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1、 光合作用生态生理光合作用生态生理光合作用生态生理光合作用生态生理EcoEcoPhysiologyofphotosynthesisPhysiologyofphotosynthesis 地地球球上上生生命命活活动动的的能能量量，基基本本上上都都是是依依赖赖于于太太阳阳能，光合作用是最主要的能将太阳能固定的生命过程。能，光合作用是最主要的能将太阳能固定的生命过程。 可可以以说说，通通过过光光合合作作用用的的反反应应系系统统，利利用用自自然然界界最最丰丰富富而而廉廉价价的的资资源源COCO2 2和和H H2 2O O提提供供了了我我们们所所需需的的有机物。有机物。 从从光光能能吸吸收收到到碳碳水水化
2、化合合物物形形成成，有有5050多多个个中中间间步步骤骤。直直接接发发生生在在光光合合膜膜上上、由由光光驱驱动动的的反反应应，叫叫做做光光反反应应；而而不不依依赖赖于于光光，由由酶酶催催化化的的反反应应叫叫做做暗暗（碳碳）反应。反应。 研究对象：研究对象：从分子水平的激发态到植物群体；从分子水平的激发态到植物群体； 研究课题：研究课题：从光的吸收到生态系统；从光的吸收到生态系统； 时间跨度：时间跨度：从飞秒从飞秒(fs)(fs)到世纪。到世纪。 （s,ms,s, ns, ps, fss,ms,s, ns, ps, fs）一、光反应一、光反应同化力形成同化力形成 （一）光能的吸收与传递（一）光能
3、的吸收与传递 叶叶绿绿素素的的卟卟啉啉环环上上具具有有很很多多共共轭轭双双键键，正正是是这些共轭双键能够吸收可见光（这些共轭双键能够吸收可见光（400400700nm700nm）。）。 最最稳稳定定的的价价电电子子处处于于基基态态，能能量量最最低低。当当光光量量子子被被一一个个基基态态的的电电子子吸吸收收，光光量量子子的的能能量量就就被被加加到到电电子子上上，电电子子跃跃迁迁为为能能级级较较高高的的激激发发态态。对对于可见光，电子跃迁时间为于可见光，电子跃迁时间为10101515s.s.1 1、叶绿素激发与去激、叶绿素激发与去激 2 2、色素之间的能量传递、色素之间的能量传递 共共振振传传递递
4、：在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动(共振)，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递，第一个分子中原来被激发的电子便停止振动，而第二个分子中被诱导的电子则变为激发态，第二个分子又能以同样的方式激发第三个、第四个分子。这这种种依依靠靠电电子子振振动动在在分分子子间间传传递递能能量量的的方方式式就就称称为为“共共振振传传递递”。 激子传递：激子传递：激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子（子（激子是能量和动量相同的分子共有的电子激发态）。它它能转移能量但不能转移电荷。能转移能
5、量但不能转移电荷。其能量传递效率决定于两个分子间的作用矩阵。在由相同分子组成的聚光色素系统中，其中一个色在由相同分子组成的聚光色素系统中，其中一个色素分子受光激发后，高能电子在返回原来轨道时也会发出激素分子受光激发后，高能电子在返回原来轨道时也会发出激子，此激子能使相邻色素分子激发，即把激发能传递给了相子，此激子能使相邻色素分子激发，即把激发能传递给了相邻色素分子，激发的电子可以相同的方式再发出激子，并被邻色素分子，激发的电子可以相同的方式再发出激子，并被另一色素分子吸收，另一色素分子吸收，这种在相同分子内依靠激子传递来转移能量的方式这种在相同分子内依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。称
