光合作用生態(tài)生理

Eco－Physiologyofphotosynthesis

第一章光合作用機(jī)理進(jìn)展地球上生命活動的能量，基本上都是依賴于太陽能，光合作用是最主要的能將太陽能固定的生命過程。可以說，通過光合作用的反應(yīng)系統(tǒng)，利用自然界最豐富而廉價的資源——CO2和H2O提供了我們所需的有機(jī)物。從光能吸收到碳水化合物形成，有50多個中間步驟。直接發(fā)生在光合膜上、由光驅(qū)動的反應(yīng)，叫做光反應(yīng)；而不依賴于光，由酶催化的反應(yīng)叫做暗（碳）反應(yīng)。

研究對象：從分子水平的激發(fā)態(tài)到植物群體；

研究課題：從光的吸收到生態(tài)系統(tǒng)；

時間跨度：從飛秒(fs)到世紀(jì)。（s,ms,μs,ns,ps,fs）一、光反應(yīng)——同化力形成（一）光能的吸收與傳遞

葉綠素的卟啉環(huán)上具有很多共軛雙鍵，正是這些共軛雙鍵能夠吸收可見光（400－700nm）。最穩(wěn)定的價電子處于基態(tài)，能量最低。當(dāng)光量子被一個基態(tài)的電子吸收，光量子的能量就被加到電子上，電子躍遷為能級較高的激發(fā)態(tài)。對于可見光，電子躍遷時間為10－15s.1、葉綠素激發(fā)與去激2、色素之間的能量傳遞

共振傳遞：在色素系統(tǒng)中，一個色素分子吸收光能被激發(fā)后，其中高能電子的振動會引起附近另一個分子中某個電子的振動(共振)，當(dāng)?shù)诙€分子電子振動被誘導(dǎo)起來，就發(fā)生了電子激發(fā)能量的傳遞，第一個分子中原來被激發(fā)的電子便停止振動，而第二個分子中被誘導(dǎo)的電子則變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，第二個分子又能以同樣的方式激發(fā)第三個、第四個分子。這種依靠電子振動在分子間傳遞能量的方式就稱為“共振傳遞”。

激子傳遞：激子通常是指非金屬晶體中由電子激發(fā)的量子（激子是能量和動量相同的分子共有的電子激發(fā)態(tài)）。它能轉(zhuǎn)移能量但不能轉(zhuǎn)移電荷。其能量傳遞效率決定于兩個分子間的作用矩陣。在由相同分子組成的聚光色素系統(tǒng)中，其中一個色素分子受光激發(fā)后，高能電子在返回原來軌道時也會發(fā)出激子，此激子能使相鄰色素分子激發(fā)，即把激發(fā)能傳遞給了相鄰色素分子，激發(fā)的電子可以相同的方式再發(fā)出激子，并被另一色素分子吸收，

這種在相同分子內(nèi)依靠激子傳遞來轉(zhuǎn)移能量的方式稱為激子傳遞。天線色素吸收的光能，經(jīng)過色素間的一系列傳遞，匯集到反應(yīng)中心，在那里引起光化學(xué)反應(yīng)。（二）原初光化學(xué)反應(yīng)

原初反應(yīng)是光合作用中將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的最初步驟，其反應(yīng)非常快，在fs—ps之間。反應(yīng)部位：光合膜（反應(yīng)中心）

（三）葉綠體電子傳遞

1、光合電子傳遞的順序（1）兩個光系統(tǒng)紅降現(xiàn)象：雙光增益效應(yīng)：

PSII和PSI：

PSII：P680核心、捕光色素蛋白復(fù)合體(LHCII)、放氧復(fù)合體（OEC）

PSI:P700核心、LHCI（2）Z鏈（Zschem）2、電子傳遞體在類囊體膜上的分布類囊體膜上存在4中蛋白復(fù)合體：

PSII復(fù)合體：PSII-α：基粒中央PSII-β：間質(zhì)片層

Cytb/f復(fù)合體：基粒垛疊區(qū)、基粒末端與邊緣

PSI復(fù)合體：PSI-α：基粒外周PSI-β：間質(zhì)片層

ATP酶復(fù)合體（CF,couplingfactor）：

CF1:位于膜表面，起催化作用，ADP+PiATPCf2:插入膜內(nèi)，提供H+通道

OEC（放氧復(fù)合體）：膜內(nèi)表面P680的原初電子供體：位于膜內(nèi)側(cè)，原初電子受體位于膜外測。PQ：可以在膜的疏水區(qū)移動。P700的電子供體（PC）位于膜內(nèi)表面，受體fd位于膜外表面。

這樣的空間排列，使得P680受光激發(fā)后，在類囊體的內(nèi)表面發(fā)生水的氧化，并向類囊體膜內(nèi)釋放O2和H+。在膜的外測發(fā)生PQ還原，并通過跨膜移動，把膜外質(zhì)子傳到腔內(nèi)。PSI受光激發(fā)后，從類囊體內(nèi)側(cè)的PC接受電子，并在膜的外測把電子交給fd，從而在膜的外測進(jìn)行NADP的還原。電子傳遞體在類囊體膜上的這種分布，使電子在膜的內(nèi)外進(jìn)行定向傳遞，形成跨膜質(zhì)子梯度，推動ATP形成。（四）PSII的結(jié)構(gòu)與運(yùn)轉(zhuǎn)1、PSII復(fù)合體的結(jié)構(gòu)PSII反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)模式圖

示意PSII反應(yīng)中心D1蛋白和D2蛋白的結(jié)構(gòu)。D1很容易受到光化學(xué)破壞，會發(fā)生活性逆轉(zhuǎn)。電子從P680傳遞到去鎂葉綠素（Pheo）繼而傳遞到兩個質(zhì)體醌QA和QB。P680+在“Z”傳遞鏈中被D1亞基中酪氨酸殘基還原。圖中還表明了Mn聚集體(MSP)對水的氧化。CP43和CP47是葉綠素結(jié)合蛋白。包括3個部分：

（1）捕光天線系統(tǒng)●圍繞P680的CP43和CP47蛋白復(fù)合體組成的內(nèi)周天線（近側(cè)天線）●由LHCII復(fù)合體組成的外周天線（遠(yuǎn)側(cè)天線）

（2）D1-D2蛋白D1-D2蛋白：由2個32KD蛋白組成，其中包括原初電子供體Yz（Tyr161殘基）。反應(yīng)中心電子傳遞鏈：Yz－P680－Pheo－QA(D2蛋白)－QB（D1蛋白）構(gòu)成反應(yīng)中心的電子傳遞鏈。

（3）水氧化放氧系統(tǒng)包括：三種外周蛋白（33，23，17KD）,Mn簇,Cl,Ca2+2、PSII的運(yùn)轉(zhuǎn)

PSII是執(zhí)行光誘導(dǎo)電荷分離及電子傳遞的基本單位，P680中心色素是一個chla雙分子體。電子從放氧中心到P680＋是很快的過程。Yz是D1蛋白上的第161位Tyr殘基。原初的電荷從P680到Pheo只需幾個皮秒（ps）,Pheo-又立即被QA氧化，QA－又被QB在100－200微秒時間內(nèi)氧化。QB先形成半醌QB－，然后又從另一個QA－接受1個電子，形成還原型醌QB2－。（這里QA是單電子受體，QB是雙電子受體）。完全還原的QB2－從間質(zhì)接受2個質(zhì)子，形成QBH2，并與PQ交換位置，隨后再向cytb/f傳遞。

D1蛋白亞基是QB的載體，故又稱為QB蛋白，它可被DCMU等除草劑結(jié)合，從而阻斷電子從QA－向QB－的傳遞。此外，許多逆境因子，如強(qiáng)光、高鹽等對電子傳遞的抑制部位，也是這里。

