第四章土壤养分

第四章土壤养分第1页，共44页，2023年，2月20日，星期四一、光合作用(photosynthesis)概念CO２+2H２A光光养生物(CH２O)+2A+H２O(4)H2A代表一种还原剂，可以是H２O、

H2S、有机酸等。CO２+2H２O*

光绿色植物(CH２O)+O2*+H２O(2)CO２+H２O光绿色植物

(CH２O)＋O２(1)绿色植物利用光能把CO２和水合成有机物，同时释放氧气的过程。光养生物利用光能把CO２合成有机物的过程。CO２+2H２S光光合硫细菌(CH２O)+2S+H２O(3)光合细菌

利用光能，以某些无机物或有机物作供氢体，把CO２合成有机物的过程。比较绿色植物和光合细菌的光合方程式，得出光合作用的通式：第2页，共44页，2023年，2月20日，星期四二、光合作用的意义CO２+H２O→(CH２O)＋O２(△G=478kJ/mol)44183032重量比1.把无机物变为有机物约合成5千亿吨/年有机物“绿色工厂”吸收2千亿吨/年碳素(6400t/s)2.把太阳能转变为可贮存的化学能

将3.2×1021J/y的日光能转化为化学能3.维持大气中O2和CO2的相对平衡释放出5.35千亿吨氧气/年“环保天使”光合作用是生物界获得能量、食物和氧气的根本途径

光合作用是“地球上最重要的化学反应”第3页，共44页，2023年，2月20日，星期四

因此深入探讨光合作用的规律，揭示光合作用的机理，使之更好地为人类服务，愈加显得重要和迫切。

人类面临四大问题人口急增食物不足资源匮乏环境恶化依赖光合生产第4页，共44页，2023年，2月20日，星期四第二节叶绿体和光合色素一、叶绿体叶绿体(chloroplast)是光合作用最重要的细胞器。它分布在叶肉细胞的细胞质中。小麦叶横切面第5页，共44页，2023年，2月20日，星期四Chlor被膜完整度较高(一)叶绿体的分离１.从叶片中直接分离(机械法)

叶

片匀

浆细胞液

叶绿体匀浆化0.4mol/L糖醇pH7.6±,0～4℃过滤匀浆4～8层纱布或100目尼龙纱布分级离心500g去沉淀，3000g去上清液，沉淀悬浮，冰浴保存２.从原生质体分离(酶解法)酶解果胶酶,纤维素酶0.5mol／L甘露醇pH5.0～pH5.540℃,振荡叶组织原生质体质膜与细胞器叶绿体<20μm尼龙网离心挤压第6页，共44页，2023年，2月20日，星期四(二)叶绿体的发育、形态及分布1.发育2.形态3.分布4.运动高等植物的叶绿体由前质体发育而来。当茎端分生组织形成叶原基时，前质体的双层膜中的内膜在若干处内折并伸入基质扩展增大，在光照下逐渐排列成片，并脱离内膜形成类囊体，同时合成叶绿素，使前质体发育成叶绿体。第7页，共44页，2023年，2月20日，星期四1.发育

2.形态

3.分布

4.运动高等植物的叶绿体大多呈扁平椭圆形，每个细胞中叶绿体的大小与数目依植物种类、组织类型以及发育阶段而异。一个叶肉细胞中约有20至数百个叶绿体，其长3～6μm，厚2～3μm。水稻叶绿体玉米叶绿体第8页，共44页，2023年，2月20日，星期四1.发育

2.形态3.分布

4.运动叶肉细胞中的叶绿体较多分布在与空气接触的质膜旁，在与非绿色细胞(如表皮细胞和维管束细胞)相邻处，通常见不到叶绿体。这样的分布有利于叶绿体同外界进行气体交换。棉叶栅栏细胞叶绿体第9页，共44页，2023年，2月20日，星期四1.发育

2.形态

3.分布

4.运动随原生质环流运动随光照的方向和强度而运动。在弱光下，叶绿体以扁平的一面向光；在强光下，叶绿体的扁平面与光照方向平行。叶绿体随光照的方向和强度而运动侧视图俯视图第10页，共44页，2023年，2月20日，星期四(三)叶绿体的基本结构叶绿体被膜基质(间质)类囊体(片层)第11页，共44页，2023年，2月20日，星期四1.叶绿体被膜由两层单位膜组成，两膜间距5～10nm。被膜上无叶绿素，主要功能是控制物质的进出，维持光合作用的微环境。膜对物质的透性受膜成分和结构的影响。膜中蛋白质含量高，物质透膜的受控程度大。外膜