6、为激子传递。 天线色素吸收的光能，经过色天线色素吸收的光能，经过色素间的一系列传递，汇集到反应中素间的一系列传递，汇集到反应中心，在那里引起心，在那里引起光化学反应光化学反应。（二）原初光化学反应（二）原初光化学反应 原原初初反反应应是是光光合合作作用用中中将将光光能能转转化化为为化化学学能能的最初步骤，其反应非常快，在的最初步骤，其反应非常快，在fspsfsps之间。之间。 反应部位：光合膜（反应中心）反应部位：光合膜（反应中心）（三）叶绿体电子传递（三）叶绿体电子传递1 1、光合电子传递的顺序、光合电子传递的顺序（1 1）两个光系统）两个光系统 红降现象：红降现象： 双光增益效应：双光增益
7、效应： PSII和和PSI：PSII：P680核心、捕光色素蛋白复合体核心、捕光色素蛋白复合体(LHCII)、放氧复合体（、放氧复合体（OEC）PSI:P700核心、核心、LHCI（2）Z链链（Zschem）2、电子传递体在类囊体膜上的分布、电子传递体在类囊体膜上的分布类囊体膜上存在类囊体膜上存在4 4中蛋白复合体：中蛋白复合体：PSII复合体：PSII-：基粒中央PSII-：间质片层Cytb/f复合体：基粒垛叠区、基粒末端与边缘PSI复合体：PSI-：基粒外周PSI-：间质片层ATP酶复合体（CF,couplingfactor）：CF1:位于膜表面，起催化作用，ADP+PiATPCf2:插入
8、膜内，提供H+通道OEC（放氧复合体）：（放氧复合体）：膜内表面P680的原初电子供体的原初电子供体：位于膜内侧，原初电子受体位于膜外测。PQ：可以在膜的疏水区移动。P700的电子供体（的电子供体（PC）位于膜内表面，受体fd位于膜外表面。这样的空间排列，使得这样的空间排列，使得P680P680受光激发后，在类囊体的内表受光激发后，在类囊体的内表面发生水的氧化，并向类囊体膜内释放面发生水的氧化，并向类囊体膜内释放O2O2和和H+H+。在膜的外测发。在膜的外测发生生PQPQ还原，并通过跨膜移动，把膜外质子传到腔内。还原，并通过跨膜移动，把膜外质子传到腔内。 PSI PSI受光激发后，从类囊体内侧
9、的受光激发后，从类囊体内侧的PCPC接受电子，并在膜的外接受电子，并在膜的外测把电子交给测把电子交给fdfd，从而在膜的外测进行，从而在膜的外测进行NADPNADP的还原。的还原。 电子传递体在类囊体膜上的这种分布，使电子在膜的内外电子传递体在类囊体膜上的这种分布，使电子在膜的内外进行定向传递，形成跨膜质子梯度，推动进行定向传递，形成跨膜质子梯度，推动ATPATP形成。形成。（四）（四）PSII的结构与运转的结构与运转1、PSII复合体的结构PSII反应中心结构模式图反应中心结构模式图示意PSII反应中心D1蛋白和D2蛋白的结构。D1很容易受到光化学破坏，会发生活性逆转。电子从P680传递到去
10、镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体醌QA和QB。P680+在“Z”传递链中被D1亚基中酪氨酸残基还原。图中还表明了Mn聚集体(MSP)对水的氧化。CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。包括3个部分：（1）捕光天线系统）捕光天线系统围绕P680的CP43和CP47蛋白复合体组成的内周天线（近侧天线）由LHCII复合体组成的外周天线（远侧天线）（2）D1-D2蛋白蛋白D1-D2蛋白：由2个32KD蛋白组成，其中包括原初电子供体Yz（Tyr161残基）。反应中心电子传递链：YzP680PheoQA(D2蛋白)QB（D1蛋白）构成反应中心的电子传递链。（3）水氧化放氧系统）水氧化放氧系统包括：三种外
