植物生理與分子生物學(xué)：光合作用效率及其調(diào)節(jié)

1

光合作用效率及其調(diào)節(jié)

1.序言

2.光合速率的限制因素

3.量子效率的變動(dòng)機(jī)理

4.光合效率與作物產(chǎn)量2思考題：(1)什么叫光合作用的量子效率、量子需要量、表觀量子效率？光合作用的最大量子效率是多少，為什么不能再大些？如何測(cè)定光合作用的量子效率？(2)為什么要進(jìn)行光合作用的氣孔限制分析？氣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？它們的依據(jù)分別是什么？3

地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)

1、光合作用：氧化還原過程

太陽光

CO2+H2O(CH2O)n+O2

葉綠體

生命的發(fā)動(dòng)機(jī)

2、植物：基礎(chǔ)代謝

3、生物圈：植物---動(dòng)物---微生物

4、人類社會(huì)：衣、食、住、行、用、生產(chǎn)4圖1光合作用是地球生物圈運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)5圖2光合機(jī)構(gòu)是生命的發(fā)動(dòng)機(jī)ADP+PiNADP+ATPNADPHePSIIPSIh

h

CO2CH2OH2OO26

表1與光合作用有關(guān)的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)成果(1901-2000)

Years

Winners

Achievements

1915Wilst?tterRMPlantpigments,especiallychlorophyll1930FischerHChlorophyllconstitutionandhaeminsynthesis1937KarrerPCarotenoidstructure1938KuhnRCarotenoidsandvitamins1961CalvinMCarbonassimilationinplantphotosynthesis1965WoodwardRBTotalsynthesisofchlorophyll1978MitchellPDChemiosmotictheoryaboutphosphorylation

1988DeisenhoferJHuberRMichelHDeterminationofthethree-dimensionalstructureofbacterialreactioncenter1992MarcusRAElectrontransfertheory:includingitsapplicationtophotosynthesis1997BoyerPDWalkerJESkouJCElucidationoftheenzymaticmechanismofATPsynthesisDiscoveryofNa+,K+-ATPase71.序言1.1光合作用淺說光合機(jī)構(gòu)：

色素系統(tǒng)，光反應(yīng)系統(tǒng)，膜系統(tǒng)，酶系統(tǒng)個(gè)體，葉片，細(xì)胞，葉綠體，類囊體反應(yīng)過程

原初反應(yīng)同化力（ATP+NADPH)形成碳固定、還原，RuBP再生碳同化途徑

C3、C4和CAM8

光合生物的種類

原核生物：光合細(xì)菌

不放氧

藍(lán)細(xì)菌（過去稱藍(lán)綠藻）

放氧，沒有葉綠體

真核生物：藻類

有葉綠體，放氧

高等植物

有葉綠體，放氧

有根、莖、葉、花和果實(shí)9圖3光合機(jī)構(gòu)的不同層次10

圖4光合作用的反應(yīng)過程和部位11C3C6C7C5RuBPRubiscoC4C5C5PGA再生羧化還原淀粉

蔗糖

磷酸丙糖NADP+

NADPHADPATPADPATPCO2

GLPO2

Pi葉綠體過氧化物體線粒體GLNO2

CO2

GLO光合碳還原循環(huán)光呼吸GLH圖5光合碳還原循環(huán)及光呼吸細(xì)胞質(zhì)12“光反應(yīng)和暗反應(yīng)”原初反應(yīng)：反應(yīng)中心葉綠素分子受光子激發(fā)后發(fā)生的電荷分離唯一光直接參加的反應(yīng)“水的光解”？“電子傳遞和光合磷酸化”？13光合產(chǎn)物主要指：淀粉，葉綠體內(nèi)合成、暫存蔗糖，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成、運(yùn)輸

其它產(chǎn)物磷酸甘油酸磷酸丙糖葡萄糖？141.2光合效率術(shù)語：

效率：通過光合作用貯存的能量與接收的能量之比(葉片、個(gè)體和群體)

光合速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位光合機(jī)構(gòu)同化碳或釋放氧數(shù)量（飽和光下）

量子效率：最大效率（0.125），為什么？量子需要量，表觀的（弱光下）

PSII的光化學(xué)效率：

潛在的Fv/Fm(暗適應(yīng)的葉片)

實(shí)際的(Fm’-Fs)/Fm’(光下的葉片)

光能利用率：群體，最大5%15圖6光合電子傳遞的Z圖解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,需要電子傳遞鏈傳遞4個(gè)電子?每傳遞4個(gè)電子,需要2個(gè)光系統(tǒng)的反應(yīng)中心各激發(fā)（電荷分離）4次?每次激發(fā)需要1個(gè)光量子

