第二講光合作用生態(tài)生理

Eco－Physiologyofphotosynthesis

第一章光合作用機理進展

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?？梢哉f，通過光合作用的反應系統(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、由光驅動的反應，叫做光反應；而不依賴于光，由酶催化的反應叫做暗（碳）反應。

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。（s,ms,μs,ns,ps,fs）一、光反應——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?shù)诙€分子電子振動被誘導起來，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)）。它能轉移能量但不能轉移電荷。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，

這種在相同分子內依靠激子傳遞來轉移能量的方式稱為激子傳遞。

天線色素吸收的光能，經過色素間的一系列傳遞，匯集到反應中心，在那里引起光化學反應。（二）原初光化學反應

原初反應是光合作用中將光能轉化為化學能的最初步驟，其反應非?？?，在fs—ps之間。反應部位：光合膜（反應中心）

（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：

PSII和PSI：

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

PSII復合體：PSII-α：基粒中央

PSII-β：間質片層

Cytb/f復合體：基粒垛疊區(qū)、基粒末端與邊緣

PSI復合體：PSI-α：基粒外周

PSI-β：間質片層

ATP酶復合體（CF,couplingfactor）：

CF1:位于膜表面，起催化作用，ADP+PiATPCfo:插入膜內，提供H+通道

OEC（放氧復合體）：膜內表面P680的原初電子供體：位于膜內側，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，在類囊體的內表面發(fā)生水的氧化，并向類囊體膜內釋放O2和H+。在膜的外側發(fā)生PQ還原，并通過跨膜移動，把膜外質子傳到腔內。

PSI受光激發(fā)后，從類囊體內側的PC接受電子，并在膜的外側把電子交給fd，從而在膜的外側進行NADP的還原。電子傳遞體在類囊體膜上的這種分布，使電子在膜的內外進行定向傳遞，形成跨膜質子梯度，推動ATP形成。（四）PSII的結構與運轉1、PSII復合體的結構PSII反應中心結構模式圖

示意PSII反應中心D1蛋白和D2蛋白的結構。D1很容易受到光化學破壞，會發(fā)生活性逆轉。電子從P680傳遞到去鎂葉綠素（Pheo）繼而傳遞到兩個質體醌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蛋白復合體組成的內周天線（近側天線）●由LHCII復合體組成的外周天線（遠側天線）

（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）。反應中心電子傳遞鏈：

Yz－P680－Pheo－QA(D2蛋白)－QB（D1蛋白）構成反應中心的電子傳遞鏈。

（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的運轉

PSII是執(zhí)行光誘導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－從間質接受2個質子，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等除草劑結合，從而阻斷電子從QA－向QB－的傳遞。此外，許多逆境因子，如高溫、強光、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。有關分子氧釋放的機理，依然是目前研究的重要問題。（1）氧釋放動力學光合放氧具有周期現(xiàn)象，在閃光誘導動力學研究中，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個氧化當量（正電荷），才能從2個水分子中奪取4個還原當量，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個質子，1個氧分子。（2）Mn,Cl,Ca與放氧的關系（1）Mn

直接參與水裂解積累4個氧化當量的過程。錳以不同的親和程度結合在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。（2）Cl與CaColema和Govindjee利用35Cl-NMR技術證明，氯和鈣與外周蛋白相互作用，會導致蛋白質區(qū)域之間鹽橋的斷裂，從而在錳簇中取出質子。（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還原側的QA到PSI氧化側的PC，中間有PQ,cytb/f復合體，PC的參與。1、從QA起到PQ的傳遞

QA的單電子載體行為轉換為QB的雙電子載體行為，這個轉化機理，是通過暗適應葉綠體的閃光實驗認識的。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關于PQ庫：

PQ是類囊體上含量最多的電子傳遞體，因此，認為存在一個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，當兩個光系統(tǒng)發(fā)生光能分配不均衡時，PQ庫可以起到調節(jié)與緩沖作用，從而保證兩個光系統(tǒng)的均衡運轉。此外，PQ的移動性，也使得H＋向類囊體腔內釋放，造成跨膜質子動力勢，推動ATP形成。2、cytb/f復合體（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復合體介導跨膜質子轉移的機理——Q循環(huán)關于Cytb６/f復合體介導的跨膜質子轉移的機理，Mitchell曾提出Q循環(huán)的假設：還原的PQH2將2個電子中的一個傳給Cytb6/f復合體中的FeSR，再交給Cytf，進而傳給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，電子由低電位的b６傳至高電位的b６，再將電子傳至PQ。經過兩次電子循環(huán)后，PQ兩次被還原，雙還原的PQ又從膜外結合兩個質子，并將其貯入質醌庫中。Q循環(huán)（第一次周轉）Q循環(huán)（第二次周轉）