11、周蛋白（包括：三种外周蛋白（33，23，17KD）,Mn簇簇,Cl,Ca2+2、PSII的运转的运转PSII是执行光诱导电荷分离及电子传递的基本单位，P680中心色素是一个chla双分子体。 电子从放氧中心到P680是很快的过程。Yz是D1蛋白上的第161位Tyr残基。 原初的电荷从P680到Pheo只需几个皮秒（ps）,Pheo-又立即被QA氧化，QA又被QB在100200微秒时间内氧化。QB先形成半醌QB，然后又从另一个QA接受1个电子，形成还原型醌QB2。（这里QA是单电子受体，QB是双电子受体）。完全还原的QB2从间质接受2个质子，形成QBH2，并与PQ交换位置，随后再向cytb/f传
12、递。D1蛋白亚基是蛋白亚基是QB的载体，故又称为的载体，故又称为QB蛋白，它可被蛋白，它可被DCMU等除草剂结合，从而阻断电子从等除草剂结合，从而阻断电子从QA向向QB的传递。的传递。此外，许多逆境因子，如强光、高盐等对电子传递的抑制部此外，许多逆境因子，如强光、高盐等对电子传递的抑制部位，也是这里。位，也是这里。3、PSII的水裂解放氧的水裂解放氧PSII的一个重要功能，就是参与水的裂解放氧。有关分子氧释放的机理，依然是目前研究的重要问题。（1）氧释放动力学光合放氧具有周期现象，在闪光诱导动力学研究中，发现氧的释放伴随着4个闪光周期的摆动，即每4次闪光出现一个放氧高峰。Kok等提出4个S态循
13、环的模型（Kok钟），OEC需要积累4个氧化当量（正电荷），才能从2个水分子中夺取4个还原当量，释放一分子氧。hv1 hv2 hv3 hv4S0S1S2S3S4S0+4H+O2这里，S0-S4代表放氧中心的不同氧化还原状态，hv1-hv4表示闪光的顺序。从S0到S4共积累4个氧化当量，S4是不稳定的，它释放出分子氧后又回到S0状态。这样，每次循环吸收4个光量子，氧化2个水分子，向PSII中心传递4个电子，释放4个质子，1个氧分子。（2）Mn,Cl,Ca与放氧的关系（1）Mn直接参与水裂解积累4个氧化当量的过程。锰以不同的亲和程度结合在PSII颗粒上，利用加热或Tris溶液洗涤，把锰除去，放氧就
14、受到抑制，回加锰后，放氧活性得到恢复。（2）Cl与CaColema和Govindjee利用35Cl-NMR技术证明，氯和钙与外周蛋白相互作用，会导致蛋白质区域之间盐桥的断裂，从而在锰簇中取出质子。（五）两个光系统之间的电子传递（五）两个光系统之间的电子传递两个光系统之间的电子传递，包括电子从PSII还原侧的QA到PSI氧化侧的Pc，中间有PQ,cytb/f复合体，PC的参与。1、从QA起到PQ的传递QA的单电子载体行为转换为QB的双电子载体行为，这个转化机理，是通过暗适应叶绿体的闪光实验认识的。e第一次闪光：QAQA（半醌离子）e暗中：QAQBQBe第二次闪光：QAQBQB22HPQQB2QB
15、H2PQH2关于关于PQPQ库：库： PQ是类囊体上含量最多的电子传递体，因此，认为存在一个PQ库。由于PQ是脂溶性的，它可以在类囊体膜的疏水区移动，使类囊体膜上的电子传递链之间连接通用，当两个光系统发生光能分配不均衡时，PQ库可以起到调节与缓冲作用，从而保证两个光系统的均衡运转。 此外，PQ的移动性，也使得H向类囊体腔内释放，造成跨膜质子动力势，推动ATP形成。2、cytb/f复合体（1）组成4个多肽链组成（多亚基膜蛋白）：cytf,cytb6,Rieske铁硫蛋白，17KD蛋白（功能不详）（2）电子传递顺序PQH2FeSRCytfPC（3）cytb/f复合体介导跨膜质子转移的机理复合体介导
16、跨膜质子转移的机理Q循环循环关于Cytb/f复合体介导的跨膜质子转移的机理，Mitchell曾提出Q循环的假设：还原的PQH2将2个电子中的一个传给Cytb6/f复合体中的FeSR，再交给Cytf，进而传给PC，与此同时，PQH2又将第二个电子交给低电位的b，并释放2个H+到膜腔内，电子由低电位的b传至高电位的b，再将电子传至PQ。经过两次电子循环后，PQ两次被还原，双还原的PQ又从膜外结合两个质子，并将其贮入质醌库中。Q循环循环（1）Q循环循环（2）3、PC（质蓝素）（质蓝素）质蓝素质蓝素(PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于白质
