低温光抑制光破坏

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1、低温胁迫不仅直接损伤植物光合机构,同时也影响光合电子传递和光合磷酸化以及暗反应中 的相关酶系。低温可增加冷敏感植物发生光抑制的可能性(Hetherington et a.l, 1989),在低温 胁迫下,即使中低光强也会使植物发生光抑制。光抑制是光化学量子产量下降的现象,主要与 引起 PS损伤的光破坏及防御光破坏的光保护有关(Long et a.l, 1994)。近年来大多数研究者的工作主要侧重于光抑制对植物的伤害以及光抑制过程中光保护机制 的研究(何洁等, 1987;许大全等, 1992;曾纪晴等, 1997),而对光抑制后的恢复以及恢复条件的 研究较少,尤其是关于夜间低温后的恢复对光抑制影

2、响的研究报道更少。 （夜间亚低温处理及其恢复对番茄叶片光抑制的影响）（夜间亚低温处理及其恢复对番茄叶片光抑制的影响） 光作为光合作用的惟一能量来源,是绿色植物维持生命活动的基本条件。光合机 构把光能转化成化学能用于CO2 固定和其他同化反应(氧、氮和硫等还原作用) ,当 光合机构吸收的光能超过光合作用所能利用的量时,过剩的光能可引起光合量子 效率和光化学效率降低,即发生光抑制。 植物光破坏防御机制的研究进展植物光破坏防御机制的研究进展所谓光抑制是指光合结构吸收的光能超过光合作 用本身所利用的能量而引起光合效率下降的现象。长 时间的光抑制可引起光合机构的光氧化破坏。在光抑 制中常以叶绿素荧光Fv

3、/ Fm 比值的下降作为衡量光抑 制的指标。对于低温敏感植物来说,当温度稍低于其最 适生长温度时,即表现出净光合速率的下降。当温度降 至引起冷害的临界温度时,光合作用就会受到强烈的抑 制。曾纪晴等(1997) 的研究结果表明,高于12 时,温 度对光抑制几乎没有影响,起作用的主要因子则是光 照,而当低于12 时,温度越低对光抑制的加剧作用越 大。在较低温度下,增加等量的光量子通量密度(photo flux density PFD)所引起的光抑制加剧程度要比在较高 温度下更大,即低温加剧植物对光的敏感性1 。Wise (1987)的试验证明,低温光处理的抑制程度高于暗低温 处理,随处理时间的延长

4、或光照强度的增加而加重其伤 害程度2 。 Hetherington 等3 (1989) 在7 和中等光强条件下 对一系列抗冷性不同的植物进行光抑制处理20 h 后,观 察到大豆、黄瓜、玉米、高粱和番茄等冷敏感植物的Fv/ Fm下降程度比抗冷植物大麦、小麦和豌豆大得多。冷 敏感植物光抑制程度约为抗冷植物的2 倍,将低纬度生 态型番茄冷敏感品种在低温下处理3 d 后,其光合放氧 的量子效率和Fv/ Fm降低幅度要比高纬度生态型番茄 抗冷品种大得多,而且在强光下的差别更明显,说明低 温条件下同一物种的冷敏感品种比抗冷品种更易发生 低温光抑制4 。低温条件下低温条件下PS 的光抑制的光抑制 低温条件下

5、植物叶片光合活性的下降与低温含光 照或黑暗对叶绿体及PS 反应中心的影响密切相关。 Terashima 等5 (1989) 发现低温(5 ) 暗处理48 h 后黄瓜类囊体膜的电子传递活性大幅度降低而加入PS 的 电子供体联苯2碳二酰肼(DPC) 后,2 ,62二氯酚吲哚乙酸 (DCIP)的还原活性高达对照的86 %,推测低温暗处理时 失活部位为PS 的氧化侧即水裂解部位。Shen 等6 则 将低温暗处理后放氧活性的失活归结为PS 外周蛋白 的降解,引发与PS 复合体相连的锰簇丢失。低温暗处 理光合功能的失活是可逆的。将低温处理叶片放于室 温和中等光强下,放氧活性的恢复只需30 min7 。 光