放出的2個電子中，一個經RFeS和Cytf傳遞給PC。另一個經Cytb6的兩個b型血紅素bl（低電勢）和bh（高電勢）傳遞到類囊體基質側的質醌氧化位點Qn，將一個質醌分子還原為半醌。

電子傳遞同第一次周轉，只是這次的電子傳遞將半醌還原成還原型質醌。而后者再從基質側接受2個質子后，離開復合體進入質醌庫。Q 循環(huán)的結果：

一個質醌分子被氧化生成一個醌分子（PQ，在Qp位點），兩個電子轉移給質藍素，4個質子從基質轉移到內腔。3、PC（質藍素）

質藍素(PC)是位于類囊體膜內側表面的含銅的蛋白質，氧化時呈藍色。它是介于Cytb６/f復合體與PSⅠ之間的電子傳遞成員。通過蛋白質中銅離子的氧化還原變化來傳遞電子。分子特點：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復合體存在類囊體非堆疊的部分，PSⅡ復合體存在堆疊部分，而Cytb６/f比較均勻地分布在膜中，因而推測PC通過在類囊體腔內擴散移動來傳遞電子。電子傳遞順序：綠藻：cytf→PC→P700

高等植物：cytf→PC→P700（六）PSI結構與運轉1、PSI復合體組成反應中心P700

電子受體

LHCI（捕光天線）2、PSI反應中心的運轉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（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、機理：3.ATP合成的部位——ATP合酶

ATP合酶組成：

類囊體ATP合酶有兩部分組成：

CF0：跨膜部分

CF1：位于基質的親水部分質子通過CF0被轉運到酶的催化位點，利用形成的質子濃度梯度，CF1將ADP和Pi合成ATP。

ATP合酶在文獻中也被稱為CF0－CF1復合體。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QA到QB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子的透性或增加偶聯(lián)因子滲漏質子的能力，其結果是消除了跨膜的H+電化學勢，而電子傳遞仍可進行，甚至速度更快(因為消除了內部高H＋濃度對電子傳遞的抑制)，但磷酸化作用不再進行。

(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和百草枯的化學結構葉綠體電子傳遞鏈的抑制劑作用位點：

DCMU和DBMIB阻止電子傳遞反應，而還原態(tài)的百草枯自動氧化為基本離子，導致超氧和其他活性氧種類的形成。二、碳同化1、C3途徑：光調節(jié)酶：

RuBP羧化酶NADP-磷酸甘油醛脫氫酶SBP酯酶FBP酯酶Ru5P激酶RubiscoActivase2、C4途徑3、CAM途徑劍麻龍舌蘭落地生根第二章光合機構對環(huán)境的響應和適應

光合機構對環(huán)境的響應合適應，是目前光合作用研究中的一個熱點，它不僅涉及光合機構的調節(jié)控制，而且關系到作物的光合性能和生產能力，以及農業(yè)、環(huán)境等一系列重大問題。在植物的進化過程中，光合作用機構也在不斷進化。從細菌光合到植物光合就是一個重大進步。但這不意味著光合功能就此穩(wěn)定下來一成不變了。當我們發(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環(huán)境的變化?。?/p>

適應（adaptation）:

在長期（幾天、幾周、幾個月）變化了的環(huán)境中光合機構的形態(tài)、結構和功能上的變化。

響應（response）：在短期（最多幾小時）變化的環(huán)境中，光合功能的變化。但有時二者難以嚴格區(qū)分。一、光照（一）植物光合機構對光照條件的適應陰生植物與陽生植物光合機構比較部位參數(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、光補償點、光飽和點高低整體R/T大?。ǘ┲参锕夂蠙C構對光照條件的響應

短時間內光強的改變，光合機構具有一定的調節(jié)功能：

1、酶活性變化：激活或失活（如C3途徑中的光調節(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、葉綠體運動

4、葉片伸展角度改變

但這些調節(jié)是有一定限度的，當光強突然增加，植物來不及調節(jié)適應時，便會引起光抑制或光破壞。（三）強光對植物光合作用的影響——光抑制1、光抑制現(xiàn)象

photoinhibition:植物的光合機構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。葉溫和環(huán)境溫度日變化（Summerday)葡萄（Vitisvinifera）：光強和量子效率日變化凌霄花（Campsisgrandiflora):光強和量子效率日變化（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行，光能過剩程度加大；②不利于光脅迫破壞的修復。2、光抑制的機理（1）光合機構的破壞部位：PSII反應中心。按其發(fā)生的原初部位可分為：