17、，氧化时呈蓝色。它是介于Cytb/f复合体与复合体与PS之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。化还原变化来传递电子。分子特点：Mr=10.5KD，含铜蛋白。在氧化还原时，在597nm处有可逆的吸收变化。PS复合体存在类囊体非堆叠的部分，复合体存在类囊体非堆叠的部分，PS复合体存复合体存在堆叠部分，而在堆叠部分，而Cytb/f比较均匀地分布在膜中，比较均匀地分布在膜中，因而推测因而推测PC通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子。通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子。电子传递顺序：绿藻：cytfPCP700高等植物：cytfPCP700
18、（六）（六）PSI结构与运转结构与运转1、PSI复合体组成反应中心P700电子受体LHCI（捕光天线）2、PSI反应中心的运转反应中心的运转P700：chla双分子体A0：chla单分子体A1：叶醌（维生素K1）FA,FB,FX:三个铁硫中心，含12个Fe，12个S。Fd:是2Fe2S铁氧还蛋白P700A0A1FAFBFXfdNADP假环式cytb/fO2PCO2-环式PSI电子传递体及其动力学电子传递体及其动力学（七）光合磷酸化（七）光合磷酸化1、概念：在照光条件下，叶绿体把ADP与Pi形成ATP的过程。2、机理：3.ATP合成的部位合成的部位ATP酶酶4、光合磷酸化的抑制剂、光合磷酸化的抑
19、制剂(1)电子传递抑制剂电子传递抑制剂指抑制光合电子传递的试剂，如羟胺(NH2OH)切断水到PS的电子流，DCMU抑制从PS上的Q到PQ的电子传递；KCN和Hg等则抑制PC的氧化。一些除草剂如西玛津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除草定(bromacil)、异草定(isocil)等也是电子传递抑制剂，它们通过阻断电子传递抑制光合作用来杀死植物。(2)解偶联剂解偶联剂指解除磷酸化反应与电子传递之间偶联的试剂。常见的这类试剂有DNP(二硝基酚)、CCCP(carbonylcyanide-3-chlorophenylhydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短杆菌肽D、尼日利亚菌
20、素、NH等，这些试剂可以增加类囊体膜对质子的透性或增加偶联因子渗漏质子的能力，其结果是消除了跨膜的H+电化学势，而电子传递仍可进行，甚至速度更快(因为消除了内部高H浓度对电子传递的抑制)，但磷酸化作用不再进行。(3)能量传递抑制剂能量传递抑制剂指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的试剂，如二环己基碳二亚胺(DCCD)、对氯汞基苯(PCMB)作用于CF1，寡霉素作用于CFo(CFo下标的o就是表明其对寡霉素oligomycin敏感)。它们都抑制了ATP酶活性从而阻断光合磷酸化。光合电子传递链的三种抑制剂DCMU、DBMIB和百草枯的化学结构叶绿体电子传递链的抑制剂作用位点叶绿体电子传递链的抑制剂作用
21、位点：DCMU和DBMIB阻止电子传递反应，而还原态的百草枯自动氧化为基本离子，导致超氧和其他活性氧种类的形成。二、碳同化二、碳同化1、C3途径：光调节酶：光调节酶：RuBP羧化酶NADP-磷酸甘油醛脱氢酶SBP酯酶FBP酯酶Ru5P激酶2、C4途径途径3、CAM途径途径剑麻龙舌兰落地生根光合机构对环境的响应合适应，是目前光合光合机构对环境的响应合适应，是目前光合作用研究中的一个热点，它不仅涉及光合机构的作用研究中的一个热点，它不仅涉及光合机构的调节控制，而且关系到作物的光合性能和生产能调节控制，而且关系到作物的光合性能和生产能力，以及农业、环境等一系列重大问题。力，以及农业、环境等一系列重大