3、PSII的水裂解放氧PSII的一個重要功能，就是參與水的裂解放氧。有關(guān)分子氧釋放的機(jī)理，依然是目前研究的重要問題。（1）氧釋放動力學(xué)光合放氧具有周期現(xiàn)象，在閃光誘導(dǎo)動力學(xué)研究中，發(fā)現(xiàn)氧的釋放伴隨著4個閃光周期的擺動，即每4次閃光出現(xiàn)一個放氧高峰。Kok等提出4個S態(tài)循環(huán)的模型（Kok鐘），OEC需要積累4個氧化當(dāng)量（正電荷），才能從2個水分子中奪取4個還原當(dāng)量，釋放一分子氧。

hv1hv2hv3hv4S0→S1→S2→S3→S4→S0+4H++O2這里，S0-S4代表放氧中心的不同氧化還原狀態(tài)，hv1-hv4表示閃光的順序。從S0到S4共積累4個氧化當(dāng)量，S4是不穩(wěn)定的，它釋放出分子氧后又回到S0狀態(tài)。這樣，每次循環(huán)吸收4個光量子，氧化2個水分子，向PSII中心傳遞4個電子，釋放4個質(zhì)子，1個氧分子。（2）Mn,Cl,Ca與放氧的關(guān)系（1）Mn直接參與水裂解積累4個氧化當(dāng)量的過程。錳以不同的親和程度結(jié)合在PSII顆粒上，利用加熱或Tris溶液洗滌，把錳除去，放氧就受到抑制，回加錳后，放氧活性得到恢復(fù)。（2）Cl與CaColema和Govindjee利用35Cl-NMR技術(shù)證明，氯和鈣與外周蛋白相互作用，會導(dǎo)致蛋白質(zhì)區(qū)域之間鹽橋的斷裂，從而在錳簇中取出質(zhì)子。（五）兩個光系統(tǒng)之間的電子傳遞兩個光系統(tǒng)之間的電子傳遞，包括電子從PSII還原側(cè)的QA到PSI氧化側(cè)的Pc，中間有PQ,cytb/f復(fù)合體，PC的參與。1、從QA起到PQ的傳遞QA的單電子載體行為轉(zhuǎn)換為QB的雙電子載體行為，這個轉(zhuǎn)化機(jī)理，是通過暗適應(yīng)葉綠體的閃光實(shí)驗(yàn)認(rèn)識的。e第一次閃光：QA→QA－（半醌離子）e暗中：QA－→QB→QB－e第二次閃光：QA－→QB－→QB2－2H＋PQQB2－→QBH2→PQH2關(guān)于PQ庫：PQ是類囊體上含量最多的電子傳遞體，因此，認(rèn)為存在一個PQ庫。由于PQ是脂溶性的，它可以在類囊體膜的疏水區(qū)移動，使類囊體膜上的電子傳遞鏈之間連接通用，當(dāng)兩個光系統(tǒng)發(fā)生光能分配不均衡時，PQ庫可以起到調(diào)節(jié)與緩沖作用，從而保證兩個光系統(tǒng)的均衡運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，PQ的移動性，也使得H＋向類囊體腔內(nèi)釋放，造成跨膜質(zhì)子動力勢，推動ATP形成。2、cytb/f復(fù)合體（1）組成4個多肽鏈組成（多亞基膜蛋白）：cytf,cytb6,Rieske鐵硫蛋白，17KD蛋白（功能不詳）（2）電子傳遞順序PQH2→FeSR→Cytf→PC（3）cytb/f復(fù)合體介導(dǎo)跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機(jī)理——Q循環(huán)關(guān)于Cytb６/f復(fù)合體介導(dǎo)的跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機(jī)理，Mitchell曾提出Q循環(huán)的假設(shè)：還原的PQH2將2個電子中的一個傳給Cytb6/f復(fù)合體中的FeSR，再交給Cytf，進(jìn)而傳給PC，與此同時，PQH2又將第二個電子交給低電位的b６，并釋放2個H+到膜腔內(nèi)，電子由低電位的b６傳至高電位的b６，再將電子傳至PQ。經(jīng)過兩次電子循環(huán)后，PQ兩次被還原，雙還原的PQ又從膜外結(jié)合兩個質(zhì)子，并將其貯入質(zhì)醌庫中。Q循環(huán)（1）Q循環(huán)（2）3、PC（質(zhì)藍(lán)素）

質(zhì)藍(lán)素(PC)是位于類囊體膜內(nèi)側(cè)表面的含銅的蛋白質(zhì)，氧化時呈藍(lán)色。它是介于Cytb６/f復(fù)合體與PSⅠ之間的電子傳遞成員。通過蛋白質(zhì)中銅離子的氧化還原變化來傳遞電子。分子特點(diǎn)：Mr=10.5KD，含銅蛋白。在氧化還原時，在597nm處有可逆的吸收變化。PSⅠ復(fù)合體存在類囊體非堆疊的部分，PSⅡ復(fù)合體存在堆疊部分，而Cytb６/f比較均勻地分布在膜中，因而推測PC通過在類囊體腔內(nèi)擴(kuò)散移動來傳遞電子。電子傳遞順序：綠藻：cytf→PC→P700高等植物：cytf→PC→P700（六）PSI結(jié)構(gòu)與運(yùn)轉(zhuǎn)1、PSI復(fù)合體組成反應(yīng)中心P700電子受體LHCI（捕光天線）2、PSI反應(yīng)中心的運(yùn)轉(zhuǎn)P700：chla雙分子體A0：chla單分子體A1：葉醌（維生素K1）FA,FB,FX:三個鐵硫中心，含12個Fe，12個S。Fd:是2Fe－2S鐵氧還蛋白→P700→A0→A1→FA→FB→FX→fd→NADP↓假環(huán)式cytb/fO2↓↓PCO2-環(huán)式PSI電子傳遞體及其動力學(xué)（七）光合磷酸化1、概念：在照光條件下，葉綠體把ADP與Pi形成ATP的過程。2、機(jī)理：3.ATP合成的部位——ATP酶

4、光合磷酸化的抑制劑

(1)電子傳遞抑制劑指抑制光合電子傳遞的試劑，如羥胺(NH2OH)切斷水到PSⅡ的電子流，DCMU抑制從PSⅡ上的Q到PQ的電子傳遞；KCN和Hg等則抑制PC的氧化。一些除草劑如西瑪津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除草定(bromacil)、異草定(isocil)等也是電子傳遞抑制劑，它們通過阻斷電子傳遞抑制光合作用來殺死植物。

(2)解偶聯(lián)劑指解除磷酸化反應(yīng)與電子傳遞之間偶聯(lián)的試劑。常見的這類試劑有DNP(二硝基酚)、CCCP(carbonylcyanide-3-chlorophenylhydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短桿菌肽D、尼日利亞菌素、NH＋４等，這些試劑可以增加類囊體膜對質(zhì)子的透性或增加偶聯(lián)因子滲漏質(zhì)子的能力，其結(jié)果是消除了跨膜的H+電化學(xué)勢，而電子傳遞仍可進(jìn)行，甚至速度更快(因?yàn)橄藘?nèi)部高H＋濃度對電子傳遞的抑制)，但磷酸化作用不再進(jìn)行。

(3)能量傳遞抑制劑指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的試劑，如二環(huán)己基碳二亞胺(DCCD)、對氯汞基苯(PCMB)作用于CF1，寡霉素作用于CFo(CFo下標(biāo)的o就是表明其對寡霉素oligomycin敏感)。它們都抑制了ATP酶活性從而阻斷光合磷酸化。光合電子傳遞鏈的三種抑制劑DCMU、DBMIB和百草枯的化學(xué)結(jié)構(gòu)葉綠體電子傳遞鏈的抑制劑作用位點(diǎn)：DCMU和DBMIB阻止電子傳遞反應(yīng)，而還原態(tài)的百草枯自動氧化為基本離子，導(dǎo)致超氧和其他活性氧種類的形成。二、碳同化1、C3途徑：光調(diào)節(jié)酶：

RuBP羧化酶NADP-磷酸甘油醛脫氫酶SBP酯酶FBP酯酶Ru5P激酶2、C4途徑3、CAM途徑劍麻龍舌蘭落地生根第二章光合機(jī)構(gòu)對環(huán)境的響應(yīng)和適應(yīng)光合機(jī)構(gòu)對環(huán)境的響應(yīng)合適應(yīng)，是目前光合作用研究中的一個熱點(diǎn)，它不僅涉及光合機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)控制，而且關(guān)系到作物的光合性能和生產(chǎn)能力，以及農(nóng)業(yè)、環(huán)境等一系列重大問題。在植物的進(jìn)化過程中，光合作用機(jī)構(gòu)也在不斷進(jìn)化。從細(xì)菌光合到植物光合就是一個重大進(jìn)步。但這不意味著光合功能就此穩(wěn)定下來一成不變了。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)，從水域到陸地，從寒冷的極圈到炎熱的赤道，從泥濘的沼澤到荒涼的沙漠，都可以發(fā)現(xiàn)靠自身光合作用而生存的植物，便會知道光合作用這一植物的基本功能是多么善于適應(yīng)環(huán)境的變化?。?/p>

適應(yīng)（adaptation）:

在長期（幾天、幾周、幾個月）變化了的環(huán)境中光合機(jī)構(gòu)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上的變化。

響應(yīng)（response）：在短期（最多幾小時）變化的環(huán)境中，光合功能的變化。但有時二者難以嚴(yán)格區(qū)分。一、光照（一）植物光合機(jī)構(gòu)對光照條件的適應(yīng)陰生植物與陽生植物光合機(jī)構(gòu)比較部位參數(shù)陽生植物陰生植物葉綠體體積正常偏大基粒類囊體多少chla/chlb高低葉片厚度厚薄氣孔密度大小柵欄組織/海綿組織高低光合速率、光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)高低整體R/T大?。ǘ┲参锕夂蠙C(jī)構(gòu)對光照條件的響應(yīng)

短時間內(nèi)光強(qiáng)的改變，光合機(jī)構(gòu)具有一定的調(diào)節(jié)功能：1、酶活性變化：激活或失活（如C3途徑中的光調(diào)節(jié)酶：RuBP羧化酶、NADP-磷酸甘油醛脫氫酶、SBP酯酶、FBP酯酶、Ru5P激酶。）2、類囊體垛疊程度改變3、葉綠體運(yùn)動4、葉片伸展角度改變