◆受體側光抑制：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)；

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

Ｐ680+和1O2都是強氧化劑，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。

MechanismofthephotoinhibitionofPSII.(a)Theacceptor-sidephotoinhibitionofPSII.(b)Thedonor-sidephotoinhibitionofPSII.Intheacceptor-sidephotoinhibition,excessilluminationwithvisiblelightinduces1O2,whichdamagestheD1protein,whileinthedonor-sidephotoinhibition,thecationicradicalsformedatthedonorsideofPSIIbytheilluminationdamagetheD1protein.Thefateofthelight-orheat-damagedD1protein.Thefateofthelight-orheat-damagedD1protein.ThePSIIcomplexesareenrichedinthegranaandpresentasdimers.Whensubjectedtolightorheatstress,thePSIIcomplexessufferdamageandareconvertedtoamonomericform.ThedamagedPSIIcomplexesmigratefromthegranatothestromathylakoids,andunstackingofthethylakoidsmayfacilitatethediffusionoftheproteincomplexesonthethylakoidmembranes.TheD1proteininthePSIIcomplexisphosphorylatedbeforethestress,butisdephosphorylatedwhenlightorheatstressisapplied.PhosphatasesinthestromathylakoidsareresponsibleforthedephosphorylationoftheD1protein.ThedephosphorylatedD1proteinisrecognizedbyFtsHproteasesanddegraded.Bycontrast,thePSIIcomplexesthatarelocatedinthegranacoreandarenotdephosphorylatedformaggregateswiththenearbypolypeptidessuchasD2andCP43.AccumulationofsuchproteinaggregatesleadstothedysfunctionofPSII.FtsHisalsofoundinthegrana(Komayamaetal.2007)andistentativelydepictedasamonomer

（2）活性氧的破壞作用通過Mehler反應生成的活性氧，如果可被及時清除，則有防護作用；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)生光合機構破壞的光抑制。量子效率的降低是由于天線色素或反應中心激發(fā)態(tài)葉綠素熱耗散的增加引起的，反應中心復合體并不受到破壞。

這實際上也是一種對光合機構的保護機理。3、光抑制后光合功能的恢復

光抑制引起的破壞與自身的修復過程是同時發(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。當光抑制不太嚴重時，回到非脅迫條件下，幾分鐘到幾個小時，光合功能可以恢復。光抑制嚴重時，則難以恢復。

研究表明，恢復光合功能，需要對光破壞部位的修復。這種修復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，修復需要D1蛋白(QB蛋白)的從頭合成。實驗證據(jù)：已知D1蛋白是由葉綠體基因(PsbA)編碼，并在葉綠體內合成的蛋白質。采用氯霉素（chloramphenicol）,一種葉綠體蛋白質合成抑制劑處理，可以加劇光抑制，并且抑制恢復過程。而采用環(huán)己亞胺（cycloheximide）,一種細胞質蛋白質合成抑制劑處理，不加劇光抑制，也不妨礙恢復過程。此外，還有實驗證明，D1蛋白的合成需要有穩(wěn)定的mRNA庫，即：要以已經存在mRNA位模板，而不是從轉錄開始的。其實驗證據(jù)是：采用利富平（rifampicin），一種質體中的轉錄抑制劑處理，既不加劇光抑制，也不妨礙修復。光合機構的修復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)學變化：如強光下葉片變小、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葉片運動：改變入射光的角度④葉綠體運動：以窄面對著陽光，減少吸收（2）通過狀態(tài)轉換，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，都會導致整個光合效率的降低。因此，必需存在一套調節(jié)激發(fā)能分配的機制，來保證光合作用能夠高效進行，并且對環(huán)境變化作出響應和適應。

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）。

機理——天線移動假說：

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

◆當LHCII脫磷酸化，誘導狀態(tài)I，激發(fā)能向PSII分配增加。強光下，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。通過狀態(tài)轉換來猝滅的程度，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結合的特點及其氧化還原特性，提出了可能存在通過cytb559的圍繞PSII的電子循環(huán)傳遞，并認為這種循環(huán)可以保護PSII不受過量光的傷害。

Falkowski(1986)、Thompson(1988)等用生理學和物理學方法，證實了之一循環(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反應中心的輔助葉綠素），chlz再把電子傳給P680。