22、问题。在植物的进化过程中，光合作用机构也在不在植物的进化过程中，光合作用机构也在不断进化。从细菌光合到植物光合就是一个重大进断进化。从细菌光合到植物光合就是一个重大进步。但这不意味着光合功能就此稳定下来一成不步。但这不意味着光合功能就此稳定下来一成不变了。变了。当我们发现，从水域到陆地，从寒冷的极当我们发现，从水域到陆地，从寒冷的极圈到炎热的赤道，从泥泞的沼泽到荒凉的沙漠，圈到炎热的赤道，从泥泞的沼泽到荒凉的沙漠，都可以发现靠自身光合作用而生存的植物，便会都可以发现靠自身光合作用而生存的植物，便会知道光合作用这一植物的基本功能是多么善于适知道光合作用这一植物的基本功能是多么善于适应环境的变化啊
23、！应环境的变化啊！适应（适应（adaptation）:在长期（几天、几周、几个月）变化了的环境中光合机构的形态、结构和功能上的变化。响应（响应（response）：）：在短期（最多几小时）变化的环境中，光合功能的变化。但有时二者难以严格区分。一、光照一、光照（一）植物光合机构对光照条件的适应阴生植物与阳生植物光合机构比较部位参数阳生植物阴生植物叶绿体体积正常偏大基粒类囊体多少chla/chlb高低叶片厚度厚薄气孔密度大小栅栏组织/海绵组织高低光合速率、光补偿点、光饱和点高低整体R/T大小（二）植物光合机构对光照条件的响应（二）植物光合机构对光照条件的响应短时间内光强的改变，光合机构具有一定的调
24、节功能：短时间内光强的改变，光合机构具有一定的调节功能：1、酶活性变化：激活或失活（如、酶活性变化：激活或失活（如C3途径中的光调节酶：途径中的光调节酶：RuBP羧化酶、羧化酶、NADP-磷酸甘油醛脱氢酶、磷酸甘油醛脱氢酶、SBP酯酶、酯酶、FBP酯酶、酯酶、Ru5P激酶。）激酶。）2、类囊体垛叠程度改变、类囊体垛叠程度改变3、叶绿体运动、叶绿体运动4、叶片伸展角度改变、叶片伸展角度改变但这些调节是有一定限度的，当光强突然增加，植物但这些调节是有一定限度的，当光强突然增加，植物来不及调节适应时，便会引起光抑制或光破坏。来不及调节适应时，便会引起光抑制或光破坏。（三）强光对植物光合作用的影响（三
25、）强光对植物光合作用的影响光抑制光抑制1、光抑制现象、光抑制现象photoinhibition:植物的光合机构所接受的光能超过光合作用所能利用的数量时，光合功能降低的现象。（1）光抑制的基本特征）光抑制的基本特征A量子效率下降B光饱和光合速率下降CPS2电子传递效率下降其中，量子效率是用来测定光抑制程度的较好指标。（2）植物对光抑制的敏感性）植物对光抑制的敏感性受植物遗传因素和环境条件影响。受植物遗传因素和环境条件影响。阴生植物比阳生植物敏感阴生植物比阳生植物敏感C3植物比植物比C4植物敏感植物敏感当高温、低温、干旱、营养不足等胁迫因素存在时，植物当高温、低温、干旱、营养不足等胁迫因素存在时，
26、植物对光抑制的敏感性增加。对光抑制的敏感性增加。原因：原因：逆境下不利于光合作用进行，光能过剩程度加大； 不利于光胁迫破坏的修复。2、光抑制的机理、光抑制的机理（1）光合机构的破坏部位：PSII反应中心。按其发生的原初部位可分为：受体侧光抑制：受体侧光抑制：常起始于还原型QA的积累。还原型QA的积累促使三线态P680(P680T)的形成，而P680T可以与氧作用(P680T+O2P680+1O2)形成单线态氧(1O2)；供体侧光抑制：供体侧光抑制：起始于水氧化受阻。由于放氧复合体不能很快把电子传递给反应中心，从而延长了氧化型P680(P680+)的存在时间。680680+ +和和1 1O O2
