植物生理与分子生物学：光合作用效率及其调节

1

光合作用效率及其调节

1.序言

2.光合速率的限制因素

3.量子效率的变动机理

4.光合效率与作物产量2思考题：(1)什么叫光合作用的量子效率、量子需要量、表观量子效率？光合作用的最大量子效率是多少，为什么不能再大些？如何测定光合作用的量子效率？(2)为什么要进行光合作用的气孔限制分析？气孔限制分析的基本判椐是什么？有哪些似是而非的判椐？(3)如何提高光合作用效率？它们的依据分别是什么？3

地球上最重要的化学反应

1、光合作用：氧化还原过程

太阳光

CO2+H2O(CH2O)n+O2

叶绿体

生命的发动机

2、植物：基础代谢

3、生物圈：植物---动物---微生物

4、人类社会：衣、食、住、行、用、生产4图1光合作用是地球生物圈运转的关键环节5图2光合机构是生命的发动机ADP+PiNADP+ATPNADPHePSIIPSIh

h

CO2CH2OH2OO26

表1与光合作用有关的诺贝尔化学奖成果(1901-2000)

Years

Winners

Achievements

1915WilstätterRMPlantpigments,especiallychlorophyll1930FischerHChlorophyllconstitutionandhaeminsynthesis1937KarrerPCarotenoidstructure1938KuhnRCarotenoidsandvitamins1961CalvinMCarbonassimilationinplantphotosynthesis1965WoodwardRBTotalsynthesisofchlorophyll1978MitchellPDChemiosmotictheoryaboutphosphorylation

1988DeisenhoferJHuberRMichelHDeterminationofthethree-dimensionalstructureofbacterialreactioncenter1992MarcusRAElectrontransfertheory:includingitsapplicationtophotosynthesis1997BoyerPDWalkerJESkouJCElucidationoftheenzymaticmechanismofATPsynthesisDiscoveryofNa+,K+-ATPase71.序言1.1光合作用浅说光合机构：

色素系统，光反应系统，膜系统，酶系统个体，叶片，细胞，叶绿体，类囊体反应过程

原初反应同化力（ATP+NADPH)形成碳固定、还原，RuBP再生碳同化途径

C3、C4和CAM8

光合生物的种类

原核生物：光合细菌

不放氧

蓝细菌（过去称蓝绿藻）

放氧，没有叶绿体

真核生物：藻类

有叶绿体，放氧

高等植物

有叶绿体，放氧

有根、茎、叶、花和果实9图3光合机构的不同层次10

图4光合作用的反应过程和部位11C3C6C7C5RuBPRubiscoC4C5C5PGA再生羧化还原淀粉

蔗糖

磷酸丙糖NADP+

NADPHADPATPADPATPCO2

GLPO2

Pi叶绿体过氧化物体线粒体GLNO2

CO2

GLO光合碳还原循环光呼吸GLH图5光合碳还原循环及光呼吸细胞质12“光反应和暗反应”原初反应：反应中心叶绿素分子受光子激发后发生的电荷分离唯一光直接参加的反应“水的光解”？“电子传递和光合磷酸化”？13光合产物主要指：淀粉，叶绿体内合成、暂存蔗糖，细胞质内合成、运输

其它产物磷酸甘油酸磷酸丙糖葡萄糖？141.2光合效率术语：

效率：通过光合作用贮存的能量与接收的能量之比(叶片、个体和群体)

光合速率：单位时间、单位光合机构同化碳或释放氧数量（饱和光下）

量子效率：最大效率（0.125），为什么？量子需要量，表观的（弱光下）

PSII的光化学效率：

潜在的Fv/Fm(暗适应的叶片)

实际的(Fm’-Fs)/Fm’(光下的叶片)

光能利用率：群体，最大5%15图6光合电子传递的Z图解CytbfPCP680+O2MnZPhQAQBPQeP700+AFSFdNADP+Photonee

H2OPhoton16每同化1分子CO2，需要2分子NADPH和3分子ATP每形成2分子NADPH,需要电子传递链传递4个电子每传递4个电子,需要2个光系统的反应中心各激发（电荷分离）4次每次激发需要1个光量子

所以，每同化1分子CO2，至少需要8个量子;或者说，每个量子可以同化1/8或0.125分子CO2171.3光合效率研究的意义

光合机理研究的重要组成部分光、暗反应：20-30年代，Warburg

光强、温度对光合速率的影响两个光系统：40-50年代，Emerson（双光增益）光质对量子效率的影响

光合机构运转状况的探针

选育和鉴定优良品种的指标

新绿色革命的核心问题181.4光合效率研究的几个方法

CO2吸收测定光合量子效率测定

光合放氧测定

叶绿素荧光分析:荧光、耗散和光化学

PSII的光化学效率参数

Fv/Fm,(Fm’-Fs)/Fm’