磷脂和蛋白的比值是3.0(w/w)。密度小(1.08g/ml)，非选择性膜。分子量小于10000的物质如蔗糖、核酸、无机盐等能自由通过。内膜

磷脂和蛋白的比值是0.8（w/w）密度大(1.13g/ml),选择透性膜。CO2、O2、H2O可自由通过；Pi、磷酸丙糖、双羧酸、甘氨酸等需经膜上的运转器才能通过；蔗糖、C5、C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物质则不能通过。第12页，共44页，2023年，2月20日，星期四2.基质及内含物基质中能进行多种多样复杂的生化反应含有还原CO2(Rubisco1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶)与合成淀粉的全部酶系——碳同化场所

含有氨基酸、蛋白质、DNA、RNA、还原亚硝酸盐和硫酸盐的酶类以及参与这些反应的底物与产物——N代谢场所

脂类(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(叶绿素类、细胞色素类)和萜类(类胡萝卜素、叶醇)等物质及其合成和降解的酶类——脂、色素等代谢场所基质是淀粉和脂类等物的贮藏库——

淀粉粒与质体小球基质：被膜以内的基础物质。以水为主体，内含多种离子、低分子有机物，以及多种可溶性蛋白质等。将照光的叶片研磨成匀浆离心，沉淀在离心管底部的白色颗粒就是淀粉粒。质体小球又称脂质球或亲锇颗粒，在叶片衰老时叶绿体中的膜系统会解体，此时叶绿体中的质体小球也随之增多增大。第13页，共44页，2023年，2月20日，星期四

3.类囊体

类囊体分为二类：基质类囊体

又称基质片层，伸展在基质中彼此不重叠；

基粒类囊体

或称基粒片层，可自身或与基质类囊体重叠，组成基粒。堆叠区

片层与片层互相接触的部分，

非堆叠区

片层与片层非互相接触的部分。由单层膜围起的扁平小囊。膜厚度5～7nm，囊腔空间为10nm左右，片层伸展的方向为叶绿体的长轴方向1.膜的堆叠意味着捕获光能机构高度密集,更有效地收集光能。2.膜系统常是酶排列的支架，膜的堆叠易构成代谢的连接带，使代谢高效地进行。类囊体片层堆叠成基粒是高等植物细胞所特有的膜结构,它有利于光合作用的进行。类囊体片层堆叠的生理意义玉米第14页，共44页，2023年，2月20日，星期四(四)类囊体膜上的蛋白复合体蛋白复合体：由多种亚基、多种成分组成的复合体。主要有四类：即光系统Ⅰ（PSI）、光系统Ⅱ（PSⅡ）、Cytb６/f复合体和ATP酶复合体（ATPase）。类囊体膜的蛋白质复合体参与了光能吸收、传递与转化、电子传递、H+输送以及ATP合成等反应。由于光合作用的光反应是在类囊体膜上进行的，所以称类囊体膜为光合膜。第15页，共44页，2023年，2月20日，星期四光+CO2O2+CH2O低渗光+Fe3+O2Hill反应离心光合膜基质完整叶绿体破损叶绿体光+Fe3+O2CO2CH2O证实叶绿体中CO2同化和光合放氧反应部位的实验问题：如何证明CO2同化场所是在叶绿体的基质，而光合放氧反应是在叶绿体的膜上进行？第16页，共44页，2023年，2月20日，星期四二、光合色素在光合作用的反应中吸收光能的色素称为光合色素图5主要光合色素的结构式叶绿素类胡萝卜素藻胆素——高等植物藻类共同特点：分子内具有许多共轭双键，能捕获光能，捕获光能能在分子间传递。第17页，共44页，2023年，2月20日，星期四(一)光合色素的结构和性质叶绿素是双羧酸的酯，一个羧基被甲醇所酯化，另一个羧基被叶绿醇所酯化。叶绿素a与b的不同之处是叶绿素a比b多两个氢少一个氧。两者结构上的差别仅在于叶绿素a的第Ⅱ吡咯环上一个甲基(－CH3)被醛基(－CHO)所取代。叶绿素结构含有由中心原子Mg连接四个吡咯环的卟林环结构和一个使分子具有疏性长的碳氢链。1.叶绿素使植物呈现绿色的色素。叶绿素a叶绿素b叶绿素c叶绿素d高等植物藻类中细菌叶绿素——叶绿素光合细菌第18页，共44页，2023年，2月20日，星期四叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇(植醇)的“尾巴”。卟啉环由四个吡咯环与四个甲烯基(－CH＝)连接而成。卟啉环的中央络合着一个镁原子，镁偏向带正电荷，与其相联的氮原子带负电荷，因而“头部”有极性。另外还有一个含羰基的同素环（Ⅴ环上含相同元素），其上一个羧基以酯键与甲醇相结合。环Ⅵ上有一个丙酸侧链以酯键与叶绿醇相结合，叶绿醇是由四个异戊二烯单位所组成的双萜，具有亲脂性。卟啉环上的共轭双键和中央镁原子容易被光激发而引起电子的得失，这决定了叶绿素具有特殊的光化学性质。叶绿醇卟啉环第19页，共44页，2023年，2月20日，星期四叶绿素是一种酯，因此不溶于水。通常用含有少量水的有机溶剂如80％的丙酮，或者95%乙醇，或丙酮∶乙醇∶水＝4.5∶4.5∶1的混合液来提取叶片中的叶绿素，用于测定叶绿素含量。之所以要用含有水的有机溶剂提取叶绿素，这是因为叶绿素与蛋白质结合牢，需要经过水解作用才能被提取出来。叶绿素的提取研磨法提取光合色素提取方法研磨法浸提法0.1g叶+10ml混合液浸提第20页，共44页，2023年，2月20日，星期四去镁叶绿素中的H＋再被Cu2+取代，就形成铜代叶绿素，颜色比原来的叶绿素更鲜艳稳定。卟啉环中的镁可被H+所置换。当为H＋所置换后，即形成褐色的去镁叶绿素。根据这一原理可用醋酸铜处理来保存绿色标本。铜代叶绿素反应向叶绿素溶液中放入两滴5％盐酸摇匀，溶液颜色的变为褐色，形成去镁叶绿素。当溶液变褐色后，投入醋酸铜粉末，微微加热，形成铜代叶绿素制作绿色标本方法：用50%醋酸溶液配制的饱和醋酸铜溶液浸渍植物标本(处理时可加热)第21页，共44页，2023年，2月20日，星期四2.类胡萝卜素(carotenoid)