所以，每同化1分子CO2，至少需要8個(gè)量子;或者說，每個(gè)量子可以同化1/8或0.125分子CO2171.3光合效率研究的意義

光合機(jī)理研究的重要組成部分光、暗反應(yīng)：20-30年代，Warburg

光強(qiáng)、溫度對(duì)光合速率的影響兩個(gè)光系統(tǒng)：40-50年代，Emerson（雙光增益）光質(zhì)對(duì)量子效率的影響

光合機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的探針

選育和鑒定優(yōu)良品種的指標(biāo)

新綠色革命的核心問題181.4光合效率研究的幾個(gè)方法

CO2吸收測(cè)定光合量子效率測(cè)定

光合放氧測(cè)定

葉綠素?zé)晒夥治?熒光、耗散和光化學(xué)

PSII的光化學(xué)效率參數(shù)

Fv/Fm,(Fm’-Fs)/Fm’

熒光猝滅參數(shù)NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’19表觀光合量子效率的測(cè)定?在弱光下測(cè)定一系列光合速率值低于1/10全太陽光

5-8個(gè)點(diǎn)?作圖：光合速率縱坐標(biāo)光量子通量密度橫坐標(biāo)?直線斜率：表觀光合量子效率20光合作用對(duì)光強(qiáng)變化的響應(yīng)曲線?飽和光強(qiáng)：光飽和點(diǎn)？?光補(bǔ)償點(diǎn)：橫軸交點(diǎn)?光下呼吸：縱軸交點(diǎn)?光飽和的光合速率注意：誘導(dǎo)期光強(qiáng)變化順序21光合作用對(duì)胞間CO2濃度變化的響應(yīng)曲線?光合能力?羧化效率：直線段斜率?CO2補(bǔ)償點(diǎn)：橫軸交點(diǎn)?光呼吸：縱軸交點(diǎn)?體內(nèi)最大羧化速率和電子傳遞速率?飽和CO2濃度注意：飽和光強(qiáng)順序22圖7葉片光合作用對(duì)光的響應(yīng)Ica

i

=a/bbRdPnPsPFD23圖8不同的光合作用的光響應(yīng)曲線

[1]無飽和光強(qiáng)（C3)——誘導(dǎo)期中；[3]無光補(bǔ)償點(diǎn)——無呼吸作用？！[4]暗中有光合——零點(diǎn)漂移。Pn0PFD1134224圖9葉綠素?zé)晒夥治龇椒?52光合速率2.1誘導(dǎo)現(xiàn)象（Induction)

原因:酶活化中間產(chǎn)物積累氣孔開放意義：值得注意的問題26

圖10大豆葉片的光合誘導(dǎo)過程272.2“午睡”現(xiàn)象(MiddayDepression)?生態(tài)、生理與生化因子?可能的機(jī)理

氣孔的

非氣孔的?適應(yīng)意義

提高用水效率，生存28圖11不同的光合速率日變化方式29

圖12小麥葉片凈光合速率的日變化30

圖13光合“午睡”現(xiàn)象的可能的原因312.3光合作用的氣孔限制

StomatalLimitation?氣孔限制分析的必要性?氣孔與非氣孔限制的判據(jù)?氣孔限制與非氣孔限制?氣孔不均勻關(guān)閉現(xiàn)象?氣孔限制分析中幾個(gè)不當(dāng)判據(jù)32氣孔限制分析的必要性

診斷限制部位：氣孔/葉肉細(xì)胞內(nèi)

CO2擴(kuò)散途徑阻力組分

光合速率和氣孔導(dǎo)度間的兩種因果關(guān)系

Gs降低—Ci降低—Pn降低

Pn降低—Ci增高—Gs降低33圖14葉內(nèi)外CO2擴(kuò)散阻力羧化部位葉綠體間質(zhì)葉綠體被膜細(xì)胞質(zhì)原生質(zhì)膜細(xì)胞壁細(xì)胞間隙氣孔邊界層空氣液相氣相CO2CO2葉片葉外空氣34氣孔與非氣孔限制的判據(jù):(Farquhar&Sharkey,1982)

胞間CO2濃度

氣孔限制值35氣孔限制與非氣孔限制

氣孔限制：中輕度水分脅迫低濕

ABA處理

非氣孔限制：低溫、嚴(yán)重水分脅迫、弱光光抑制36表2水分脅迫對(duì)小麥光合速率和氣孔導(dǎo)度的影響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冬季珊瑚樹葉片的光合速率和氣孔導(dǎo)度38圖15毛竹葉片光合速率對(duì)光的響應(yīng)39圖16小麥葉片光合速率(Pn)、表觀光合量子效率(AQY)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)的日變化