荧光猝灭参数NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’19表观光合量子效率的测定在弱光下测定一系列光合速率值低于1/10全太阳光

5-8个点作图：光合速率纵坐标光量子通量密度横坐标直线斜率：表观光合量子效率20光合作用对光强变化的响应曲线饱和光强：光饱和点？光补偿点：横轴交点光下呼吸：纵轴交点光饱和的光合速率注意：诱导期光强变化顺序21光合作用对胞间CO2浓度变化的响应曲线光合能力羧化效率：直线段斜率CO2补偿点：横轴交点光呼吸：纵轴交点体内最大羧化速率和电子传递速率饱和CO2浓度注意：饱和光强顺序22图7叶片光合作用对光的响应Ica

i

=a/bbRdPnPsPFD23图8不同的光合作用的光响应曲线

[1]无饱和光强（C3)——诱导期中；[3]无光补偿点——无呼吸作用？！[4]暗中有光合——零点漂移。Pn0PFD1134224图9叶绿素荧光分析方法252光合速率2.1诱导现象（Induction)

原因:酶活化中间产物积累气孔开放意义：值得注意的问题26

图10大豆叶片的光合诱导过程272.2“午睡”现象(MiddayDepression)生态、生理与生化因子可能的机理

气孔的

非气孔的适应意义

提高用水效率，生存28图11不同的光合速率日变化方式29

图12小麦叶片净光合速率的日变化30

图13光合“午睡”现象的可能的原因312.3光合作用的气孔限制

StomatalLimitation气孔限制分析的必要性气孔与非气孔限制的判据气孔限制与非气孔限制气孔不均匀关闭现象气孔限制分析中几个不当判据32气孔限制分析的必要性

诊断限制部位：气孔/叶肉细胞内

CO2扩散途径阻力组分

光合速率和气孔导度间的两种因果关系

Gs降低—Ci降低—Pn降低

Pn降低—Ci增高—Gs降低33图14叶内外CO2扩散阻力羧化部位叶绿体间质叶绿体被膜细胞质原生质膜细胞壁细胞间隙气孔边界层空气液相气相CO2CO2叶片叶外空气34气孔与非气孔限制的判据:(Farquhar&Sharkey,1982)

胞间CO2浓度

气孔限制值35气孔限制与非气孔限制

气孔限制：中轻度水分胁迫低湿

ABA处理

非气孔限制：低温、严重水分胁迫、弱光光抑制36表2水分胁迫对小麦光合速率和气孔导度的影响TreatmentGs(molH2O/m2/s)Pn(

molCO2/m2/s)Ci(

molCO2/molAir)Control-0.5MPa-1.0MPa0.448±0.090.123±0.020.098±0.0211.58

±0.779.55±1.891.36±1.04323±9251±10354±2137

表3冬季珊瑚树叶片的光合速率和气孔导度38图15毛竹叶片光合速率对光的响应39图16小麦叶片光合速率(Pn)、表观光合量子效率(AQY)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)的日变化

40气孔不均匀关闭现象

诱发因素

导致非气孔限制的假象

Ci=Ca–1.6Pn/Gs

正确进行气孔限制分析的前提41图17气孔不均匀关闭现象42气孔限制分析中几个不当判据

光合速率和气孔导度之间的正相关

胞间CO2浓度降低幅度小于光合速率降低幅度

胞间CO2浓度恒定不变

气孔限制值小于非气孔限制值433量子效率(QuantumYield)

3.1量子效率的日变化

C3植物和C4植物的差异

C3植物----中午降低

C4植物----中午升高日变化的原因

C3植物：光呼吸增高、光抑制发生

C4植物：酶活化、二氧化碳渗漏44日时间(h)50403010:0012:0014:0016:0018:00AQR大豆水稻高粱玉米日时间(h)图18晴天玉米、高粱和大豆、水稻叶片表观光合量子需要量的日变化45图19晴天玉米叶片净光合速率(Pn)和表观量子效率(i)的日变化46图20强光照射对离体玉米叶表观光合量子效率(i)的影响

47图21遮阴对玉米叶片表观量子效率的影响48图22上午遮阴对大豆叶片中午光合量子效率的影响49表4不同CO2浓度下测定的强光照射后棉花叶片光合效率的变化

测定条件AQYFv/Fm

强光前强光后变化（%）强光前强光后变化（%）普通空气0.02110.0153-27.50.8810.795-9.8(0.0008)(0.0012)(0.041)(0.055)CO2饱和0.02440.0214-12.30.9030.800-11.4(0.0037)(0.0012)(0.026)(0.037)503.2光呼吸(Photorespiration)起源、代谢途径生理功能回收碳耗散能量