電子是從QB經Cytb559，然后再回到P680。即：

P680→Pheo→QA→QB→Cytb559→Chlz→P680

也有實驗指出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。（4）形成跨膜質子梯度——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子交換，在類囊體膜兩側可以產生高達3個pH梯度的質子差，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：這是保護光合機構免受光氧化破壞的重要機制，被稱為能量猝滅（qE），其程度常用chla的熒光參數(shù)NPQ來度量。

其機理是：

①降低1chl的壽命，從而減少PSII反應中心和LHCII中1O2的產生；

②阻止類囊體膜的過度酸化和長壽命P680＋的產生；

③降低PSI將O2還原為O2－.的速率。

④形成跨膜pH梯度，導致LHCII構象變化，增加了chl之間、chl與葉黃素之間的相互作用，促進葉黃素循環(huán)，從而促進了猝滅作用。（5）葉黃素循環(huán)Yamamoto等（1962）報道了植物體內存在著葉黃素循環(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化。當出現(xiàn)過剩光能時，紫黃質便會在環(huán)氧化酶的作用下，通過中間體環(huán)氧玉米黃質轉化為去環(huán)氧的玉米黃質。此過程為葉黃素循環(huán)的去環(huán)氧化。玉米黃質可直接猝滅激發(fā)態(tài)葉綠素或通過改變類囊體膜的流動性及促進PSⅡ的LHCⅡ聚集來增加非輻射能量耗散。當光能不再過剩時，則向相反的方向轉化，結果玉米黃質減少，紫黃質增加。非輻射能量耗散的增加不可避免地導致光能轉化效率的下降，但它卻能減輕甚至避免過剩光能對光合機構的破壞，因此這種光抑制被認為是光合機構為適應強光所付出的必要代價，被稱為光合作用的下調（downregulation）。

高光強，低pH(<6.5),紫黃質脫環(huán)氧化酶紫黃質環(huán)氧玉米黃質玉米黃質（violaxanthin）（antheraxanthin）(zeaxanthin)

低光強，高pH(>6.5),玉米黃質環(huán)氧化酶

葉黃素循環(huán)

耗能機理：玉米黃質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（Vio）→環(huán)氧玉米黃質→玉米黃質共軛雙鍵：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，來表示有機體中的脫環(huán)氧化狀態(tài)。（6）PSII的異質化和反應中心的失活周轉

近幾年的研究表明，植物體內PSII反應中心不是均一的，具有異質性（多樣性），這些不同狀態(tài)的反應中心和PSII的失活周轉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光強而變化。強光時減少，弱光時增多。

PSII－QB-nonreducing:不可還原中心，不具有電子傳遞能力，即不能進行QA→QB間的電子傳遞。占20－25％?？呻S光強而變化。強光時增多，弱光時減少。目前認為，類囊體中存在一些無活性的PSII，不能進行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，防止強光和CO2虧缺條件下的光抑制。長期以來，光呼吸被認為是“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光合機構免于光破壞中起重要作用。光呼吸的保護作用大致通過四條途徑實現(xiàn)：①光呼吸釋放1分子CO2比光合碳同化固定1分子CO2多消耗兩倍的化學能量，當碳同化不能及時利用化學能量時，光呼吸的耗能運轉可以減少過剩光能的積累；②光呼吸循環(huán)加速了磷的周轉利用，從而避免了光合作用的無機磷限制；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反應速率，有利于減輕O2－·等活性氧的潛在危害，而且比Mehler反應的光保護作用更有效。（8）H2O-H2O循環(huán)Mehler反應：2eSODPSI→2O2

→2O2-

→O2+H2O2

↑4eCAT↓AsA-POD

PSIIH2O+O2

2H2OO2Mehler的保護作用需要清除活性氧的酶系統(tǒng)協(xié)同運轉，否則，造成傷害。在這個過程中，PSII中水光解所產生的電子，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(9)捕光天線脫離

在對生長光強的長期適應過程中．植物可以通過改變捕光天線中蛋白的基因表達和這些蛋白的降解來改變天線的數(shù)量，從而改變傳遞給反應中心的光能數(shù)量.