27、 2都是强氧化剂，如不及时消除，它们都是强氧化剂，如不及时消除，它们都可以氧化破坏附近的叶绿素和都可以氧化破坏附近的叶绿素和D1D1蛋白，从而使光合器官蛋白，从而使光合器官损伤，光合活性下降。损伤，光合活性下降。（2）活性氧的破坏作用）活性氧的破坏作用通过通过Mehler反应生成的活性氧，如果可被及反应生成的活性氧，如果可被及时清除，则有防护作用；但是，如果不能被及时时清除，则有防护作用；但是，如果不能被及时清除，会对叶绿体的膜蛋白、膜脂造成破坏。清除，会对叶绿体的膜蛋白、膜脂造成破坏。（3）热耗散的增加）热耗散的增加这是一种不发生光合机构破坏的光抑制。量子效率的降这是一种不发生光合机构破坏的
28、光抑制。量子效率的降低是由于天线色素或反应中心激发态叶绿素热耗散的增加引低是由于天线色素或反应中心激发态叶绿素热耗散的增加引起的，反应中心复合体并不受到破坏。起的，反应中心复合体并不受到破坏。这实际上也是一种对光合机构的保护机理。这实际上也是一种对光合机构的保护机理。3、光抑制后光合功能的恢复、光抑制后光合功能的恢复光抑制引起的破坏与自身的修复过程是同光抑制引起的破坏与自身的修复过程是同时发生的，两个相反过程的相对速率决定光抑时发生的，两个相反过程的相对速率决定光抑制程度和对光抑制的忍耐性。制程度和对光抑制的忍耐性。当光抑制不太严重时，回到非胁迫条件下，当光抑制不太严重时，回到非胁迫条件下，几
29、分钟到几个小时，光合功能可以恢复。光抑几分钟到几个小时，光合功能可以恢复。光抑制严重时，则难以恢复。制严重时，则难以恢复。研究表明，恢复光合功能，需要对光破坏部位的修复。这研究表明，恢复光合功能，需要对光破坏部位的修复。这种修复需要从膜上去掉被破坏的部分，并用新的取而代之。研种修复需要从膜上去掉被破坏的部分，并用新的取而代之。研究表明，修复需要究表明，修复需要QB蛋白（蛋白（D1蛋白）的从头合成。蛋白）的从头合成。实验证据：已知实验证据：已知QB蛋白是由叶绿体基因编码，并在叶绿蛋白是由叶绿体基因编码，并在叶绿体内合成的蛋白质。采用氯霉素（体内合成的蛋白质。采用氯霉素（chloramphenic
30、ol）,一种叶一种叶绿体蛋白质合成抑制剂处理，可以加剧光抑制，并且抑制恢复绿体蛋白质合成抑制剂处理，可以加剧光抑制，并且抑制恢复过程。过程。而采用环己亚胺（而采用环己亚胺（cycloheximide）,一种细胞质蛋白质合一种细胞质蛋白质合成抑制剂处理，不加剧光抑制，也不妨碍恢复过程。成抑制剂处理，不加剧光抑制，也不妨碍恢复过程。此外，还有实验证明，此外，还有实验证明，QB蛋白的合成需要有稳定的蛋白的合成需要有稳定的mRNA库，即：要以已经存在库，即：要以已经存在mRNA位模板，而不是从转录开位模板，而不是从转录开始的。其实验证据是：始的。其实验证据是：采用利富平（采用利富平（rifampici
31、n），一种质体中的转录抑制剂处），一种质体中的转录抑制剂处理，既不加剧光抑制，也不妨碍修复。理，既不加剧光抑制，也不妨碍修复。光合机构的修复需要弱光和合适的温度，以及维持适度的光合机构的修复需要弱光和合适的温度，以及维持适度的光合速率光合速率4、光抑制破坏的防御、光抑制破坏的防御（1）减少光能吸收，增加光能利用能力（减轻过）减少光能吸收，增加光能利用能力（减轻过剩程度）剩程度）形态学变化：如强光下叶片变小、变厚，天线色素减少。（减少吸收）提高电子传递与碳同化能力（增加利用能力）叶片运动：改变入射光的角度叶绿体运动：以窄面对着阳光，减少吸收（2）通过状态转换，向）通过状态转换，向PSI分配较多能
32、量分配较多能量 高等植物的两个光系统，既在空间上独立，又高等植物的两个光系统，既在空间上独立，又在功能上相互联系，它们串联起来，才能完成在功能上相互联系，它们串联起来，才能完成Z Z链传链传递。任何一个系统效率降低，都会导致整个光合效递。任何一个系统效率降低，都会导致整个光合效率的降低。因此，必需存在一套调节激发能分配的率的降低。因此，必需存在一套调节激发能分配的机制，来保证光合作用能够高效进行，并且对环境机制，来保证光合作用能够高效进行，并且对环境变化作出响应和适应。变化作出响应和适应。 两种光能分配状态：两种光能分配状态：状态状态I：激发能向：激发能向PSII分配增加的状态。（如用分配增加