但這些調(diào)節(jié)是有一定限度的，當(dāng)光強(qiáng)突然增加，植物來不及調(diào)節(jié)適應(yīng)時，便會引起光抑制或光破壞。（三）強(qiáng)光對植物光合作用的影響——光抑制1、光抑制現(xiàn)象photoinhibition:植物的光合機(jī)構(gòu)所接受的光能超過光合作用所能利用的數(shù)量時，光合功能降低的現(xiàn)象。（1）光抑制的基本特征A．量子效率下降B．光飽和光合速率下降C．PS2電子傳遞效率下降其中，量子效率是用來測定光抑制程度的較好指標(biāo)。（2）植物對光抑制的敏感性

受植物遺傳因素和環(huán)境條件影響。

●陰生植物比陽生植物敏感

●C3植物比C4植物敏感

●當(dāng)高溫、低溫、干旱、營養(yǎng)不足等脅迫因素存在時，植物對光抑制的敏感性增加。原因：

①逆境下不利于光合作用進(jìn)行，光能過剩程度加大；②不利于光脅迫破壞的修復(fù)。2、光抑制的機(jī)理（1）光合機(jī)構(gòu)的破壞部位：PSII反應(yīng)中心。按其發(fā)生的原初部位可分為：

◆受體側(cè)光抑制：常起始于還原型QA的積累。還原型QA的積累促使三線態(tài)P680(P680T)的形成，而P680T可以與氧作用(P680T+O2→P680+1O2)形成單線態(tài)氧(1O2)；

◆供體側(cè)光抑制：起始于水氧化受阻。由于放氧復(fù)合體不能很快把電子傳遞給反應(yīng)中心，從而延長了氧化型P680(P680+)的存在時間。

Ｐ680+和1O2都是強(qiáng)氧化劑，如不及時消除，它們都可以氧化破壞附近的葉綠素和D1蛋白，從而使光合器官損傷，光合活性下降。

（2）活性氧的破壞作用通過Mehler反應(yīng)生成的活性氧，如果可被及時清除，則有防護(hù)作用；但是，如果不能被及時清除，會對葉綠體的膜蛋白、膜脂造成破壞。（3）熱耗散的增加這是一種不發(fā)生光合機(jī)構(gòu)破壞的光抑制。量子效率的降低是由于天線色素或反應(yīng)中心激發(fā)態(tài)葉綠素?zé)岷纳⒌脑黾右鸬模磻?yīng)中心復(fù)合體并不受到破壞。

這實(shí)際上也是一種對光合機(jī)構(gòu)的保護(hù)機(jī)理。3、光抑制后光合功能的恢復(fù)

光抑制引起的破壞與自身的修復(fù)過程是同時發(fā)生的，兩個相反過程的相對速率決定光抑制程度和對光抑制的忍耐性。當(dāng)光抑制不太嚴(yán)重時，回到非脅迫條件下，幾分鐘到幾個小時，光合功能可以恢復(fù)。光抑制嚴(yán)重時，則難以恢復(fù)。

研究表明，恢復(fù)光合功能，需要對光破壞部位的修復(fù)。這種修復(fù)需要從膜上去掉被破壞的部分，并用新的取而代之。研究表明，修復(fù)需要QB蛋白（D1蛋白）的從頭合成。實(shí)驗(yàn)證據(jù)：已知QB蛋白是由葉綠體基因編碼，并在葉綠體內(nèi)合成的蛋白質(zhì)。采用氯霉素（chloramphenicol）,一種葉綠體蛋白質(zhì)合成抑制劑處理，可以加劇光抑制，并且抑制恢復(fù)過程。而采用環(huán)己亞胺（cycloheximide）,一種細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成抑制劑處理，不加劇光抑制，也不妨礙恢復(fù)過程。此外，還有實(shí)驗(yàn)證明，QB蛋白的合成需要有穩(wěn)定的mRNA庫，即：要以已經(jīng)存在mRNA位模板，而不是從轉(zhuǎn)錄開始的。其實(shí)驗(yàn)證據(jù)是：采用利富平（rifampicin），一種質(zhì)體中的轉(zhuǎn)錄抑制劑處理，既不加劇光抑制，也不妨礙修復(fù)。光合機(jī)構(gòu)的修復(fù)需要弱光和合適的溫度，以及維持適度的光合速率4、光抑制破壞的防御（1）減少光能吸收，增加光能利用能力（減輕過剩程度）①形態(tài)學(xué)變化：如強(qiáng)光下葉片變小、變厚，天線色素減少。（減少吸收）②提高電子傳遞與碳同化能力（增加利用能力）③葉片運(yùn)動：改變?nèi)肷涔獾慕嵌娶苋~綠體運(yùn)動：以窄面對著陽光，減少吸收（2）通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換，向PSI分配較多能量高等植物的兩個光系統(tǒng)，既在空間上獨(dú)立，又在功能上相互聯(lián)系，它們串聯(lián)起來，才能完成Z鏈傳遞。任何一個系統(tǒng)效率降低，都會導(dǎo)致整個光合效率的降低。因此，必需存在一套調(diào)節(jié)激發(fā)能分配的機(jī)制，來保證光合作用能夠高效進(jìn)行，并且對環(huán)境變化作出響應(yīng)和適應(yīng)。

兩種光能分配狀態(tài)：狀態(tài)I：激發(fā)能向PSII分配增加的狀態(tài)。（如用λ>700nm，主要被PSI吸收的光照射小球藻，吸收的激發(fā)能向PSII分配比例增加）狀態(tài)II：激發(fā)能向PSI分配增加的狀態(tài)。（如用λ＝650nm，主要被PSII吸收的光照射小球藻，吸收的激發(fā)能向PSI分配比例增加）。

機(jī)理——天線移動假說：

◆當(dāng)LHCII磷酸化，誘導(dǎo)狀態(tài)II，激發(fā)能向PSI分配增加；

◆當(dāng)LHCII脫磷酸化，誘導(dǎo)狀態(tài)I，激發(fā)能向PSII分配增加。強(qiáng)光下，LHCII磷酸化后，便從PSII分布的基粒類囊體的垛疊區(qū)，向PSI分布的非垛疊區(qū)移動，擴(kuò)大了PSI的捕光面積，使吸收的光能更多的向PSI分配。這樣，就對比較脆弱的PSII形成一種保護(hù)。通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換來猝滅的程度，常用qT表示。（3）圍繞PSII的電子循環(huán)Heber等1979年根據(jù)cytb559與PSII結(jié)合的特點(diǎn)及其氧化還原特性，提出了可能存在通過cytb559的圍繞PSII的電子循環(huán)傳遞，并認(rèn)為這種循環(huán)可以保護(hù)PSII不受過量光的傷害。Falkowski(1986)、Thompson(1988)等用生理學(xué)和物理學(xué)方法，證實(shí)了之一循環(huán)的存在。此循環(huán)是由醌提供電子給cytb559,后者把電子傳給chlz（聯(lián)接天線和PSII反應(yīng)中心的輔助葉綠素），chlz再把電子傳給P680。

電子是從QB經(jīng)Cytb559，然后再回到P680。即：P680→Pheo→QA→QB→Cytb559→Chlz→P680也有實(shí)驗(yàn)指出PSⅡ中環(huán)式電子傳遞為：P680→Cytb559→Pheo→P680Falkowski估算，在飽和光照下，又15％的電子走這條循環(huán)傳遞途徑。此外，在光能過剩的情況下，圍繞PSI的循環(huán)電子傳遞，也可對PSII提供有效的保護(hù)。（4）形成跨膜質(zhì)子梯度——類囊體膜能量化（類囊體腔酸化）

葉綠體在光下，由于水的裂解和跨膜質(zhì)子交換，在類囊體膜兩側(cè)可以產(chǎn)生高達(dá)3個pH梯度的質(zhì)子差，這種狀態(tài)叫做膜的能量化。

光合磷酸化所必需

耗散過量光能：這是保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受光氧化破壞的重要機(jī)制，被稱為能量猝滅（qE），其程度常用chla的熒光參數(shù)NPQ來度量。