促进磷再生，避免光破坏与CO2补偿点的关系区分C3、C4植物

=Rp/CE51图23叶肉细胞内光呼吸代谢反应的过程和场所叶绿体RuBPPGAPGLGLGAH2OO2PiADPATP过氧化物体GLGAGLOO2H2OGLYHPASERGLU

-KTANAD+

NADH线粒体GLYSERNAD+

NADHCO2+NH3

H4-FMH4-FGLY+H2O52图24普通和低氧空气中强光处理和弱光恢复时棉花叶片叶绿素荧光参数变化53图25

普通和低氧空气中强光下棉花叶片净光合速率的变化

时间(h)Pn(

molCO2m-2s-1)54表5两种空气中强光处理3小时后棉花叶片内磷含量的变化

照强光前照强光后降低（%）普通空气0.2270.199-12.3

低氧空气0.2430.149-38.755图26喂无机磷(Pi)对普通空气和低氧空气中强光下棉花叶片净光合速率变化的影响56图27光合作用过程中的磷再生573.3光合作用的光抑制(Photoinhibition)定义

光合机构的光破坏

光合机构的热耗散

光破坏的防御

光抑制与光破坏的关系58

图28大豆叶片PSII光化学效率的日变化59光合机构的光破坏环境条件：光过剩+环境胁迫（干旱或低温）主要部位：在光系统II

主要特征：

D1蛋白的大量损失光合效率的不可逆降低两种情况：起源于受体侧（碳同化受阻）起源于供体侧（水氧化受阻）60



由于CO2同化受阻，质醌库完全还原,QA-积累，三线态P680的形成,与O2作用形成单线态氧1O2，强氧化剂。它可以破坏附近的蛋白和色素分子。D1蛋白中的组氨酸残基(His190、195和198)被认为是单线态氧攻击、破坏的位点。当水氧化受阻时，放氧复合体不能很快地把电子传递给反应中心,延长了P680+的寿命。P680+是强氧化剂,能氧化破坏类胡萝卜素和叶绿素等色素，也能氧化破坏D1蛋白。61图29PSII反应中心复合体结构62DarkrecoveryLighttreatment图30饱和光处理对大豆叶片叶绿素荧光参数的影响●

700

molm-2s-1

▲

2000

molm-2s-163CKL2L7图31不同强度光处理对大豆叶片光饱和的PSII电子传递速率的影响*64*CKL2L7

图32饱和光处理对大豆叶片D1蛋白含量的影响65**CKL2L7

图33饱和光处理对大豆叶片PSII聚合状态的影响66

图34饱和光处理对大豆叶片低温荧光参数的影响67光合机构的热耗散

Non-photochemicalquenching,NPQ

植物光合机构能够以热的形式将过量的激发能无害地耗散，即热耗散,也称激发能或荧光的非光化学猝灭在饱和光下，光合机构接受的光能50%以上被以这种方式耗散掉。热耗散被看作光破坏防御的中心或基石（Ort2001,PlantPhysiol，125：29-32)

68热耗散的几种可能的机理：

依赖跨类囊体膜质子梯度的热耗散

依赖叶黄素循环的热耗散

依赖PSII反应中心可逆失活的热耗散围绕PSII循环电子流

69光合机构的光破坏防御(Photoprotection)

减少光吸收

天线脱离，状态转换

热耗散

提高光合能力

加强耗能代谢

清除活性氧

D1蛋白周转70

图38光合机构的防御系统强光避光运动热耗散天线脱离光合利用代谢耗能清除活性氧修复循环反射、透射热LHCII脱离、状态转换

光合产物光呼吸、Mehler反应

水—水循环

714作物产量4.1作物产量与光合速率的关系

无相关——怪事正相关——本质的反映

90%以上干物质

Y=HI(Pn×LA×T-Rd)

许多事例，规律的反映高二氧化碳浓度下增产负相关——

假象掩盖因素：叶面积，呼吸，生育期经济系数，测定方法724.2绿色革命第一次绿色革命

良种——矮秆、直立叶

相关措施

诺贝尔和平奖

局限：禾本科，低蛋白，不抗病高投入忽视叶片本身效率73目前问题的严峻性

粮食与燃料的竞争/~drw/food11.htm粮食需求增加城市化与耕地的竞争74第二次绿色革命：已经开始

特点：中心问题——改善光合效率有力武器——基因工程

Rubisco，量-专一性-速率

PEPC,花环结构，单细胞C4

SBPcase，烟草-粮食-田间？

艰巨性：增产50%，出路：C4水稻？

多目标：高产、优质、抗逆、安全

长期性:至少10年

754.3超级水稻

1996农业部启动计划

阶段目标：2000600-700kg/亩

2005800kg/亩

2010900kg/亩

现状：2002超过800kg/亩

严重的源限制76超级稻先锋组合的共同特点大穗、穗位低直立叶第2叶光合速率高77图49超级杂交水稻（左）和普通杂交水稻（右）78表9水稻的谷粒产量与叶片光合速率______________________________________________