40氣孔不均勻關(guān)閉現(xiàn)象

誘發(fā)因素

導(dǎo)致非氣孔限制的假象

Ci=Ca–1.6Pn/Gs

正確進(jìn)行氣孔限制分析的前提41圖17氣孔不均勻關(guān)閉現(xiàn)象42氣孔限制分析中幾個(gè)不當(dāng)判據(jù)

光合速率和氣孔導(dǎo)度之間的正相關(guān)

胞間CO2濃度降低幅度小于光合速率降低幅度

胞間CO2濃度恒定不變

氣孔限制值小于非氣孔限制值433量子效率(QuantumYield)

3.1量子效率的日變化

?C3植物和C4植物的差異

C3植物----中午降低

C4植物----中午升高?日變化的原因

C3植物：光呼吸增高、光抑制發(fā)生

C4植物：酶活化、二氧化碳滲漏44日時(shí)間(h)50403010:0012:0014:0016:0018:00AQR大豆水稻高粱玉米日時(shí)間(h)圖18晴天玉米、高粱和大豆、水稻葉片表觀光合量子需要量的日變化45圖19晴天玉米葉片凈光合速率(Pn)和表觀量子效率(i)的日變化46圖20強(qiáng)光照射對(duì)離體玉米葉表觀光合量子效率(i)的影響

47圖21遮陰對(duì)玉米葉片表觀量子效率的影響48圖22上午遮陰對(duì)大豆葉片中午光合量子效率的影響49表4不同CO2濃度下測(cè)定的強(qiáng)光照射后棉花葉片光合效率的變化

測(cè)定條件AQYFv/Fm

強(qiáng)光前強(qiáng)光后變化（%）強(qiáng)光前強(qiáng)光后變化（%）普通空氣0.02110.0153-27.50.8810.795-9.8(0.0008)(0.0012)(0.041)(0.055)CO2飽和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、代謝途徑?生理功能回收碳耗散能量

促進(jìn)磷再生，避免光破壞?與CO2補(bǔ)償點(diǎn)的關(guān)系區(qū)分C3、C4植物

=Rp/CE51圖23葉肉細(xì)胞內(nèi)光呼吸代謝反應(yīng)的過程和場(chǎng)所葉綠體RuBPPGAPGLGLGAH2OO2PiADPATP過氧化物體GLGAGLOO2H2OGLYHPASERGLU

-KTANAD+

NADH線粒體GLYSERNAD+

NADHCO2+NH3

H4-FMH4-FGLY+H2O52圖24普通和低氧空氣中強(qiáng)光處理和弱光恢復(fù)時(shí)棉花葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化53圖25

普通和低氧空氣中強(qiáng)光下棉花葉片凈光合速率的變化

時(shí)間(h)Pn(

molCO2m-2s-1)54表5兩種空氣中強(qiáng)光處理3小時(shí)后棉花葉片內(nèi)磷含量的變化

照強(qiáng)光前照強(qiáng)光后降低（%）普通空氣0.2270.199-12.3

低氧空氣0.2430.149-38.755圖26喂無機(jī)磷(Pi)對(duì)普通空氣和低氧空氣中強(qiáng)光下棉花葉片凈光合速率變化的影響56圖27光合作用過程中的磷再生573.3光合作用的光抑制(Photoinhibition)?定義

?光合機(jī)構(gòu)的光破壞

?光合機(jī)構(gòu)的熱耗散

?光破壞的防御

?光抑制與光破壞的關(guān)系58

圖28大豆葉片PSII光化學(xué)效率的日變化59光合機(jī)構(gòu)的光破壞環(huán)境條件：光過剩+環(huán)境脅迫（干旱或低溫）主要部位：在光系統(tǒng)II

主要特征：

D1蛋白的大量損失光合效率的不可逆降低兩種情況：起源于受體側(cè)（碳同化受阻）起源于供體側(cè)（水氧化受阻）60



由于CO2同化受阻，質(zhì)醌庫完全還原,QA-積累，三線態(tài)P680的形成,與O2作用形成單線態(tài)氧1O2，強(qiáng)氧化劑。它可以破壞附近的蛋白和色素分子。D1蛋白中的組氨酸殘基(His190、195和198)被認(rèn)為是單線態(tài)氧攻擊、破壞的位點(diǎn)。當(dāng)水氧化受阻時(shí)，放氧復(fù)合體不能很快地把電子傳遞給反應(yīng)中心,延長(zhǎng)了P680+的壽命。P680+是強(qiáng)氧化劑,能氧化破壞類胡蘿卜素和葉綠素等色素，也能氧化破壞D1蛋白。61圖29PSII反應(yīng)中心復(fù)合體結(jié)構(gòu)62DarkrecoveryLighttreatment圖30飽和光處理對(duì)大豆葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響●