其機(jī)理是：

①降低1chl的壽命，從而減少PSII反應(yīng)中心和LHCII種1O2的產(chǎn)生；

②阻止類囊體膜的過度酸化和長壽命P680＋的產(chǎn)生；

③降低PSI將O2還原為O2－.的速率。

④形成跨膜pH梯度，導(dǎo)致LHCII構(gòu)象變化，增加了chl之間、chl與葉黃素之間的相互作用，促進(jìn)葉黃素循環(huán)，從而促進(jìn)了猝滅作用。（5）葉黃素循環(huán)Yamamoto等（1962）報道了植物體內(nèi)存在著葉黃素循環(huán)，但其功能一直不清楚。直到1990年，Demmmig-Adams等，證明了這一循環(huán)與類囊體膜的能量化一起，共同調(diào)節(jié)能量耗散過程。葉黃素循環(huán)是指葉黃素的三個組分依光照及其它條件的改變而相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)出現(xiàn)過剩光能時，紫黃質(zhì)便會在環(huán)氧化酶的作用下，通過中間體環(huán)氧玉米黃質(zhì)轉(zhuǎn)化為去環(huán)氧的玉米黃質(zhì)。此過程為葉黃素循環(huán)的去環(huán)氧化。玉米黃質(zhì)可直接猝滅激發(fā)態(tài)葉綠素或通過改變類囊體膜的流動性及促進(jìn)PSⅡ的LHCⅡ聚集來增加非輻射能量耗散。當(dāng)光能不再過剩時，則向相反的方向轉(zhuǎn)化，結(jié)果玉米黃質(zhì)減少，紫黃質(zhì)增加。非輻射能量耗散的增加不可避免地導(dǎo)致光能轉(zhuǎn)化效率的下降，但它卻能減輕甚至避免過剩光能對光合機(jī)構(gòu)的破壞，因此這種光抑制被認(rèn)為是光合機(jī)構(gòu)為適應(yīng)強(qiáng)光所付出的必要代價，被稱為光合作用的下調(diào)（downregulation）。高光強(qiáng)，低pH(<6.5),紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化酶紫黃質(zhì)環(huán)氧玉米黃質(zhì)玉米黃質(zhì)（violaxanthin）（antheraxanthin）(zeaxanthin)

低光強(qiáng)，高pH(>6.5),玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶

葉黃素循環(huán)

耗能機(jī)理：玉米黃質(zhì)是類胡蘿卜素的一種，各種類胡蘿卜素的單線態(tài)的能量高低，取決于其分子中共軛雙鍵的多少，共軛雙鍵多，則其單線態(tài)能量低。

紫黃質(zhì)（Vio）→環(huán)氧玉米黃質(zhì)→玉米黃質(zhì)共軛雙鍵：9個10個11個能量：高中低

葉黃素循環(huán)受底物抗壞血酸(AsA)的調(diào)節(jié)，被低濃度DTT特異抑制。目前，人們常用antherxanthin+Zea/Vio+antherxanthin+Zea比值，來表示有機(jī)體中的脫環(huán)氧化狀態(tài)。（6）PSII的異質(zhì)化和反應(yīng)中心的失活周轉(zhuǎn)近幾年的研究表明，植物體內(nèi)PSII反應(yīng)中心不是均一的，具有異質(zhì)性（多樣性），這些不同狀態(tài)的反應(yīng)中心和PSII的失活周轉(zhuǎn)共同參與了過量能量的耗散。PSII非均一性：PSII－QB-reducing:可還原中心，具有電子傳遞能力，占75－80％?？呻S光強(qiáng)而變化。強(qiáng)光時減少，弱光時增多。PSII－QB-nonreducing:不可還原中心，不具有電子傳遞能力，即不能進(jìn)行QA→QB間的電子傳遞。占20－25％?？呻S光強(qiáng)而變化。強(qiáng)光時增多，弱光時減少。目前認(rèn)為，類囊體中存在一些無活性的PSII，不能進(jìn)行QA→QB間的電子傳遞，但它與周圍有活性的PSII有很好的連接，主要行使熱耗散功能，在過量光解除后，一部分失活的PSII可以復(fù)活。（7）光呼吸

C3植物的光呼吸具有很高的能量需求，可以耗去很多能量，防止強(qiáng)光和CO2虧缺條件下的光抑制。長期以來，光呼吸被認(rèn)為是“無效”耗能過程，人們試圖通過抑制光呼吸來提高光合速率和作物產(chǎn)量的努力，均難以奏效。但近年來越來越多的證據(jù)表明光呼吸在耗散過剩光能保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免于光破壞中起重要作用。光呼吸的保護(hù)作用大致通過四條途徑實(shí)現(xiàn)：①光呼吸釋放1分子CO2比光合碳同化固定1分子CO2多消耗兩倍的化學(xué)能量，當(dāng)碳同化不能及時利用化學(xué)能量時，光呼吸的耗能運(yùn)轉(zhuǎn)可以減少過剩光能的積累；②光呼吸循環(huán)加速了磷的周轉(zhuǎn)利用，從而避免了光合作用的無機(jī)磷限制；③光呼吸釋放的CO2和再生的3一磷酸甘油酸可以重新進(jìn)入卡爾交循環(huán)，維持一定的光合速率；④光呼吸降低Mehler反應(yīng)速率，有利于減輕O2－·等活性氧的潛在危害，而且比Mehler反應(yīng)的光保護(hù)作用更有效。（8）H2O-H2O循環(huán)Mehler反應(yīng)：2eSODPSI→2O2→2O2-

→O2+H2O2

↑4eCAT↓AsA-POD

PSIIH2O+O2

2H2OO2Mehler的保護(hù)作用需要清除活性氧的酶系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，否則，造成傷害。在這個過程中，PSII中水光解所產(chǎn)生的電子，通過PSI傳遞給O2，最終又還原成H2O,其中沒有氧的釋放。因此：PSI受體側(cè)對O2的直接還原生成O2-，后者又被SOD和過氧化物酶作用生成H2O,這種在葉綠體中O2的光還原最終生成H2O的過程，叫做H2O－H2O循環(huán)。徑5、研究光抑制的主要生理方法（1）氣體交換法應(yīng)用IRGA或葉園片氧電極測定CO2同化或O2釋放的量子效率，根據(jù)葉片的光合作用對光的響應(yīng)曲線，來區(qū)分PSII反應(yīng)中心破壞引起的光抑制和熱耗散增加引起的光抑制。（2）熒光分析單列一章來講。（3）特定波長下光吸收的測定ΔA505：通過測定完整葉片照光前后的ΔA505，來反應(yīng)玉米黃質(zhì)的形成。強(qiáng)光處理常使ΔA505增大。ΔA320：320nm光吸收的變化主要反映QA還原情況，它是光抑制破壞的一個良好指標(biāo)。光抑制處理后，ΔA320減少，表明反應(yīng)中心電荷分離受抑（即還原態(tài)QA減少了）。ΔA830：830nm光吸收的變化，反映PSII在光合放氧中的周轉(zhuǎn)情況。在光抑制過程中，菠菜葉片類囊體膜碎片的ΔA830和放氧速率同步下降，表明光抑制主要是反應(yīng)中心喪失了電荷分離能力。二、溫度

溫度是影響光合機(jī)構(gòu)最為頻繁的環(huán)境因素，光合作用的暗反應(yīng)屬于酶促反應(yīng)，很易受到溫度的影響。

1、光合機(jī)構(gòu)對高、低溫的適應(yīng)與葉綠體膜的穩(wěn)定性有關(guān)

膜的穩(wěn)定性取決于膜的不飽和脂肪酸的比例和膜的流動性。熱帶植物熱穩(wěn)定性高，膜脂相變溫度也高，耐熱不耐冷。2、光合機(jī)構(gòu)對低溫、冰凍的適應(yīng)機(jī)制

◆可溶性蛋白積累；

◆糖蛋白增加；

◆Rubisco結(jié)構(gòu)和催化活性改變。制3、高溫對光合機(jī)構(gòu)的損傷部位

●PSII反應(yīng)中心及其氧化側(cè)的類囊體膜。

●熱激蛋白對高溫下的PSII具有保護(hù)作用。三、水分水是光合作用的原料，但僅占吸收量的一少部分。但間接作用很大。1、缺水

輕度缺水：氣孔關(guān)閉→CO2進(jìn)入葉內(nèi)減少→光合下降（氣孔限制）。

嚴(yán)重缺水：氣孔關(guān)閉（氣孔限制）＋光合機(jī)構(gòu)損傷（非氣孔限制）

植物對缺水的適應(yīng)機(jī)制：

◆限制葉片擴(kuò)展

◆產(chǎn)生葉面覆蓋物：茸毛、蠟質(zhì)、鹽類結(jié)晶

◆減少光能吸收：葉片運(yùn)動、葉綠體運(yùn)動

◆減少水分蒸騰

◆提早開花結(jié)實(shí)：如沙漠的短命植物。2、水分過多

●根系活力受阻；

●電子傳遞效率下降；

●NADP還原受阻制四、空氣光合作用的原料CO2來源于空氣，一般空氣中的CO2濃度位300－400ppm。1、CO2濃度與光合作用空氣中的CO2濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C3植物的飽和點(diǎn)，因此，CO2濃度常常是C3植物光合作用的主要限制因素。因此，采用CO2施肥可以取得明顯效果。C4植物由于存在一個碳二羧酸循環(huán)途徑，使VBS細(xì)胞中CO2濃度成倍增加，通常條件下，CO2濃度不是其光合限制因子。

2、長期高CO2濃度對光合機(jī)構(gòu)的影響

化石燃料的大量使用，造成空氣中CO2濃度不斷增加，引起溫室效應(yīng)，會對生物界和人類社會發(fā)生深刻的影響。因此，植物生理學(xué)家非常關(guān)注這種CO2濃度增加對植物的影響。長期：幾個星期－幾個月