在對生長光強變化的短期響應過程中，植物可以通過捕光復合體LHCII從PSII反應中心復合體的可逆脫離來防御過量的光能對PSII反應中心的破壞。

LHCII的可逆脫離既可以防御強光下的光破壞，又可以使光有限條件下的光合作用趨向最大，從而保證光強經常變動環(huán)境中植物的生存和生長發(fā)育。這種天線脫離是物種依賴的：大豆和水稻等植物具有這種調節(jié)方式，而小麥和玉米等沒有這種調節(jié)方式。因此，它們對光強轉換表現(xiàn)出兩種不同的響應方式(Chen和xu，2006)(圖)。脫離的LHCII重新結合到PSII中心脫離的LHCII不能重新結合到PSII中心(10)D1蛋白周轉D1蛋白是葉綠體基因組編碼的蛋白質中周轉最快的蛋白。在強光下，很可能D1蛋白處于不斷的降解和合成之中。由于這種降解與合成之間形成動態(tài)平衡而不發(fā)生D1蛋白的凈損失。在沒有其他嚴重環(huán)境脅迫因素存在的自然條件下發(fā)生的光抑制中，之所以看不到光合機構的破壞、D1蛋白的損失，就是由于上述保護系統(tǒng)的有效運轉。在光抑制的分子機制研究中，人們的興趣已經由光破壞轉移到光破壞的防御。5、光抑制與光破壞的關系

在過去的相當長一段時間內，不少人一提到光抑制就把它和光合機構的破壞聯(lián)系在一起，認為光抑制是D1蛋白的破壞、降解速率超過其重新合成、修復速率、也就是D1蛋白凈損失約結果。然而，不少實驗結果表明，光抑制不伴隨D1蛋白的凈損失。早在1988年。Krause和Oquist就分別提出，可以把光抑制看作一個可以控制的保護機制，用于耗散過量的光能。

Critchley和Russell(1994)指出，光引起的光合機構的破壞，可能只是一個在非常的環(huán)境包括實驗室中才發(fā)生的現(xiàn)象。以前被認為是光破壞的一些事情，事實上只是一些可逆下調的微妙機制運轉的反映。體內光抑制常常是一種保護性的戰(zhàn)略，而不是一個破壞過程(Anderson等，l997).二、溫度

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

1、光合機構對高、低溫的適應與葉綠體膜的穩(wěn)定性有關

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、光合機構對低溫、冰凍的適應機制

◆可溶性蛋白積累；

◆糖蛋白增加；

◆Rubisco結構和催化活性改變。制3、高溫傷害光合機構原初位點的研究進展

不同程度的高溫范圍對PSⅡ的影響是不同的，目前已有證據(jù)表明中等程度的高溫對PSⅡ的傷害是可以逆轉的,高溫溫可導致PSⅡ的有活性中心轉化為無活性中心，然而嚴重高溫時PSⅡ的損傷是不可逆的。

(1)光系統(tǒng)Ⅱ供體側

一直以來，PSⅡ被認為是光合器官中對熱非常敏感的組分。不同植物以及不同環(huán)境條件下生長的植物PSⅡ活性在高溫條件下的變化不同?！粼?5℃以下時，很多高等植物都表現(xiàn)穩(wěn)定的光合活性;

◆中度高溫(35–40℃)時，短時間內會引起放氧復合體顯著失活，當降至適宜溫度時供體側的失活通常是可逆的；

◆嚴重高溫(42–45℃)時，PSⅡ活性的不可逆失活可能與組成放氧復合體的多肽成分變性有關，放氧復合體的受抑引起膜蛋白D1或D2的結構變化，進一步影響QA的固定，影響PSⅡ的結構穩(wěn)定性。（2）光系統(tǒng)Ⅱ受體側研究表明高溫抑制PSⅡ受體側的電子傳遞，認為高溫條件下受體側電子傳遞的抑制與PSⅡ原初電子受體QA的氧化還原電勢變化有關。

Pospisil等直接測定煙草PSⅡ受體側QA的氧化還原電勢，將離體類囊體加熱(2℃min-1)從25℃緩慢升溫到50℃；在32–45℃之間，放氧復合體活性開始受抑，而受體側還比較穩(wěn)定，更高的溫度時表現(xiàn)受抑。氧化還原滴定顯示QA/QA-對的中點電勢上升，表明QA的還原能力降低，從QA向QB的電子傳遞受抑。推測這些變化可能是由熱誘導的跨膜D1、D2蛋白結構變化引起的，同時這些結構的變化也抑制放氧復合體的活性。

Wen等對藻青菌螺旋藻PSⅡ受體側的電子傳遞進行研究，通過快速的升溫與降溫處理進一步論證了高溫誘發(fā)PSⅡ受體側電子傳遞抑制是一個可逆過程。高溫降低PQ和QB-結合位點的親和性，提高從QA-到S2態(tài)電子回流的可能性，抑制從QA-到QB的電子傳遞。（3）D1蛋白周轉