汕优6388S/0293%*______________________________________________亩产量(kg)599716120穗粒数159204128千粒重(g)272696经济系数0.500.4794叶面积系数9.68.487净光合速率**2325107______________________________________________*以汕优为100计**单位：

molCO2/m2/s79光合产物的源-库（Source-Sink)关系

叶片、茎杆、穗/根系、籽粒源限制/库限制？实验—减穗粒数：饱满粒数增加减叶面积：饱满粒数减少再增产的关键：理想株型？潜力殆尽

出路：提高叶片光合能力增加Rubisco量？提高Rubisco效率（酶活力调控）!

代谢途径优化（计算生物学）

C4水稻？80Rubisco（核酮糖－1，5－二磷酸羧化/加氧酶）Rubisco是世界上最丰富的一种蛋白质，本身也是高等植物中一种有机氮的主要储藏形式。Rubisco一直以来都是光合研究的重要对象。是植物中研究得最多、最深入的一个酶。Rubsico也是生物界最“懒惰”、效率最低下的一个酶。加氧活性的存在，催化活力低它的活力受Rubisco活化酶的调控81亚基组成及分类亚基组成：大亚基（50-60kDa）和小亚基（12-18kDa）分类：82Andersson和Taylor(2003)Rubisco高级结构II型I型III型83Rubisco的改造Rubisco酶含量和活性环境因素良种筛选的指标低催化效率Rubisco的加氧活性催化活力低Rubisco的特征性因子τ=（Vc/Kc）/（Vo/Ko）Vc和Vo代表羧化和加氧反应的最大反应速率，Kc和Ko代表羧化和加氧反应的米氏常数。）（Jordan和Ogren，1981b；Ramage等，1998)不同来源的τ值不一人们正在尝试利用分子生物学手段来改善酶的催化功能。海洋真核藻类的τ值是高等植物的1.5-2倍最适τ值84Andrews和Whitney（2003）8586Rubisco改造的困境Rubisco的组装高等植物的组装是世界难题，蓝藻Rubisco的组装Rubisco的修饰无修饰会导致酶活力的大幅度降低修饰的种属特异性Rubisco的活化活化的茄科特异性87高等植物Rubisco在叶绿体中的组装模式图（Roy,1989）88Rubisco活化酶（Rubiscoactivase）AAA＋蛋白ATPasesassociatedwithdiversecellularactivities有一个或更多的AAA+

区域，和其它的蛋白一起形成环状的多聚体。Rubisco的活力调控热不稳定性分子监护蛋白的功能受硫氧还蛋白的调控植物抗逆特别是抗高温胁迫有关89拟南芥Rubisco活化酶的AAA+结构域图（旋转180度），从MODBASE(/modbase-cgi)获得490Rubisco活化酶对Rubisco的活化作用(Portis2003)91类囊体膜结合Rubisco活化酶是与Rubisco光活化的结果9292Rubiscoactivase活化Rubisco的新模型Rubisco活化酶活力的动态调控ChenetalJXB（2010）93C4植物的优点光合效率高无光呼吸CO2补偿点低饱和光强高抗逆性能好高温，高光，干旱基因工程改造C3植物94Zhuetal(2008)CurrentOpinioninBiotechnology(Inpress)4.6%6%95水稻和玉米的饱和光强和CO2补偿点的比较96C4途径97C3植物改造成C4植物的困境花环结构C4植物酶系区域分布酶C3植物有区域分割？Trigger基因人工C4植物的几个步骤七个步骤98光合作用效率提高的其他途径碳代谢相关酶系的优化SBPase等光呼吸途径的重构光呼吸途径的确实导致植物致死ChloroplasticphotorespiratorybypassincreasesphotosynthesisandbiomassproductioninArabidopsisthaliana.NatureBiotechnol25:593-599.

99Raines(2003)

PhotosynthesisResearch75:1-10100利用细菌内的相关酶系将光呼吸途径旁路101全球气候变化与光合效率CO2

工业革命前:280ppm;现在:380ppm;2050年预计:550ppm臭氧温度102德国不来梅大学环境物理研究所（InstituteofEnvironmentalPhysi