上边的式子，水气扩散的气孔阻力为： CiCa rs rL Tr第89页，共149页，2022年

52、，5月20日，17点20分，星期一式中：Ca是空气中的水气密度，可用湿度计测出； Ci是细胞间隙的水蒸气密度，常把它看作当时叶温下的饱和水蒸气密度，可测定叶温，查表求出； Tr是蒸腾速率，可用仪器测出； rL是界面层阻力。可用模拟的方法测出。以湿的滤纸代替叶片，其水分散失相当于完全没有表皮细胞的裸露叶肉细胞，可看成rs0，这种情况下，按照公式： C Tr rL C rL Tr 式中，C以纸片温度下的饱和水气密度与空气中水气密度之差来表示。 第90页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 近年来，学者们更多的用导度来代替阻力，两者的关系正如电导与电阻的关系，互为倒数。 gs1

53、/rs (气孔导度) gm=1/rm （叶肉导度） 其优点是导度与通量成正比直线关系，容易进行数据处理。而阻力与通量则为双曲线关系，数据处理常有不便。第91页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、CO2的扩散阻力与导度 上边是对水气分子扩散阻力的计算，对于CO2分子的阻力，不可用上述方法直接算出。因为叶肉细胞的CO2浓度Ci无法估计，直接测定则难度较大。而用简介的方法计算比较方便。 由于气体分子的扩散系数大小与其分子量的平方根成反比，而CO2与水分子经过同样的气孔扩散，那么，CO2受到的扩散阻力就相当于水分子阻力的1.56倍。 44-2 =1.56 18-2 由于CO2

54、进入气孔的同时，水分子向外扩散，故CO2进入的阻力会加大，Cowan根据实验，把它修正为1.6。 rs=1.6rs 第92页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 对于界面层阻力，此系数为1.37。因为界面层内的扩散，不仅取决于气体分子的大小，还与气体分子的湍流传输有关。即： rL=1.37rL 于是，CO2在气相中扩散的总阻力为： r=1.6rs+1.37rL 明确以上关系后，即可计算Ci:由于： Pn=(Ca-Ci)/ r 得： Ci=CaPnr CaPn/g 因为r与g互为倒数：g1/r第93页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 (四)气孔限制

55、值的计算 在研究光合速率与光强、CO2的关系时，人们常用光合作用的光响应曲线（PFDPn曲线）、光合作用的CO2响应曲线(CaPn曲线)来进行分析。自从测定气孔导度的仪器问世以后，由于能够间接测算出Ci（细胞器间隙CO2浓度），便可绘出CiPn曲线。通过比较CaPn曲线和CiPn曲线的差别，区分气孔因素和叶肉因素（非气孔因素）对光合的影响。第94页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、CO2-Pn响应曲线第95页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 比较上述两条曲线可见，在同样的CO2范围内，CaPn曲线的光合速率，总是低于CiPn曲线。这种降低显

56、然是由于气孔对CO2扩散的限制所致。 以CO2浓度相当于空气中CO2浓度340 mol . L-1 为例，若叶肉细胞达到此浓度，Pn可达到A0值，然而，若空气中达到该浓度，Pn仅为A值，AoA之差，是气孔阻力所造成的。其实质是在空气保持这一浓度时，叶肉细胞间隙CO2浓度实际上只有Ci, 两者的浓度之差，正是气孔阻力造成的。这样，可以根据图中的数据，进行气孔限制值的计算。第96页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 1、根据CO2浓度差值计算 Caci Ci Ls= = 1 Ca Ca 当气孔完全关闭时，可设想Ci=0，Ls=1 当气孔完全开放时，Ci=Ca，Ls=0 所以

57、，Ls在0于1之间变动。 但是,这种计算方法只适应于CO2为限制因子的情况,即Pn-CO2曲线的直线上升阶段。因为两者成直线关系，CO2浓度可代表光合速率。随着曲线的弯曲，就不能再用CO2浓度的变化来表示光合速率的变化。换句话说，光合速率的变化不完全是CO2供应限制的结果。这种情况下，应该用实际光合值来表示。第97页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一2、根据A计算 这是Farquhar和Sharkey发展的方法，计算简便。根据上图： Ls=(A0A)/Ao =1A/Ao Ao:是Ci=Ca时的Pn,或气孔阻力为0时的光合速率 A：是空气中CO2浓度为Ca时的Pn，即在气

58、孔阻力作用下，由于CO2扩散受到限制而使光合达到的实际值。 AoA：是气孔限制造成的光合下降。 此法可以避免对气孔限制值的过分估计，氮存在两个缺点： （1）需要测定Pn-ci和Pn-Ca两条曲线，较烦杂 （2）逆境下，Pn太低，甚至为负值，此时侧难以估计Ls。第98页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一（五）逆境条件下光合作用气孔限制和非气孔限制判断 根据以上气孔限制的理论分析，可以区分不同情况下光合作用的主要限制因子。例如，干旱条件下，光合作用下降，气孔导度也下降，但是，不能就据此推论是气孔影响的结果，应区别情况进行分析。 1、当轻度水分胁迫时：气孔导度下降，而叶肉细胞

59、仍活跃进行光合，则Ci应明显降低，Ls值升高。 2、当严重干旱胁迫时：叶肉细胞光合能力受损，即便gs较低情况下，Ci可升高或不变，此时Ls降低。光合作用气孔限制与非气孔限制的判断：参数气孔限制非气孔限制Pn下降下降Gs下降下降Ci下降上升或不变Ls升高下降第99页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一实例：鲁豆4号鼓粒期光合特性 处理AoAGs（m s-1）Ci(l L-1)Ls(%)叶肉导度CK29.1190.78286.717.50.1185轻度干旱22.214.30.37274.018.90.0896中度干旱12.89.20.15244.228.90.0635严重干旱

60、1.720.970.05287.32.30.0132A: mol m-2 s-1叶肉导度：A/Ci 第100页，共149页，2022年，5月20日，17点20分，星期一 从表中可以看出，随着水分胁迫的加重，A下降，gs也下降，但不能断定A下降就是gs下降造成的。 Ci: 从CK到中度胁迫一直下降，严重干旱时又升高； Ls: 从CK到中度胁迫一直上升，严重干旱时又下降； 叶肉导度：从CK到中度胁迫下降，但幅度不大，严重胁迫时急剧下降。 上述结果表明：在中度水分胁迫之前，水分亏缺虽然也影响叶肉细胞的光合能力，使叶肉导度和A下降，但起主导作用的是气孔关闭，即一气孔限制为主。（可从Ci下降、Ls上升证