是由8个异戊二烯形成的四萜，含有一系列的共轭双键，分子的两端各有一个不饱和的取代的环己烯，也即紫罗兰酮环，类胡萝卜素包括胡萝卜素(C40H56)和叶黄素(C40H56O2)两种。3(紫罗兰酮环)环己烯橙黄色黄色第22页，共44页，2023年，2月20日，星期四

胡萝卜素(carotene)呈橙黄色，有α、β、γ三种同分异构体，其中以β-胡萝卜素在植物体内含量最多。β-胡萝卜素在动物体内经水解转变为维生素A。叶黄素(xanthophyll)呈黄色，是由胡萝卜素衍生的醇类，也叫胡萝卜醇,通常叶片中叶黄素与胡萝卜素的含量之比约为2:1。一般来说，叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为3∶1，所以正常的叶子总呈现绿色。秋天或在不良的环境中，叶片中的叶绿素较易降解，数量减少，而类胡萝卜素比较稳定，所以叶片呈现黄色。类胡萝卜素总是和叶绿素一起存在于高等植物的叶绿体中，此外也存在于果实、花冠、花粉、柱头等器官的有色体中。类胡萝卜素都不溶于水,而溶于有机溶剂。深秋树叶变黄是叶中叶绿素降解的缘故第23页，共44页，2023年，2月20日，星期四吸收光谱的观察方法；1.分光仪

将叶绿体色素放在分光仪的光孔前，观察其色带变化。2.分光光度计观察叶绿体色素的吸收光谱3.间接法借助其它相关实验进行判别(二)光合色素的吸收光谱分光仪光源叶绿体色素三角棱镜第24页，共44页，2023年，2月20日，星期四640～660nm的红光430～450nm的蓝紫光叶绿素a在红光区的吸收峰比叶绿素b的高，蓝紫光区的吸收峰则比叶绿素b的低。阳生植物叶片的叶绿素a/b比值约为3∶1，阴生植物的叶绿素a/b比值约为2.3∶1。对橙光、黄光吸收较少，尤以对绿光的吸收最少。叶绿素吸收光谱有两个强吸收峰区第25页，共44页，2023年，2月20日，星期四藻蓝素的吸收光谱最大值是在橙红光部分藻红素则吸收光谱最大值是在绿光部分植物体内不同光合色素对光波的选择吸收是植物在长期进化中形成的对生态环境的适应，这使植物可利用各种不同波长的光进行光合作用。类胡萝卜素和藻胆素的吸收光谱类胡萝卜素吸收带在400～500nm的蓝紫光区基本不吸收黄光，从而呈现黄色。第26页，共44页，2023年，2月20日，星期四(三)叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系1.叶绿素的生物合成