目前，人們普遍認為高溫脅迫對光合機構破壞的原初部位是光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ），而光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）在高溫下比較穩(wěn)定。植物葉綠體的PSⅡ是一種多蛋白亞基構成的復合體，在構成PSⅡ的30多種蛋白質中，D1蛋白是最重要的一種，也是對逆境條件最敏感的一種。在正常的生長環(huán)境中，D1蛋白的降解速率小于合成速率；而一旦暴露于強光下或強光與其他逆境交叉脅迫時，D1蛋白的降解速率就會超過合成速率，導致PSⅡ反應中心的破壞。因此，維持高效率的D1蛋白周轉是保護植物光合機構，增加同化物供應的關鍵。

水楊酸(Salicylicacid)是植物體內普遍存在的一種小分子酚類物質，在20世紀60年代后，人們發(fā)現(xiàn)SA對植物生理過程包括氣孔開閉、種子萌發(fā)、離子吸收、產熱、開花、性別分化、乙烯合成等有重要調節(jié)作用，因而，SA被認為是一類新的植物激素。Lopez-Delgado等首次報道了SA能提高馬鈴薯組織的抗熱性，其利用水楊酸缺失型擬南芥突變體的研究也進一步證明SA與植物抗熱性有關。我們課題組前期的研究表明，以適宜濃度的水楊酸預先處理灌漿期的小麥葉片，可有效防護高溫強光所致的氧化損傷，維持較高的PSⅡ原初光化學效率（Fv/Fm）、PSⅡ電子傳遞速率（Fm/Fo）、PSⅡ實際光化學效率（ΦPSⅡ）、光化學促滅系數(shù)（qP）和凈光合速率（Pn）[9-10]；其中處理濃度為0.5mmol·L-1

時保護效應較大，但對其防護機理如何？已知蛋白質的可逆磷酸化是植物信號轉導途徑中的重要步驟，葉綠體D1蛋白的周轉就與其可逆磷酸化密切相關。Zhang等研究表明，SA可誘導煙草細胞中48kD的蛋白激酶（SIPK），經過基因克隆和序列分析，它屬于分裂原激活蛋白激酶（MAPK），參與了非生物脅迫的信息傳遞。高滲環(huán)境可以誘導擬南芥合成SIPK，并誘導特異基因表達。這些研究結果表明，蛋白質的可逆磷酸化在SA誘導的植物抗逆性中具有至關重要的作用。外施SA是否通過調節(jié)D1蛋白的磷酸化，從而影響D1蛋白的周轉？因此，我們研究了高溫強光脅迫下小麥葉綠體D1蛋白的變化及SA的調節(jié)作用。Table：Effectofpretreatmentwithsalicylicacidonproreinkinaseactivityundervariousconditionsoftemperatureandirradiance.TreatmentControlW1W2WrSA0SA1SA2SArProteinkinaseactivity(units/mgprotein)11.61±2.025.78±1.167.06±1.348.44±1.5712.75±2.638.13±1.797.15±1.8410.72±2.13Percentageofcontrol(%)10049.7860.8172.70109.8270.0361.5892.33

由圖可以看出，在高溫強光脅迫下，小麥旗葉D1蛋白發(fā)生凈降解，脅迫時間越長，降解越多，暗恢復后，D1蛋白含量又有所回升。定量分析結果（圖略）表明，葉面噴施SA有效抑制了D1蛋白含量的下降，W1比CK下降16%，而SA1與SA0相比，并無明顯變化。短時間脅迫下，SA處理可能緩解了PSⅡ反應中心的不可逆失活，發(fā)生可逆失活，保護相鄰又相連的反應中心免遭光溫破壞。SA2比SA1有所下降，但與W2相比，仍提高了38%，暗恢復時，SAr的D1蛋白含量雖未恢復到SA0水平，但仍比Wr高26%。葉面噴施SA穩(wěn)定并增加了高溫強光逆境下小麥葉片D1蛋白磷酸化的水平，在高溫強光1、2h時，SA預處理的植株D1蛋白磷酸化水平均比水預處理高；在暗恢復時，已達到并超過SA0水平，有利于D1蛋白的高效修復和周轉。D1D1*小麥葉片類囊體膜D1蛋白Westernblotting圖譜SA0SA1SA2SA3W2W1W3Wr表：外源SA對不同處理小麥葉片葉綠體電子傳遞速率的影響