33、的状态。（如用700nm，主要被主要被PSI吸收的光照射小球藻，吸收的激发能向吸收的光照射小球藻，吸收的激发能向PSII分配比分配比例增加）例增加）状态状态II：激发能向：激发能向PSI分配增加的状态。（如用分配增加的状态。（如用650nm，主要被，主要被PSII吸收的光照射小球藻，吸收的激发能向吸收的光照射小球藻，吸收的激发能向PSI分配分配比例增加）。比例增加）。机理机理天线移动假说：天线移动假说：当当LHCII磷酸化，诱导状态磷酸化，诱导状态II，激发能向，激发能向PSI分配增加；分配增加；当当LHCII脱磷酸化，诱导状态脱磷酸化，诱导状态I，激发能向，激发能向PSII分配增加。分配增加
34、。强光下，强光下，LHCII磷酸化后，便从磷酸化后，便从PSII分布的基粒类囊体的分布的基粒类囊体的垛叠区，向垛叠区，向PSI分布的非垛叠区移动，扩大了分布的非垛叠区移动，扩大了PSI的捕光面积，的捕光面积，使吸收的光能更多的向使吸收的光能更多的向PSI分配。这样，就对比较脆弱的分配。这样，就对比较脆弱的PSII形成一种保护。形成一种保护。通过状态转换来猝灭的程度，常用通过状态转换来猝灭的程度，常用qT表示。表示。（3）围绕）围绕PSII的电子循环的电子循环Heber等等1979年根据年根据cytb559与与PSII结合的特点及其氧化还结合的特点及其氧化还原特性，提出了可能存在通过原特性，提出
35、了可能存在通过cytb559的围绕的围绕PSII的电子循环传的电子循环传递，并认为这种循环可以保护递，并认为这种循环可以保护PSII不受过量光的伤害。不受过量光的伤害。Falkowski(1986)、Thompson(1988)等用生理学和物理学方等用生理学和物理学方法，证实了之一循环的存在。此循环是由醌提供电子给法，证实了之一循环的存在。此循环是由醌提供电子给cytb559,后者把电子传给后者把电子传给chlz（联接天线和（联接天线和PSII反应中心的辅助反应中心的辅助叶绿素），叶绿素），chlz再把电子传给再把电子传给P680。电子是从电子是从QB经经Cytb559，然后再回到，然后再回到
36、P680。即：。即：P680PheoQAQBCytb559ChlzP680也有实验指出也有实验指出PS中环式电子传递为：中环式电子传递为：P680Cytb559PheoP680Falkowski估算，在饱和光照下，又估算，在饱和光照下，又15的电子走这条循环传的电子走这条循环传递途径。递途径。此外，在光能过剩的情况下，围绕此外，在光能过剩的情况下，围绕PSI的循环电子传递，也的循环电子传递，也可对可对PSII提供有效的保护。提供有效的保护。（4）形成跨膜质子梯度）形成跨膜质子梯度类囊体膜能量化（类囊体腔酸化）类囊体膜能量化（类囊体腔酸化）叶绿体在光下，由于水的裂解和跨膜质子交换，在类囊体膜两侧
37、可以产生高达3个pH梯度的质子差，这种状态叫做膜的能量化。光合磷酸化所必需耗散过量光能：这是保护光合机构免受光氧化破坏的重要机制，被称为能量猝灭（qE），其程度常用chla的荧光参数NPQ来度量。其机理是：其机理是： 降低降低1chl的寿命，从而减少的寿命，从而减少PSII反应中心和反应中心和LHCII种种1O2的产生；的产生；阻止类囊体膜的过度酸化和长寿命阻止类囊体膜的过度酸化和长寿命P680的产生；的产生；降低降低PSI将将O2还原为还原为O2.的速率。的速率。形成跨膜形成跨膜pH梯度，导致梯度，导致LHCII构象变化，增加构象变化，增加了了chl之间、之间、chl与叶黄素之间的相互作用，