参与反应的酶类：(1)胆色素原合成酶；(2)胆色素原脱氨基酶；(3)尿卟啉原Ⅲ合成酶；(4)尿卟啉原Ⅲ脱羧酶；(5)粪卟啉原氧化酶；(6)原卟啉氧化酶；(7)Mg-螯合酶；(8)Mg-原卟啉甲酯转移酶；(9)Mg-原卟啉甲酯环化酶；(10)乙烯基还原酶；(11)原叶绿素酸酯还原酶；(12)叶绿素合成酶·表示δ-氨基酮戊酸的C-5的去向第27页，共44页，2023年，2月20日，星期四合成叶绿素分子中的吡咯环的起始物质是δ-氨基酮戊酸(δ-氨基乙酰丙酸ALA），在高等植物中ALA由谷氨酸转化而来。叶绿素合成过程(1)2分子ALA脱水缩合形成1分子具有吡咯环的胆色素原；(2)、(3)4分子胆色素原脱氨基缩合形成1分子尿卟啉原Ⅲ，合成过程按A→B→C→D环的顺序进行；(4)尿卟啉原Ⅲ四个乙酸链脱羧形成有四个甲基的粪卟啉原Ⅲ(5)、(6)粪卟啉原Ⅲ再脱羧、脱氢，氧化形成原卟啉Ⅸ；(7)原卟啉Ⅸ与镁结合形成Mg-原卟啉Ⅸ;(8)Mg-原卟啉Ⅸ的一个羧基被甲基所酯化；(9)、(10)在Mg-原卟啉Ⅸ上形成第五个环，接着B环上的－CH2=CH2侧链被还原为－CH2－CH3，即形成原叶绿酸酯；(11)经光还原，D环上接受NADPH提供的H，形成叶绿酸酯a，这一过程是在一种色素蛋白复合体上进行的；(12)D环上的丙酸为20个C的牻牛儿基牛牻牛儿基焦磷酸酯化，后者由NADPH提供H还原成叶绿醇，这样就形成了叶绿素a。叶绿素b则是由叶绿素a氧化形成的。第28页，共44页，2023年，2月20日，星期四2.影响叶绿素形成的条件（1）光光是影响叶绿素形成的主要条件。从原叶绿素酸酯转变为叶绿酸酯需要光，而光过强，叶绿素又会受光氧化而破坏。黑暗中生长的幼苗呈黄白色，遮光或埋在土中的茎叶也呈黄白色。这种因缺乏某些条件而影响叶绿素形成，使叶子发黄的现象，称为黄化现象。黑暗使植物黄化的原理常被应用于蔬菜生产中，如韭黄、软化药芹、白芦笋、豆芽菜、葱白、蒜白、大白菜等生产。第29页，共44页，2023年，2月20日，星期四

(2)温度

高温下叶绿素分解大于合成，因而夏天绿叶蔬菜存放不到一天就变黄；相反，温度较低时，叶绿素解体慢，这也是低温保鲜的原因之一

叶绿素的生物合成是一系列酶促反应，受温度影响。叶绿素形成的最低温度约2℃，最适温度约30℃,最高温度约40℃。受冻的油菜秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白，都与低温抑制叶绿素形成有关。第30页，共44页，2023年，2月20日，星期四(3)营养元素叶绿素的形成必须有一定的营养元素。氮和镁是叶绿素的组成成分，铁、锰、铜、锌等则在叶绿素的生物合成过程中有催化功能或其它间接作用。因此，缺少这些元素时都会引起缺绿症，其中尤以氮的影响最大，因而叶色的深浅可作为衡量植株体内氮素水平高低的标志。缺N老叶发黄枯死，新叶色淡,生长矮小，根系细长，分枝（蘖）减少。缺NCK萝卜缺N的植株老叶发黄缺N第31页，共44页，2023年，2月20日，星期四棉花缺Mg网状脉苹果缺Fe新叶脉间失绿黄瓜缺锰叶脉间失绿柑桔缺Zn小叶症