處理Treatment全鏈電子傳遞速率Whole-chainelectrontransportrate(umolO2mg-1h-1)PSⅡ電子傳遞速率PSⅡchainelectrontransportrate(umolO2mg-1h-1)凈光合速率Pn(umol·m-2·s-1)CK183±28.37abA172.32±17.45aA11.77±1.14abAW1163.72±29.13bcAB154.48±30.06abAB10.20±0.57dBW2109.67±20.05dC104.28±15.05cC7.51±0.24fCWr141.23±12.04cBC139.32±7.66bB8.23±0.27eCSA0192.64±32.19aA174.76±20.19aA11.88±0.32aASA1171.51±20.40abAB164.84±21.81aAB11.12±0.60bcABSA2144.4±29.04cBC137.6±15.03bB10.46±0.29cdBSAr183.66±23.32abA176.44±19.23aA11.59±0.27abA

不同小、大寫字母分別表示差異達5%和1%顯著水平Differentsmallandcapitallettersmeantsignificantdifferenceat0.05and0.01level,respectively.下同Thesamebelow.由表中結果可以看出，高溫強光脅迫對小麥葉片光合機構的損傷也表現(xiàn)在光合膜上全鏈電子傳遞速率、PSⅡ電子傳遞速率及光合放氧速率上。其中光合膜上全鏈電子傳遞速率和PSⅡ電子傳遞速率變化趨勢一致。在高溫強光脅迫下，光合膜上電子傳遞受到明顯抑制，噴水預處理在高溫強光(35℃，1600μmol·m-1·s-1)下脅迫2h時，全鏈電子傳遞速率及PSⅡ電子傳遞速率分別降至CK的60.93%和60.52%。SA處理有效降低了光合膜上電子傳遞受阻的程度，其中SA1與SA0相比，全鏈電子傳遞速率和PSⅡ電子傳遞速率差異均不顯著，表明葉面噴施SA促進了光合膜及PSⅡ反應中心的自我保護，使其通過降低一定的電子傳遞速率來減少高溫強光逆境的傷害。暗恢復后，SAr與CK差異不顯著，表明暗恢復后SA處理對光合膜電子傳遞起到有效地修復作用。小麥葉片的凈光合速率隨脅迫時間延長呈明顯下降趨勢，而葉面噴施SA也在一定程度上緩解了這種下降趨勢，且暗恢復時后效作用明顯。(4)高溫對碳同化的影響

●抑制Rubisco活性

●抑制RuBP再生三、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：氣孔關閉→CO2進入葉內減少→光合下降（氣孔限制）。

嚴重缺水：氣孔關閉（氣孔限制）＋光合機構損傷（非氣孔限制）

植物對缺水的適應機制：

◆限制葉片擴展

◆產生葉面覆蓋物：茸毛、蠟質、鹽類結晶

◆減少光能吸收：葉片運動、葉綠體運動

◆減少水分蒸騰

◆提早開花結實：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濃度遠遠低于C3植物的飽和點，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濃度對光合機構的影響AhighprecisionrecordoftheatmosphericcarbondioxidelevelsmeasuredonManuaLoa,Hawaii.CourtesyofNOAA,EarthSystemResearchLaboratory:

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，會對生物界和人類社會發(fā)生深刻的影響。因此，植物生理學家非常關注這種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（馴化、適應）。

“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）光合產物積累與分配長期生長在高CO2濃度下，導致淀粉積累、蔗糖合成增加。對光合產物的分配影響與N素營養(yǎng)有關：

高N，高CO2濃度下：光合產物輸出減少低N，高CO2濃度下：光合產物輸出增多（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

影響細胞pH，進而影響呼吸酶系統(tǒng)的活性。五、礦質營養(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控機理，獲得高產、優(yōu)質、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鍵因子。只有提高了限制因子的水平，整個過程的速度才能增加。

水桶理論模型。（二）蒸騰與光合過程中水氣和CO2擴散阻力的分析

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和水蒸氣分子的擴散通量來表示（mol.s-1）。擴散的動力是葉內外氣體的濃度差。按照費克擴散定律，擴散途徑中氣體的擴散通量與擴散途徑的濃度差成正比，而與擴散阻力成反比。對于蒸騰速率，其關系式是：

ΔCTr＝

Σr

ΔC=Ci－Ca

對于光合作用：

ΔC’Pn＝

Σr’

ΔC’=Ca’－Ci’