6、合机构的光破坏在很多情况下是由过剩光能产 生的活性氧引发的(引发光氧化损害的两类活性氧是超 氧阴离子O2 2和单线态氧O2 ,主要来自米勒反应。O2 是 由O2和三线态叶绿素作用产生的) 8 。近年来的研究已 明确,光氧化的耐性在不同抗冷性植物黄瓜、甜椒间存 在明显差异,其机理涉及到活性氧清除酶活性和小分子 抗氧化物质的含量水平9 。 强光处理时PS 比PS 更为稳定,而且在活体中 也很少观察到PS的失活,因此人们认为PS 是光抑制 的原初部位10 。有人根据低温胁迫条件下冷敏感植物 南瓜叶片量子产额显著下降以及叶绿素荧光减弱的现 象认为,电子传递链中PS 是低温光抑制破坏的可能部 位11 。

7、研究也证实植物在强光下发生光抑制,主要部位 存在于PS 12 。PS 光抑制的特征是PS 量子效率的 降低和PS 反应中心D1蛋白的降解。PS 反应中心的 光破坏可分别由PS 供体侧和受体侧光抑制引发。在 强光下受体侧的去镁叶绿素(Pheo) 来不及将电子传递 给QA造成还原型QA的积累,促使P+ 680 Pheo 离子对发 生电荷重组,产生三线态P680 (3 P680 ) ,3 P680 与氧作用形成 单线态氧(O2 ) 。O2和3 P+ 680都是强氧化剂,如果不能及时 清除掉,都可以氧化破坏附近的胡萝卜素、叶绿素和D1 蛋白等,分别引起受体侧光抑制和供体侧光抑制。PS 受体侧的光抑制被

8、认为是PS 电子传递及D1蛋白降解 的主要机制。PS 部位发生光抑制的机理主要包括光 合机构保护机制的运转和PS 反应中心的破坏两个方 面。 有研究表明低温虽能加剧光抑制但不一定引起D1 蛋白的降解解除低温后D1蛋白的降解反而加快。这是 由于低温降低了受损D1 蛋白的降解速率,温度回升后 D1蛋白的水解加快。Aro 等13 (1993) 的实验表明,低温 强光下无论是活体还是离体都发生了PS 的光抑制但 却未发现D1 蛋白的降解。Greer 等14 (1986) 曾指出,光 抑制对PS 的破坏和修复是同时发生的,光抑制的程度取决于PS 损伤与修复的速率,PS 的修复需要D1蛋 白的重新合成和插

9、入。Allen 和Ort 等15 (2001) 认为, 低温降低了膜的流动性,从而影响了受损的D1蛋白的扩 散速率,阻碍了新合成的D1蛋白的插入。D1蛋白损伤- 修复循环的正常更新速率受到低温的干扰,PS 的光破 坏从而更加明显。 2 低温条件下低温条件下PS的光抑制的光抑制 长期以来,人们一直认为PS 是光抑制的主要部 位16 (Barber et al ,1992) ,光合作用光抑制几乎成了“PS II 光抑制”的同义词,而对光系统I(PSI)光抑制注意比较 少,甚至认为可以不予考虑。直至近年来,有人报道在 低温条件下PS I 对光更敏感,比PS II 更易发生光抑 制17219 (Ter

10、ashima et al 1994 ;Sonoike et al 1994 ;Sonoike 1996) ;高等植物活体内存在PS I 的选择性光抑制等20 , 从此人们对PS I 的相关制研究才逐渐重视起来,认识到 PS I 光抑制的生理意义,尤其是对低温下PS I 的光抑制 更加重视。 PS I 反应中心复合体包括反应中心P700、电子受体 和捕光天线3 部分,它们都结合在蛋白亚基上21 (图1) 。 复合体由PsaA 和PsaB 两个大亚基以及PsaC , PsaD , PsaE , PsaH ,PsaI 等多个小亚基组成。反应中心色素 P700、原初电子受体Ao , Al 和Fx 都位