700

molm-2s-1

▲

2000

molm-2s-163CKL2L7圖31不同強(qiáng)度光處理對(duì)大豆葉片光飽和的PSII電子傳遞速率的影響*64*CKL2L7

圖32飽和光處理對(duì)大豆葉片D1蛋白含量的影響65**CKL2L7

圖33飽和光處理對(duì)大豆葉片PSII聚合狀態(tài)的影響66

圖34飽和光處理對(duì)大豆葉片低溫?zé)晒鈪?shù)的影響67光合機(jī)構(gòu)的熱耗散

Non-photochemicalquenching,NPQ

植物光合機(jī)構(gòu)能夠以熱的形式將過量的激發(fā)能無害地耗散，即熱耗散,也稱激發(fā)能或熒光的非光化學(xué)猝滅在飽和光下，光合機(jī)構(gòu)接受的光能50%以上被以這種方式耗散掉。熱耗散被看作光破壞防御的中心或基石（Ort2001,PlantPhysiol，125：29-32)

68熱耗散的幾種可能的機(jī)理：

依賴跨類囊體膜質(zhì)子梯度的熱耗散

依賴葉黃素循環(huán)的熱耗散

依賴PSII反應(yīng)中心可逆失活的熱耗散圍繞PSII循環(huán)電子流

69光合機(jī)構(gòu)的光破壞防御(Photoprotection)

減少光吸收

天線脫離，狀態(tài)轉(zhuǎn)換

熱耗散

提高光合能力

加強(qiáng)耗能代謝

清除活性氧

D1蛋白周轉(zhuǎn)70

圖38光合機(jī)構(gòu)的防御系統(tǒng)強(qiáng)光避光運(yùn)動(dòng)熱耗散天線脫離光合利用代謝耗能清除活性氧修復(fù)循環(huán)反射、透射熱LHCII脫離、狀態(tài)轉(zhuǎn)換

光合產(chǎn)物光呼吸、Mehler反應(yīng)

水—水循環(huán)

714作物產(chǎn)量4.1作物產(chǎn)量與光合速率的關(guān)系

?無相關(guān)——怪事?正相關(guān)——本質(zhì)的反映

90%以上干物質(zhì)

Y=HI(Pn×LA×T-Rd)

許多事例，規(guī)律的反映高二氧化碳濃度下增產(chǎn)?負(fù)相關(guān)——

假象?掩蓋因素：葉面積，呼吸，生育期經(jīng)濟(jì)系數(shù)，測(cè)定方法724.2綠色革命?第一次綠色革命

良種——矮稈、直立葉

相關(guān)措施

諾貝爾和平獎(jiǎng)

局限：禾本科，低蛋白，不抗病高投入忽視葉片本身效率73目前問題的嚴(yán)峻性

糧食與燃料的競(jìng)爭(zhēng)/~drw/food11.htm糧食需求增加城市化與耕地的競(jìng)爭(zhēng)74?第二次綠色革命：已經(jīng)開始

特點(diǎn)：中心問題——改善光合效率有力武器——基因工程

Rubisco，量-專一性-速率

PEPC,花環(huán)結(jié)構(gòu)，單細(xì)胞C4

SBPcase，煙草-糧食-田間？

艱巨性：增產(chǎn)50%，出路：C4水稻？

多目標(biāo)：高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、安全

長(zhǎng)期性:至少10年

754.3超級(jí)水稻

1996農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)計(jì)劃

?階段目標(biāo)：2000600-700kg/畝

2005800kg/畝

2010900kg/畝

?現(xiàn)狀：2002超過800kg/畝

嚴(yán)重的源限制76超級(jí)稻先鋒組合的共同特點(diǎn)?大穗、穗位低?直立葉?第2葉光合速率高77圖49超級(jí)雜交水稻（左）和普通雜交水稻（右）78表9水稻的谷粒產(chǎn)量與葉片光合速率______________________________________________

汕優(yōu)6388S/0293%*______________________________________________畝產(chǎn)量(kg)599716120穗粒數(shù)159204128千粒重(g)272696經(jīng)濟(jì)系數(shù)0.500.4794葉面積系數(shù)9.68.487凈光合速率**2325107______________________________________________*以汕優(yōu)為100計(jì)**單位：

molCO2/m2/s79光合產(chǎn)物的源-庫（Source-Sink)關(guān)系

葉片、莖桿、穗/根系、籽粒源限制/庫限制？實(shí)驗(yàn)—減穗粒數(shù)：飽滿粒數(shù)增加減葉面積：飽滿粒數(shù)減少再增產(chǎn)的關(guān)鍵：理想株型？潛力殆盡

出路：提高葉片光合能力增加Rubisco量？提高Rubisco效率（酶活力調(diào)控）!