但是，光合作用的情況與蒸騰作用不同，CO2從大氣進入葉肉并沒有完成擴散的全過程，CO2必須到達葉綠體的羧化部位，才能被同化，才算完成了擴散。CO2在液相中的擴散阻力更大。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。在同一擴散途徑中，各阻力可視為串聯(lián)，而不同擴散途徑（如氣孔擴散與角質擴散）阻力可視為并聯(lián)。在同一擴散途徑的各個小段，其擴散通量（相當于電流）是相等的。按照以上原則，可把擴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散造成的阻力。它與葉表面的性質、葉片大小、風速等有關。

2、氣孔阻力rs和rs’:指氣孔對氣體擴散的阻力，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在葉肉細胞擴散的阻力。

rm’包括：細胞壁阻力原生質膜阻力細胞溶質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式為：

Ci－CaTr＝

rL＋rs

Ca’－Ci’Ca’－Cchl’Pn＝＝

rL’＋rs’rL’＋rs’＋rm’(三)擴散阻力與導度的測量原理

根據(jù)以上的分析，可用儀器測量出幾個關鍵參數(shù)，并計算各種阻力的值。

1、水的擴散阻力與導度根據(jù)上邊的式子，水氣擴散的氣孔阻力為：

Ci－Cars＝－rLTr式中：Ca是空氣中的水氣密度，可用濕度計測出；

Ci是細胞間隙的水蒸氣密度，常把它看作當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?？捎媚M的方法測出。以濕的濾紙代替葉片，其水分散失相當于完全沒有表皮細胞的裸露葉肉細胞，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，學者們更多的用導度來代替阻力，兩者的關系正如電導與電阻的關系，互為倒數(shù)。

gs＝1/rs(氣孔導度)

gm=1/rm（葉肉導度）

其優(yōu)點是導度與通量成正比直線關系，容易進行數(shù)據(jù)處理。而阻力與通量則為雙曲線關系，數(shù)據(jù)處理常有不便。2、CO2的擴散阻力與導度

上邊是對水氣分子擴散阻力的計算，對于CO2分子的阻力，不可用上述方法直接算出。因為葉肉細胞的CO2濃度Ci’無法估計，直接測定則難度較大。而用間接的方法計算比較方便。由于氣體分子的擴散系數(shù)大小與其分子量的平方根成反比，而CO2與水分子經過同樣的氣孔擴散，那么，CO2受到的擴散阻力就相當于水分子阻力的1.56倍。

44-2=1.5618-2

由于CO2進入氣孔的同時，水分子向外擴散，故CO2進入的阻力會加大，Cowan根據(jù)實驗，把它修正為1.6。

rs’=1.6rs

對于界面層阻力，此系數(shù)為1.37。因為界面層內的擴散，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。即：

rL’=1.37rL

于是，CO2在氣相中擴散的總阻力為：

Σr’=1.6rs+1.37rL

明確以上關系后，即可計算Ci’:由于：

Pn=(Ca’-Ci’)/Σr’

得：

Ci’=Ca’－Pn×Σr’

＝Ca’－Pn/Σg’

因為r’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、CO2的關系時，人們常用光合作用的光響應曲線（PFD－Pn曲線）、光合作用的CO2響應曲線(Ca－Pn曲線)來進行分析。自從測定氣孔導度的儀器問世以后，由于能夠間接測算出Ci（細胞器間隙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響應曲線

比較上述兩條曲線可見，在同樣的CO2范圍內，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擴散的限制所致。以CO2濃度相當于空氣中CO2濃度340μmol.L-1為例，若葉肉細胞達到此濃度，Pn可達到A0值，然而，若空氣中達到該濃度，Pn僅為A值，Ao－A之差，是氣孔阻力所造成的。其實質是在空氣保持這一濃度時，葉肉細胞間隙CO2濃度實際上只有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

●當氣孔完全關閉時，可設想Ci=0，Ls=1

●當氣孔完全開放時，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于CO2為限制因子的情況,即Pn-CO2曲線的直線上升階段。因為兩者成直線關系，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供應限制的結果。這種情況下，應該用實際光合值來表示。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=(Ao－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擴散受到限制而使光合達到的實際值。

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，但存在兩個缺點：（1）需要測定Pn-ci和Pn-Ca兩條曲線，較煩雜（2）逆境下，Pn太低，甚至為負值，此時側難以估計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，氣孔導度也下降，但是，不能就據(jù)此推論是氣孔影響的結果，應區(qū)別情況進行分析。

1、當輕度水分脅迫時：