伴脉间失绿第32页，共44页，2023年，2月20日，星期四(4)遗传叶绿素的形成受遗传因素控制，如水稻、玉米的白化苗以及花卉中的斑叶不能合成叶绿素。有些病毒也能引起斑叶。吊兰海棠问题：指出植物有哪些黄化现象，并分析产生的原因。花叶第33页，共44页，2023年，2月20日，星期四植物体内的叶绿素在代谢过程中一方面合成，一方面分解，在不断地更新。如环境不适宜，叶绿素的形成就受到影响，而分解过程仍然进行，因而茎叶发黄，光合速率下降。农业生产中，许多栽培措施如施肥，合理密植等的目的就是促进叶绿素的形成，延缓叶绿素的降解，维持作物叶片绿色，使之更多地吸收光能，用于光合作用，生产更多的有机物。第34页，共44页，2023年，2月20日，星期四光合作用的过程和能量转变

光合作用的实质是将光能转变成化学能。根据能量转变的性质，将光合作用分为三个阶段(表1)：1.光能的吸收、传递和转换成电能，主要由原初反应完成；2.电能转变为活跃化学能，由电子传递和光合磷酸化完成；3.活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化完成。表1光合作用中各种能量转变情况

能量转变

光能电能活跃的化学能稳定的化学能贮能物质

量子

电子

ATP、NADPH2

碳水化合物等转变过程

原初反应电子传递光合磷酸化碳同化时间跨度(秒)10-15－10-910-10－10-4100－101101－102反应部位

PSⅠ、PSⅡ颗粒类囊体膜类囊体叶绿体间质是否需光

需光

不一定，但受光促进

不一定，但受光促进第35页，共44页，2023年，2月20日，星期四不同层次和时间上的光合作用第36页，共44页，2023年，2月20日，星期四第三节原初反应原初反应是指从光合色素分子被光激发，到引起第一个光化学反应为止的过程。它包括：

光物理－光能的吸收、传递

光化学－有电子得失

原初反应特点速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)与纳秒(ns，10－9s)内完成；与温度无关，可在－196℃(77K，液氮温度)或－271℃(2K，液氦温度)下进行；量子效率接近1

由于速度快，散失的能量少，所以其量子效率接近1

。第37页，共44页，2023年，2月20日，星期四

反应中心色素：少数特殊状态的chla分子，它具有光化学活性，是光能的“捕捉器”、“转换器”。聚光色素（天线色素）：没有光化学活性，只有收集光能的作用，包括大部分chla和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素。概念第38页，共44页，2023年，2月20日，星期四一、光能的吸收与传递(一)激发态的形成通常色素分子是处于能量的最低状态─基态。色素分子吸收了一个光子后，会引起原子结构内电子的重新排列。其中一个低能的电子获得能量后就可克服原子核正电荷对其的吸引力而被推进到高能的激发态。下式表示叶绿素吸收光子转变成了激发态。激发态具有比基态高的能级，能级的升高来自被吸收的光能。Chl（基态）+hυ10－15sChl*（激发态）图8叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图各能态之间因分子内振动和转动还表现出若干能级。第39页，共44页，2023年，2月20日，星期四叶绿素分子受光激发后的能级变化叶绿素在可见光部分有二个吸收区：红光区与蓝光区。如果叶绿素分子被蓝光激发，电子就跃迁到能量较高的第二单线态；如果被红光激发，电子则跃迁到能量较低的第一单线态。

处于单线态的电子，其自旋方向保持原有状态，即配对电子的自旋方向相反。如果电子在激发或退激过程中，其自旋方向发生了变化，使原配对的电子自旋方向相同，那么该电子就进入了能级较单线态低的三线态。图8叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图

虚线表示吸收光子后所产生的电子跃迁或发光，实线表示能量的释放，半箭头表示电子自旋方向

第40页，共44页，2023年，2月20日，星期四

(二)激发态的命运1.放热

激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量，此过程又称内转换或无辐射退激。2.发射荧光与磷光

激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光子形式释放能量。

3.色素分子间的能量传递

激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种分子而返回基态的过程称为色素分子间能量的传递。4.光化学反应

激发态的色