代謝途徑優(yōu)化（計(jì)算生物學(xué)）

C4水稻？80Rubisco（核酮糖－1，5－二磷酸羧化/加氧酶）Rubisco是世界上最豐富的一種蛋白質(zhì)，本身也是高等植物中一種有機(jī)氮的主要儲(chǔ)藏形式。Rubisco一直以來都是光合研究的重要對(duì)象。是植物中研究得最多、最深入的一個(gè)酶。Rubsico也是生物界最“懶惰”、效率最低下的一個(gè)酶。加氧活性的存在，催化活力低它的活力受Rubisco活化酶的調(diào)控81亞基組成及分類亞基組成：大亞基（50-60kDa）和小亞基（12-18kDa）分類：82Andersson和Taylor(2003)Rubisco高級(jí)結(jié)構(gòu)II型I型III型83Rubisco的改造Rubisco酶含量和活性環(huán)境因素良種篩選的指標(biāo)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代表羧化和加氧反應(yīng)的最大反應(yīng)速率，Kc和Ko代表羧化和加氧反應(yīng)的米氏常數(shù)。）（Jordan和Ogren，1981b；Ramage等，1998)不同來源的τ值不一人們正在嘗試?yán)梅肿由飳W(xué)手段來改善酶的催化功能。海洋真核藻類的τ值是高等植物的1.5-2倍最適τ值84Andrews和Whitney（2003）8586Rubisco改造的困境Rubisco的組裝高等植物的組裝是世界難題，藍(lán)藻Rubisco的組裝Rubisco的修飾無修飾會(huì)導(dǎo)致酶活力的大幅度降低修飾的種屬特異性Rubisco的活化活化的茄科特異性87高等植物Rubisco在葉綠體中的組裝模式圖（Roy,1989）88Rubisco活化酶（Rubiscoactivase）AAA＋蛋白ATPasesassociatedwithdiversecellularactivities有一個(gè)或更多的AAA+

區(qū)域，和其它的蛋白一起形成環(huán)狀的多聚體。Rubisco的活力調(diào)控?zé)岵环€(wěn)定性分子監(jiān)護(hù)蛋白的功能受硫氧還蛋白的調(diào)控植物抗逆特別是抗高溫脅迫有關(guān)89擬南芥Rubisco活化酶的AAA+結(jié)構(gòu)域圖（旋轉(zhuǎn)180度），從MODBASE(/modbase-cgi)獲得490Rubisco活化酶對(duì)Rubisco的活化作用(Portis2003)91類囊體膜結(jié)合Rubisco活化酶是與Rubisco光活化的結(jié)果9292Rubiscoactivase活化Rubisco的新模型Rubisco活化酶活力的動(dòng)態(tài)調(diào)控ChenetalJXB（2010）93C4植物的優(yōu)點(diǎn)光合效率高無光呼吸CO2補(bǔ)償點(diǎn)低飽和光強(qiáng)高抗逆性能好高溫，高光，干旱基因工程改造C3植物94Zhuetal(2008)CurrentOpinioninBiotechnology(Inpress)4.6%6%95水稻和玉米的飽和光強(qiáng)和CO2補(bǔ)償點(diǎn)的比較96C4途徑97C3植物改造成C4植物的困境花環(huán)結(jié)構(gòu)C4植物酶系區(qū)域分布酶C3植物有區(qū)域分割？Trigger基因人工C4植物的幾個(gè)步驟七個(gè)步驟98光合作用效率提高的其他途徑碳代謝相關(guān)酶系的優(yōu)化SBPase等光呼吸途徑的重構(gòu)光呼吸途徑的確實(shí)導(dǎo)致植物致死ChloroplasticphotorespiratorybypassincreasesphotosynthesisandbiomassproductioninArabidopsisthaliana.NatureBiotechnol25:593-599.

99Raines(2003)

PhotosynthesisResearch75:1-10100利用細(xì)菌內(nèi)的相關(guān)酶系將光呼吸途徑旁路101全球氣候變化與光合效率CO2

工業(yè)革命前:280ppm;現(xiàn)在:380ppm;2050年預(yù)計(jì):550ppm臭氧溫度102德國(guó)不來梅大學(xué)環(huán)境物理研究所（InstituteofEnvironmentalPhysi