高濃度：700ppm左右（比現(xiàn)在增加1倍）（1）光合速率

CO2濃度增加可減少O2對Rubisco的競爭，從而使葉片的光合速率升高。然而，存在這樣一種現(xiàn)象：光合作用下調(diào)（馴化、適應(yīng)）。

“downregulationofphotosynthesisorphotosyntheticacclimation”:即在同樣的CO2濃度下測定，高CO2濃度下生長的植物，其光合速率低于普通空氣下生長的植物。不論在普通空氣下測定還是在高CO2濃度下測定均如此。（2）光合酶系在高CO2濃度下，葉片的可溶性蛋白含量、Rubisco的含量與活性均表現(xiàn)下降趨勢。（3）光化學(xué)系統(tǒng)chl含量下降，chla/chlb比值、PSII量子效率變化不大。（4）光合產(chǎn)物積累與分配長期生長在高CO2濃度下，導(dǎo)致淀粉積累、蔗糖合成增加。對光合產(chǎn)物的分配影響與N素營養(yǎng)有關(guān)：

高N，高CO2濃度下：光合產(chǎn)物輸出減少低N，高CO2濃度下：光合產(chǎn)物輸出增多（4）光呼吸和暗呼吸光呼吸：降低。與CO2與O2對Rubisco的競爭有關(guān)暗呼吸：降低。第一是由于CO2固定增加，使觀測到的呼吸速率相對減少；第二是由于CO2影響細(xì)胞pH，進(jìn)而影響呼吸酶系統(tǒng)的活性。五、礦質(zhì)營養(yǎng)●N、P、K不足：光合下降。主要是酶活性下降●Mg、Fe不足：減少chl合成●Ca、Mn不足：影響光合放氧●重金屬過多：抑制PSII活性、降低電子傳遞效率，抑制非環(huán)式光合磷酸化。同時影響酶活性。第三章逆境下光合作用的限制部位從上一章所述可知，幾乎所有的不良環(huán)境都會導(dǎo)致光合速率的下降，那么，這些環(huán)境脅迫是如何引起葉片光合速率下降的呢？是在CO2從空氣向葉綠體羧化部位的傳導(dǎo)過程中，還是在CO2的固定、還原過程中？還是在同化力形成過程中？如果能對這些問題作出滿意的回答，對于深入了解光合作用的調(diào)控機(jī)理，獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效是非常有益的。一、光合作用的氣孔限制和非氣孔限制（一）限制因子定律限制因子定律：如果一個過程受多種因子的制約，則這些因子中處于最低水平或最不能滿足過程要求的因子，將成為限制整個過程速度的關(guān)鍵因子。只有提高了限制因子的水平，整個過程的速度才能加。

水桶理論模型。（二）蒸騰與光合過程中水氣和CO2擴(kuò)散阻力的分析從生態(tài)生理角度來看，光合與蒸騰分別是水分子和CO2通過葉片的內(nèi)外交換過程，其主要通道是氣孔，光合與蒸騰速率可分別用CO2和水蒸氣分子的擴(kuò)散通量來表示（mol.s-1）。擴(kuò)散的動力是葉內(nèi)外氣體的濃度差。按照費(fèi)克擴(kuò)散定律，擴(kuò)散途徑中氣體的擴(kuò)散通量與擴(kuò)散途徑的濃度差成正比，而與擴(kuò)散阻力成反比。對于蒸騰速率，其關(guān)系式是：ΔCTr＝Σr

ΔC=Ci－Ca

對于光合作用：ΔC’Pn＝Σr’

ΔC’=Ca’－Ci’徑但是，光合作用的情況與蒸騰作用不同，CO2從大氣進(jìn)入葉肉并沒有完成擴(kuò)散的全過程，CO2必須到達(dá)葉綠體的羧化部位，才能被同化，才算完成了擴(kuò)散。CO2在液相中的擴(kuò)散阻力更大。所以，光合和蒸騰的總阻力是明顯不同的。

這個問題與分段電路中的歐姆定律相似，可把總阻力分成若干小段，分別加以考察。在同一擴(kuò)散途徑中，各阻力可視為串聯(lián)，而不同擴(kuò)散途徑（如氣孔擴(kuò)散與角質(zhì)擴(kuò)散）阻力可視為并聯(lián)。在同一擴(kuò)散途徑的各個小段，其擴(kuò)散通量（相當(dāng)于電流）是相等的。按照以上原則，可把擴(kuò)散阻力分為以下幾段：

1、界面層阻力rL和rL’:指葉面空氣滯留層對氣體擴(kuò)散造成的阻力。它與葉表面的性質(zhì)、葉片大小、風(fēng)速等有關(guān)。

2、氣孔阻力rs和rs’:指氣孔對氣體擴(kuò)散的阻力，其大小取決于氣孔密度、孔口大小和張開度。

3、葉肉阻力rm’:指CO2在葉肉細(xì)胞擴(kuò)散的阻力。rm’包括：細(xì)胞壁阻力原生質(zhì)膜阻力細(xì)胞溶質(zhì)阻力葉綠體被膜阻力羧化阻力（其倒數(shù)是羧化效率）根據(jù)以上原則，蒸騰和光合阻力的表達(dá)式為：

Ci－CaTr＝rL＋rs

Ca’－Ci’Ca’－Cchl’Pn＝＝rL’＋rs’rL’＋rs’＋rm’(三)擴(kuò)散阻力與導(dǎo)度的測量原理根據(jù)以上的分析，可用儀器測量出幾個關(guān)鍵參數(shù)，并計算各種阻力的值。

1、水的擴(kuò)散阻力與導(dǎo)度根據(jù)上邊的式子，水氣擴(kuò)散的氣孔阻力為：

Ci－Cars＝－rLTr式中：Ca是空氣中的水氣密度，可用濕度計測出；Ci是細(xì)胞間隙的水蒸氣密度，常把它看作當(dāng)時葉溫下的飽和水蒸氣密度，可測定葉溫，查表求出；Tr是蒸騰速率，可用儀器測出；rL是界面層阻力。可用模擬的方法測出。以濕的濾紙代替葉片，其水分散失相當(dāng)于完全沒有表皮細(xì)胞的裸露葉肉細(xì)胞，可看成rs＝0，這種情況下，按照公式：ΔCTr＝rLΔCrL＝Tr

式中，ΔC以紙片溫度下的飽和水氣密度與空氣中水氣密度之差來表示。近年來，學(xué)者們更多的用導(dǎo)度來代替阻力，兩者的關(guān)系正如電導(dǎo)與電阻的關(guān)系，互為倒數(shù)。gs＝1/rs(氣孔導(dǎo)度)

gm=1/rm（葉肉導(dǎo)度）

其優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)度與通量成正比直線關(guān)系，容易進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而阻力與通量則為雙曲線關(guān)系，數(shù)據(jù)處理常有不便。2、CO2的擴(kuò)散阻力與導(dǎo)度

上邊是對水氣分子擴(kuò)散阻力的計算，對于CO2分子的阻力，不可用上述方法直接算出。因?yàn)槿~肉細(xì)胞的CO2濃度Ci’無法估計，直接測定則難度較大。而用簡介的方法計算比較方便。由于氣體分子的擴(kuò)散系數(shù)大小與其分子量的平方根成反比，而CO2與水分子經(jīng)過同樣的氣孔擴(kuò)散，那么，CO2受到的擴(kuò)散阻力就相當(dāng)于水分子阻力的1.56倍。44-2=1.5618-2由于CO2進(jìn)入氣孔的同時，水分子向外擴(kuò)散，故CO2進(jìn)入的阻力會加大，Cowan根據(jù)實(shí)驗(yàn)，把它修正為1.6。rs’=1.6rs

對于界面層阻力，此系數(shù)為1.37。因?yàn)榻缑鎸觾?nèi)的擴(kuò)散，不僅取決于氣體分子的大小，還與氣體分子的湍流傳輸有關(guān)。即：

rL’=1.37rL

于是，CO2在氣相中擴(kuò)散的總阻力為：

Σr’=1.6rs+1.37rL

明確以上關(guān)系后，即可計算Ci’:由于：Pn=(Ca’-Ci’)/Σr’得：Ci’=Ca’－Pn×Σr’＝Ca’－Pn/Σg’