11、于大亚基上, PsaC是铁硫中心FB/ FA 的所在部位;PS 工的电子供体 质体蓝素( (PC)和电子受体铁氧还蛋白(Fd) 通过特殊蛋 白亚基的静电引力与PS 工反应中心相连接,PsaD 和 PsaE 是Fd 与PS I 连接物,而PsaF 则是PC 与PS I 的 连接物。Sonoike(1996) 认为19 诱导高等植物叶片PSI 光抑 制需要以下几个条件:低温(010 ) ;氧;弱光(约100 mol m- 2 s- 1 ) ;相对长的时间(约5h)处理;冷敏感植 物(如黄瓜,番茄等) ;从PS 发现的电子流正常。目前 认为PS I 的光抑制大体分三个步骤18 (Sonoike ,e

12、t al . 1994 ) :PS I 受体端的失活;反应中心色素的破坏;PS I 反应中心与色素相连的亚单位多肤的降解。由于处理条件及所用的试验材料不同,PSI 光抑制 的部位是不同的。Gerber 和Burris (1981) 的试验表明, 强光处理硅藻(Amphora sp)可引起氧化态的P700水平下 降,而且光合速率的下降大于氧化态P700的下降幅度,表 明PSI 的某些组分可能发生严重失活22 。试验表明,对 类囊体膜进行强光处理时,PSI 光抑制的原初位点为 Fx , FB 和FA ,PSI 受体端的Ao 与铁一硫中心Fx 之间 的电子传递受阻。Inoue , et a1(198

13、6) 研究认为23 ,在有 氧条件下,PS I 光抑制的位点是铁硫中心,而铁硫中心 能限制NADP+ 的光还原;相反,在强还原条件下,随着NADP+ 光还原程度的下降,铁硫中心、维生素K ( Vk ) 和P700的水平则没有改变,表明此时的光抑制位点可能 位于Ao 和Fx 之间。Satoh 和Fork (1982) 研究了苔鲜 (B ryopsis corticulans) 的完整叶绿体在缺氧条件下PSI 的光抑制,指出PS I 的光抑制首先是对PS I 反应中心 P700的破坏24 。另一方面,有氧条件下,对菠菜叶绿体进 行光照处理引起PSI 的三个Fe2S 中心的破坏25 。极端 还原的条

14、件下,PS I 受体端的Ao 与铁硫中心Fx 之间的 电子传递受阻。Putcell 和Carpentier (1994) 对PS I 复合 体进行光照处理,发现引起叶绿素(Chl) 的漂白和P700的 降解26 。 离体条件下,无论是在冷害温度下还是在室温下, 无论是在冷敏感植物还是在抗寒植物中都能观察到PS I 的光抑制,而PS II 的活性受到的影响很少。这表明在 植物叶绿体中,PS I 光抑制本身是一种普遍的现象。易 于发生光抑制好象是PS I 的内在特征,井且在活体中存 在一些PS I 的光保护机制,这些保护机制可能与在类囊 体膜分离过程中一丢失的复合体有联系。Sonoike (199

15、5)提出27 ,在冷敏感植物黄瓜中冷敏感复合体并不 是PS I 本身而是用于保护PS I 的一些复合体。故一可 以用植物体内的保护复合体对温度的冷敏感性来解释 植物本身对温度的冷敏感性。 对于一些试验中在PS 发生光抑制的情况下PSI 几乎没有受到影响,Sonoike (1995) 对此认为有二种可 能27 :强光引起PS 的失活从而保护了PS I 免受破坏; 室温条件下或耐寒植物体内观察不到活体PS I 的光抑 制;在许多试验中,PS I 的活性是用向甲基紫精(MV) 传 递的电子来估算的,高浓度MV 也能从部分失活的PS I 处接受电子,所以估算的PS I 活性往往过高,从而低估 了PS I 光抑制的程度。Tjus et a1(1998)试验表明28 ,低 温弱光下植物PS I 和PS 的电子传递均受到影响,但 是前者的电子传递下降15 %20 %之后便基本稳定下 来,这显示PS I 先受到伤害,以后的保护机制和潜在的 修复机制会使PS I 的光抑制保持在一个相对稳定的水 平上;但是PSII 的伤害则持续增强,直到PS 伤害达到 可以保护PS I 免受进一步伤害为止。说明低温弱光下 PS I 可能比PS 更稳定且PS 的失活会对PS I 起到一 定的保护作用。 植物在低温条件下的光抑制植物在低温条件下的光抑制