因?yàn)閞’與g’互為倒數(shù)：Σg’＝1/Σr’(四)氣孔限制值的計算在研究光合速率與光強(qiáng)、CO2的關(guān)系時，人們常用光合作用的光響應(yīng)曲線（PFD－Pn曲線）、光合作用的CO2響應(yīng)曲線(Ca－Pn曲線)來進(jìn)行分析。自從測定氣孔導(dǎo)度的儀器問世以后，由于能夠間接測算出Ci（細(xì)胞器間隙CO2濃度），便可繪出Ci－Pn曲線。通過比較Ca－Pn曲線和Ci－Pn曲線的差別，區(qū)分氣孔因素和葉肉因素（非氣孔因素）對光合的影響。2、CO2-Pn響應(yīng)曲線比較上述兩條曲線可見，在同樣的CO2范圍內(nèi)，Ca－Pn曲線的光合速率，總是低于Ci－Pn曲線。這種降低顯然是由于氣孔對CO2擴(kuò)散的限制所致。以CO2濃度相當(dāng)于空氣中CO2濃度340μmol.L-1為例，若葉肉細(xì)胞達(dá)到此濃度，Pn可達(dá)到A0值，然而，若空氣中達(dá)到該濃度，Pn僅為A值，Ao－A之差，是氣孔阻力所造成的。其實(shí)質(zhì)是在空氣保持這一濃度時，葉肉細(xì)胞間隙CO2濃度實(shí)際上只有Ci,兩者的濃度之差，正是氣孔阻力造成的。這樣，可以根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行氣孔限制值的計算。1、根據(jù)CO2濃度差值計算Ca－ciCiLs==1－CaCa

●當(dāng)氣孔完全關(guān)閉時，可設(shè)想Ci=0，Ls=1

●當(dāng)氣孔完全開放時，Ci=Ca，Ls=0所以，Ls在0于1之間變動。

但是,這種計算方法只適應(yīng)于CO2為限制因子的情況,即Pn-CO2曲線的直線上升階段。因?yàn)閮烧叱芍本€關(guān)系，CO2濃度可代表光合速率。隨著曲線的彎曲，就不能再用CO2濃度的變化來表示光合速率的變化。換句話說，光合速率的變化不完全是CO2供應(yīng)限制的結(jié)果。這種情況下，應(yīng)該用實(shí)際光合值來表示。2、根據(jù)A計算這是Farquhar和Sharkey發(fā)展的方法，計算簡便。根據(jù)上圖：Ls=(A0－A)/Ao=1－A/AoAo:是Ci=Ca時的Pn,或氣孔阻力為0時的光合速率A：是空氣中CO2濃度為Ca’時的Pn，即在氣孔阻力作用下，由于CO2擴(kuò)散受到限制而使光合達(dá)到的實(shí)際值。Ao－A：是氣孔限制造成的光合下降。

此法可以避免對氣孔限制值的過分估計，氮存在兩個缺點(diǎn)：（1）需要測定Pn-ci和Pn-Ca兩條曲線，較煩雜（2）逆境下，Pn太低，甚至為負(fù)值，此時側(cè)難以估計Ls。（五）逆境條件下光合作用氣孔限制和非氣孔限制判斷根據(jù)以上氣孔限制的理論分析，可以區(qū)分不同情況下光合作用的主要限制因子。例如，干旱條件下，光合作用下降，氣孔導(dǎo)度也下降，但是，不能就據(jù)此推論是氣孔影響的結(jié)果，應(yīng)區(qū)別情況進(jìn)行分析。1、當(dāng)輕度水分脅迫時：氣孔導(dǎo)度下降，而葉肉細(xì)胞仍活躍進(jìn)行光合，則Ci應(yīng)明顯降低，Ls值升高。2、當(dāng)嚴(yán)重干旱脅迫時：葉肉細(xì)胞光合能力受損，即便gs較低情況下，Ci可升高或不變，此時Ls降低。光合作用氣孔限制與非氣孔限制的判斷：參數(shù)氣孔限制非氣孔限制Pn下降下降Gs下降下降Ci下降上升或不變Ls升高下降實(shí)例：魯豆4號鼓粒期光合特性處理AoAGs（ms-1）Ci(μlL-1)Ls(%)葉肉導(dǎo)度CK29.1190.78286.717.50.1185輕度干旱22.214.30.37274.018.90.0896中度干旱12.89.20.15244.228.90.0635嚴(yán)重干旱1.720.970.05287.32.30.0132A:μmolm-2s-1葉肉導(dǎo)度：зA/зCi

從表中可以看出，隨著水分脅迫的加重，A下降，gs也下降，但不能斷定A下降就是gs下降造成的。Ci:從CK到中度脅迫一直下降，嚴(yán)重干旱時又升高；Ls:從CK到中度脅迫一直上升，嚴(yán)重干旱時又下降；葉肉導(dǎo)度：從CK到中度脅迫下降，但幅度不大，嚴(yán)重脅迫時急劇下降。上述結(jié)果表明：在中度水分脅迫之前，水分虧缺雖然也影響葉肉細(xì)胞的光合能力，使葉肉導(dǎo)度和A下降，但起主導(dǎo)作用的是氣孔關(guān)閉，即一氣孔限制為主。（可從Ci下降、Ls上升證明）。在嚴(yán)重水分脅迫時，gs雖然進(jìn)一步降低，但葉肉導(dǎo)度降低幅度更大，葉肉因素成為主導(dǎo)因素。（可從Ci上升、Ls下降證明）。二、生理因素對光合作用的限制除了外界環(huán)境因素外，植物自身的多種生理因素也常常限制光合作用的高速進(jìn)行。

Rubisco是光合碳同化的關(guān)鍵酶或限速酶。光飽和的光合速率與Rubisco具有良好的正相關(guān)。因此，活化態(tài)的Rubisco的不足，常是光合作用的一個限制因子。1、RuBP羧化限制在飽和光強(qiáng)下，Pn對Ci的響應(yīng)曲線，可分為2個明顯的階段：

第一階段：在較低的Ci下，Pn隨Ci增加而直線增加，這段直線的斜率，叫做羧化效率（CE:carboxylicefficiency）。CE大小是活化Rubisco多少的指標(biāo)。

第二階段：在較高的Ci下，Pn幾乎不再隨Ci增加而上升，這時的Pn叫做光合能力(Pm)。它表示葉片在不受光、溫、水、CO2等環(huán)境因子限制時潛在的光合能力。Pm大小受RuBP再生的制約，RuBP再生又受同化力(ATP,NADPH)制約。

兩個階段之間，有一個曲線階段：Pn隨Ci增加而緩慢上升，反映了光合作用從受RuBP羧化限制到向RuBP再生限制轉(zhuǎn)變。2、RuBP再生限制在光合作用對CO2增加的響應(yīng)過程中，隨著CO2增加，Pn增高，RuBP的消耗也增多。當(dāng)RuBP的濃度不足以飽和Rubisco的催化部位時，便會發(fā)生RuBP再生對光合作用的限制。這時，光合速率不再隨CO2濃度增加而升高。由于RuBP的再生依賴于同化力的供應(yīng)，而同化力的供應(yīng)又取決于電子傳遞和光合磷酸化，所以，RuBP再生限制在一定程度上反應(yīng)了光合電子傳遞及光合磷酸化等光反應(yīng)狀況。

其重要參數(shù)是：φPSII（PSII光化學(xué)效率）

在低光強(qiáng)下，由于種種原因造成的φPSII降低會成為光合作用的限制因子。

在飽和光強(qiáng)下，φPSII的降低不一定就會是光合的限制因子，因?yàn)檫@時φPSII下降不一定會導(dǎo)致Pn下降。3、磷再生限制

磷：是光合作用不可缺少的元素，在光合作用中，磷在不斷地循環(huán)使用。形成同化力時，P進(jìn)入ATP，ATP被用于碳同化時，它進(jìn)入TP，TP合成淀粉和蔗糖時，它又形成無機(jī)磷釋放出來。如果TP的利用速率低于其產(chǎn)生速率，則Pi的再生釋放就會減慢，從而因Pi再生對光合造成限制，即磷再生限制。

原因：①影響PGA還原；②影響RuBP再生③PGA積累，導(dǎo)致葉綠體間質(zhì)pH降低，造成Calvincycle中許多酶活性下降，如Rubisco,Ru5P激酶等，因此，光合速率Pn降低。

當(dāng)然，磷過多時，也會引起光合下降，因?yàn)闊o機(jī)磷酸是Rybisco的一種競爭性抑制劑。4、光合產(chǎn)物限制早在100多年前，就有人提出，照光葉片中同化物的積累會使葉片的光合速率下降，即產(chǎn)物抑制假說。然而，100多年來，該學(xué)說既沒有被證明，也沒有被推翻、被拋棄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很不抑制，證實(shí)和反證都難。①提高源庫比例，阻止葉片中光合產(chǎn)物輸出，使葉片中光合產(chǎn)物增多，可以觀察到Pn下降。往往是用末端產(chǎn)物的反饋抑制來解釋。但是，有人認(rèn)為，通過認(rèn)為改變?nèi)~片中光合產(chǎn)物積累的同時，葉片中的激素水平、水分狀況等也發(fā)生了變化，Pn的下降不一定就是光合產(chǎn)物積累所致。②有些實(shí)驗(yàn)則證明，葉片中光合產(chǎn)物積累，并不導(dǎo)致Pn下降；③產(chǎn)物限制的閾值觀點(diǎn)：認(rèn)為即便植物體內(nèi)存在產(chǎn)物限制，也是在光合產(chǎn)物積累到一定水平之后，才會抑制光合作用。在沒有環(huán)境脅迫時，產(chǎn)物積累低于閾值，產(chǎn)物限制就不是主要的限制因子。也就是說，光合產(chǎn)物在一定限度內(nèi)的積累，不會成為光合作用的限制因子。第四章利用葉綠素?zé)晒夥治鲅芯抗夂献饔媒┠陙?，葉綠素?zé)晒夥治鲈谥参锷砩鷳B(tài)研究中應(yīng)用非常廣泛，似乎在田間不進(jìn)行熒光分析就不是對光合進(jìn)行研究。這種情況的出現(xiàn)，主要?dú)w功于一些便攜式葉綠素?zé)晒夥治鰞x的開發(fā)使用。盡管測定起來比較簡單，但是它所依據(jù)的理論，及其數(shù)據(jù)的解釋卻是很復(fù)雜的問題，有時甚至有很大爭論。目前已有許多文章綜述，但多數(shù)是生物物理學(xué)家的觀點(diǎn)。本節(jié)主要講述葉綠素?zé)晒夥治龅幕驹砗图夹g(shù)，為感興趣的、試圖在田間或?qū)嶒?yàn)室利用這項(xiàng)技術(shù)的初學(xué)者提供一個簡要的指導(dǎo)。熒光分析的原理是比較簡單易懂的。葉綠素吸收的光能有3種命運(yùn)：

●用于推動光化學(xué)反應(yīng)（光合作用）

●過多的能量以熱的形式耗散

●發(fā)光：釋放熒光葉綠素去激途徑這三個途徑同時存在，并發(fā)生競爭，任何一個途徑增強(qiáng)，都會削弱另外兩個途經(jīng)。所以，通過測定葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量，即可獲得光化學(xué)效率和熱耗散的信息。

調(diào)制式熒光分析儀的出現(xiàn)是一場革命，在這種測定系統(tǒng)中，測定熒光所用的光源是調(diào)制式的（即以高頻率地不斷開關(guān)），監(jiān)測器可以只檢測被測定光激發(fā)的熒光。所以，可以在背景光存在的情況下，測定出相對的熒光效率（產(chǎn)量），也可在陽光下測定，這一點(diǎn)更有意義。一、Kautsky效應(yīng)：為什么熒光效率會發(fā)生改變？早在1960年Kautsky及其同時就發(fā)現(xiàn)了葉綠素?zé)晒庑实淖兓?。他們發(fā)現(xiàn)，把一個光合材料從暗中轉(zhuǎn)移到光下，葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量在1秒鐘內(nèi)發(fā)生增加。這種增加被解釋為是由于光合途徑中電子受體的減少，特別是PSII下游的質(zhì)體醌(QA)變化。一旦PSII吸收光能，QA接受一個電子，在它把電子傳給下一個受體QB之前，就不能再接受電子了。在這期間，反應(yīng)中心呈“關(guān)閉”狀態(tài)。任何時候，總是有一些反應(yīng)中心處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致光化學(xué)效率降低，而熒光效率增加。當(dāng)把一個葉片從暗中轉(zhuǎn)移到光下時，PSII中心逐漸關(guān)閉，使得熒光產(chǎn)量在照光后1s內(nèi)增加，接下來，熒光產(chǎn)量又開始下降，持續(xù)幾分鐘。這種現(xiàn)象叫做“熒光猝滅”?？梢杂脙煞N方式來解釋（或兩種猝滅）：①光化學(xué)猝滅（qP）：由于光誘導(dǎo)碳同化酶的活化和氣孔的開放，使得電子從PSII向外傳遞的速率加快。這種熒光猝滅叫做光化學(xué)猝滅。②非光化學(xué)猝滅(NPQ)：與此同時，能量轉(zhuǎn)化為熱能的效率增加。整個過程就叫做“非光化學(xué)猝滅”。

對于典型的植物，這兩個過程大約需要15－20分鐘完成，達(dá)到一種穩(wěn)態(tài)。不過，不同植物達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間差異很大。二、熒光信號的解釋為了從葉綠素?zé)晒鉁y定獲得關(guān)于光合表現(xiàn)的有用信息，必須能夠?qū)⒐饣瘜W(xué)猝滅和非光化學(xué)猝滅進(jìn)行區(qū)分。通常的辦法是將其中之一關(guān)閉，特別是把光化學(xué)過程關(guān)閉，這樣，另外一個過程的熒光產(chǎn)量即可被估測出來。在體外試驗(yàn)條件下，常用的辦法是加入化學(xué)試劑，如DCMU（一種除草劑），抑制PSII，使光化學(xué)反應(yīng)降到0。不過，這種方法對于生理上來說，既不實(shí)用，也不理想。于是，又誕生了一種技術(shù)：雙光技術(shù)。這種技術(shù)可以使光化學(xué)猝滅暫時降低到0。在這種技術(shù)中，給一個高強(qiáng)度、短時間的閃光，使所有的PSII中心暫時全部關(guān)閉。只要這個閃光足夠短，就不會發(fā)生非光化學(xué)猝滅的增加，也不引起光化學(xué)效率的長期變化。在這個閃光期間，熒光產(chǎn)量達(dá)到一個沒有光化學(xué)猝滅存在下的最大值，即最大熒光（Fm）。把Fm與穩(wěn)態(tài)熒光Ft(光照下的熒光)及初始熒光Fo(沒有作用光存在時的熒光)進(jìn)行比較，即可得到光化學(xué)猝滅及PSII運(yùn)轉(zhuǎn)的信息。在光化學(xué)效率發(fā)生變化的同時，熱耗散的效率（即非光化學(xué)猝滅）也在隨著內(nèi)外因素的變化而變化。這些變化可以從Fm的水平來反映出來。和光化學(xué)效率不同，完全抑制熱耗散是不可能的，所以，要想測定出沒有非光化學(xué)猝滅存在下的葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量也是不可能的。因此，估計非光化學(xué)猝滅主要是通過暗適應(yīng)點(diǎn)的熒光（Fmo）.由于這些原因，有必要設(shè)計一個試驗(yàn)，估測出經(jīng)過暗適應(yīng)的、非脅迫下的參考值。這一點(diǎn)在田間不易做到，通常是估測黎明前的Fm值。三、熒光猝滅分析在葉綠素?zé)晒夥治鍪褂貌婚L的歷史中，出現(xiàn)了很多不同的參數(shù)，來計算光化學(xué)猝滅和非光化學(xué)猝滅，甚至有時一個參數(shù)會有不同的解釋。這一點(diǎn)常使初學(xué)者困惑。這里介紹一些較為標(biāo)準(zhǔn)的、常用的參數(shù)。

圖2所示為一個完整葉片利用飽和脈沖光法的典型熒光軌跡圖。MeasurementofchlorophyllfluorescencefromamaizeleafbythesaturationpulsemethodusingaPAM-2000instrument打開測量光（MB），測定零熒光水平(Fo)；然后使用一個飽和脈沖光（SP），可測定最大熒光水平（Fm）；再用一個驅(qū)動光合的作用光(AL)，一段時間后，再加一個飽和脈沖光（SP）測定光照條件下的最大熒光（Fm’）。在照射飽和脈沖光之前的熒光水平為穩(wěn)態(tài)熒光（Ft）。關(guān)掉作用光（AL），加上遠(yuǎn)紅光，可以測定照光下的零水平熒光（Fo’）。

常用的熒光參數(shù)：

光化學(xué)猝滅參數(shù)：

ΦPSII：PSII量子產(chǎn)量（效率）（Fm’-Ft）/Fm’qP:開放PSII的比例（光化學(xué)猝滅）（Fm’-Ft）/（Fm’－Fo）

Fv/FmPSII最大量子效率（Fm-Fo）/Fm

非光化學(xué)猝滅參數(shù)：NPQ:非光化學(xué)猝滅(Fm-Fm’)/Fm’qN:非光化學(xué)猝滅（Fm-Fm’）/(Fm-Fo)（一）光化學(xué)過程光化學(xué)猝滅總是與Fm’和Ft有關(guān)。最有用的參數(shù)就是PSII的光化學(xué)效率：ΦPSII。ΦPSII＝(Fm’-Ft)/Fm’這個參數(shù)測定的是PSII葉綠素吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)的那一部分占多少。這樣，它就給出一個線性電子傳遞速率以及總體光合作用的指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，這個指標(biāo)與CO2固定有著很強(qiáng)的相關(guān)性，然而，在某些逆境下，二者會發(fā)生差異，這是由于光呼吸和假環(huán)式電子傳遞引起的。因?yàn)棣礟SII是PSII光化學(xué)量子效率，所以可以用來計算線性電子傳遞速率和總體光合能力。J=ΦPSII×PFDa×（0.5）這里PFDa吸收的光量子通量密度（μmolphotonm-2s-1）,0.5是計算PSII和PSI之間能量分配的因子。另一個廣泛應(yīng)用的測定光化學(xué)效率的熒光參數(shù)是光化學(xué)猝滅：qP。計算如下：

qP=(Fm’-Ft)/(Fm’-Fo’)

盡管從表面上看它與ΦPSII非常相似，但實(shí)際意義有所不同。ΦPSII反應(yīng)的是吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)的部分，而qP表示PSII中心處于開放狀態(tài)的部分。另一個指標(biāo)是1－qP，表示反應(yīng)中心處于關(guān)閉狀態(tài)的部分，有時叫做PSII激發(fā)壓力。

ΦPSII和qP可以被第三個指標(biāo)相互聯(lián)系起來，就是Fv/Fm,即PSII的最大光化學(xué)效率，也就是所有PSII中心都處于開放狀態(tài)時的量子效率。

Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm=ΦPSII/qPΦPSII敘述的是已達(dá)到的效率，而qP和Fv/Fm則提供了潛在效率。qP的變化反映中心的關(guān)閉，這是由于光飽和造成的。Fv/Fm的變化是由于非光化學(xué)猝滅效率變化所致。Fv/Fm的暗適應(yīng)值反映了PSII潛在量子效率，常用作光合作用的靈敏指標(biāo)，對于大多數(shù)植物來說，其值在0.83左右。當(dāng)植物暴露在逆境下時，低于此值，尤其可以表明發(fā)生了光抑制現(xiàn)象。（二）非光化學(xué)過程量化非光化學(xué)猝滅的最直接方法是測定Fm與Fm’變化的比率。

NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’

NPQ與熱耗散呈直線相關(guān)，其值范圍是0～無窮大。對于一個典型的植物，在飽和光下，NPQ可以在0.5－3.5之間，但因不同的種以及植物歷史狀況不同而有很大變化。另一個反應(yīng)非光化學(xué)猝滅的指標(biāo)是qN，其值在0－1范圍，需要測定Fo。這個指標(biāo)目前認(rèn)為不太靈敏。應(yīng)該注意的是，以NPQ和qN來測定熱耗散，與暗適應(yīng)的狀態(tài)密切相關(guān)，當(dāng)參照值較高時，熱耗散也增加，這就意味著不同歷史狀態(tài)和不同種之間難以進(jìn)行明確的比較。總體而言，如果Fv/Fm的暗適應(yīng)值本來差異很大，不要進(jìn)行NPQ間的比較。

大多數(shù)情況下，對NPQ的主要貢獻(xiàn)者稱作高能態(tài)猝滅（qE）,被認(rèn)為對保護(hù)葉片免受光致破壞是必須的。這一過程需要類囊體腔的的pH值和光誘導(dǎo)的玉米黃素的形成。在葉片置于暗中以后，高能態(tài)猝滅在幾分鐘內(nèi)完成。第二個過程，叫狀態(tài)轉(zhuǎn)換（qT），它也需要幾分鐘，包括了集光色素蛋白的可逆磷酸化，它在低光下，對于平衡能量在PSII和PSI之間的分配是很重要的。這兩個猝滅過程較難區(qū)分，不過，qT一般對總猝滅的貢獻(xiàn)很小，并且只在低光下存在。大多說情況下，照光后需要幾分鐘的馳豫過程，被認(rèn)為是光保護(hù)過程。四、葉綠素?zé)晒夥治鲈谏砩鷳B(tài)研究中的應(yīng)用：

葉綠素?zé)晒饽軌驗(yàn)槟阕鲂┦裁?？上述討論概括了熒光分析的理論與技術(shù)問題，下面主要探討如何將這些理論用于田間和實(shí)驗(yàn)室的生態(tài)生理研究。如上所述，葉綠素?zé)晒饪梢越o我們提供關(guān)于PSII的信息，告訴我們PSII利用光能的程度以及過剩光能破壞的程度。這些聽起來好像很模糊的信息，然而，對于研究PSII的專家來說，它是非常重要的。在許多情況下，通過PSII的電子傳遞速率是總體光合速率的指標(biāo)，在其它方法無法測定的情況下，它給我們提供了一種光合能力的估計值。目前認(rèn)為，PSII最易受強(qiáng)光導(dǎo)致的損傷，是光合器官中最為脆弱的部位。在逆境下，PSII的損傷首先表現(xiàn)出來。熒光分析雖然是個有用的技術(shù)，容易測定，但是，如果試驗(yàn)設(shè)計不正確，則會出現(xiàn)參數(shù)無法解釋的現(xiàn)象。最好的辦法是與其它技術(shù)結(jié)合使用，特別是與氣體分析技術(shù)結(jié)合使用，這樣才能得到植物對環(huán)境響應(yīng)的完整信息。（一）PSII量子效率作為光合作用的度量熒光分析的主要誘人之處，是它可以給出光合作用的度量，不過，過于簡化和不適當(dāng)?shù)氖褂?，也會造成許多困惑。如前所述，利用熒光分析可以測定PSII的光化學(xué)效率，并通過乘以光強(qiáng)，轉(zhuǎn)化成線性電子傳遞速率。在實(shí)驗(yàn)室條件下，PSII電子傳遞與CO2固定之間有很好相關(guān)，但這種相關(guān)在田間條件下被打破。造成這種現(xiàn)象的原因，主要是由于CO2固定的相對速率變化以及光呼吸、氮代謝、Mehler反應(yīng)（電子交給氧）等幾個過程的的競爭。這就意味著僅僅用葉綠素?zé)晒怆y以準(zhǔn)確測定CO2固定。此外，還存在這樣品間的差異。利用ΦPSII×光強(qiáng)來計算電子傳遞速率，是假定PSII吸收的光能恒定，而對于生長在不同小氣候下的葉片，這是不可能的。如果同時直接測定光吸收，這個問題可以被部分解決，但又存在著光系統(tǒng)化學(xué)計量方面的差異。所以，不能直接利用熒光來進(jìn)行不同葉片或不同植物之間的光合作用的比較。由于上述原因，IRGA法在植物生態(tài)生理研究中仍很重要。如果把上面所講的問題避開，ΦPSII可以提供田間植物光合表現(xiàn)的有用信息，特別是，熒光分析測定既快速，又不破壞葉片，可以進(jìn)行連續(xù)測定。例如，Murchie等(1999)測定了兩個水稻品種相同部位葉片在不同發(fā)育時期電子傳遞速率，由于是先把葉片標(biāo)記起來，在同一葉片上進(jìn)行測定，使結(jié)果就有了可比性。熒光分析的另一個用途，是測定植物對不同微環(huán)境的適應(yīng)。通過測定ΦPSII對光照的依賴性，可以對不同田間植物的光飽和特性進(jìn)行快速測定。這對于研究地衣、苔蘚類植物的光合特別有用，因?yàn)檫@些植物難以利用常規(guī)的氣體分析方法來測定其光合。（二）把電子傳遞與碳素固定聯(lián)系在一起盡管熒光是由表面幾層葉肉細(xì)胞釋放的，而氣體交換則涉及葉片的所有細(xì)胞，但是，可采用同時測定二者的方法，來研究光能利用效率、CO2固定和光抑制的關(guān)系，一個簡單而廣泛使用的方法是找出電子傳遞與CO2固定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。在沒有光呼吸的條件下，同時測定不同光強(qiáng)時的CO2同化和φPSII，繪出CO2固定的量子效率（CO2）和φPSII線性關(guān)系圖，可以算出固定1分子CO2的電子需要量。如果在有光呼吸條件下，這種關(guān)系也存在，光呼吸強(qiáng)度即可被測定出來。這種方法常被用來測定干旱逆境下，光呼吸對光合機(jī)構(gòu)的保護(hù)作用。

熒光分析還可用來于了解低溫和高溫的效應(yīng)。例如，F(xiàn)ryeretal.（1998)通過比較CO2固定的量子產(chǎn)量(CO2)和ΦPSII，證明當(dāng)把玉米置于低溫下，增加假環(huán)式電子傳遞，產(chǎn)生活性氧。在生長前期，CO2/ΦPSII比值高于完全發(fā)育的、不受脅迫的葉片，表明電子在被用于CO2固定以外的其它途徑。這種增加伴隨著抗氧化能力的增加，暗示著這時葉片正在經(jīng)受著氧化脅迫。（三）闡明影響光合作用物質(zhì)的作用方式1、DCMUDCMU（diuron,敵草?。┦且环N除草劑，它可以阻斷PSII受體側(cè)的電子傳遞。在圖3所舉例子中，將玉米葉片浸泡在含有DCMU的溶液中，暗中保溫30分鐘，然后每間隔20s照射中等強(qiáng)度作用光(100mmolm-2s-1)和飽和脈沖光。從圖中可見，用DCMU處理的葉片，以FPSII測定的電子傳遞明顯下降，其原因是qP的減少。據(jù)此，可以推論DCMU強(qiáng)烈抑制緊接在PSII之后的電子傳遞。Figure3:TheeffectofDCMUonelectrontransportinamaizeleaf.

2、甲基紫精（百草枯）甲基紫精（百草枯，paraquat，Methylviologen，MV）也是一種除草劑，它可以從PSI接受電子，產(chǎn)生超氧化物。圖4所示為玉米葉片浸泡在含有MV溶液中，暗中保溫30min，然后測定其發(fā)射熒光。為了測定PSII最大量子效率，暗中使用一個飽和脈