38、促进叶黄与叶黄素之间的相互作用，促进叶黄素循环，从而促进了猝灭作用。素循环，从而促进了猝灭作用。（5）叶黄素循环）叶黄素循环Yamamoto等（等（1962）报道了植物体内存在着叶黄素循）报道了植物体内存在着叶黄素循环，但其功能一直不清楚。直到环，但其功能一直不清楚。直到1990年，年，Demmmig-Adams等，证明了这一循环与类囊体膜的能量化一起，共同调节能等，证明了这一循环与类囊体膜的能量化一起，共同调节能量耗散过程。量耗散过程。叶黄素循环是指叶黄素的三个组分依光照及其它条件的叶黄素循环是指叶黄素的三个组分依光照及其它条件的改变而相互转化。改变而相互转化。当出现过剩光能时，紫黄质便会在
39、环氧化酶的作用下，当出现过剩光能时，紫黄质便会在环氧化酶的作用下，通过中间体环氧玉米黄质转化为去环氧的玉米黄质。此过程通过中间体环氧玉米黄质转化为去环氧的玉米黄质。此过程为叶黄素循环的去环氧化。玉米黄质可直接猝灭激发态叶绿为叶黄素循环的去环氧化。玉米黄质可直接猝灭激发态叶绿素或通过改变类囊体膜的流动性及促进素或通过改变类囊体膜的流动性及促进PS的的LHC聚集来聚集来增加非辐射能量耗散。当光能不再过剩时，则向相反的方向增加非辐射能量耗散。当光能不再过剩时，则向相反的方向转化，结果玉米黄质减少，紫黄质增加。非辐射能量耗散的转化，结果玉米黄质减少，紫黄质增加。非辐射能量耗散的增加不可避免地导致光能转
40、化效率的下降，但它却能减轻甚增加不可避免地导致光能转化效率的下降，但它却能减轻甚至避免过剩光能对光合机构的破坏，因此这种光抑制被认为至避免过剩光能对光合机构的破坏，因此这种光抑制被认为是光合机构为适应强光所付出的必要代价，被称为是光合机构为适应强光所付出的必要代价，被称为光合作用光合作用的下调（的下调（downregulation）。）。高光强，低高光强，低pH(6.5),玉米黄质环氧化酶玉米黄质环氧化酶叶叶黄黄素素循循环环耗能机理耗能机理：玉米黄质是类胡萝卜素的一种，各种：玉米黄质是类胡萝卜素的一种，各种类胡萝卜素的单线态的能量高低，取决于其分子中共类胡萝卜素的单线态的能量高低，取决于其分子
41、中共轭双键的多少，共轭双键多，则其单线态能量低。轭双键的多少，共轭双键多，则其单线态能量低。紫黄质（紫黄质（Vio）环氧玉米黄质环氧玉米黄质玉米黄质玉米黄质共轭双键：共轭双键：9个个10个个11个个能量：能量：高高中中低低叶黄素循环受底物抗坏血酸叶黄素循环受底物抗坏血酸(AsA)(AsA)的调节，被低浓的调节，被低浓度度DTTDTT特异抑制。特异抑制。 目前，人们常用目前，人们常用antherxanthin+Zea antherxanthin+Zea /Vio+antherxanthin+Zea/Vio+antherxanthin+Zea比值，来表示有机体中的脱比值，来表示有机体中的脱环氧化状
42、态。环氧化状态。（6）PSII的异质化和反应中心的失活周转的异质化和反应中心的失活周转近几年的研究表明，植物体内近几年的研究表明，植物体内PSII反应中心不是均一的，反应中心不是均一的，具有异质性（多样性），这些不同状态的反应中心和具有异质性（多样性），这些不同状态的反应中心和PSII的的失活周转共同参与了过量能量的耗散。失活周转共同参与了过量能量的耗散。PSII非均一性：非均一性：PSIIQB-reducing:可还原中心，具有电子传递能力，占可还原中心，具有电子传递能力，占7580。可随光强而变化。强光时减少，弱光时增多。可随光强而变化。强光时减少，弱光时增多。PSIIQB-nonredu
43、cing:不可还原中心，不具有电子传递不可还原中心，不具有电子传递能力，即不能进行能力，即不能进行QAQB间的电子传递。占间的电子传递。占2025。可。可随光强而变化。强光时增多，弱光时减少。随光强而变化。强光时增多，弱光时减少。目前认为，类囊体中存在一些无活性的目前认为，类囊体中存在一些无活性的PSII，不能进行，不能进行QAQB间的电子传递，但它与周围有活性的间的电子传递，但它与周围有活性的PSII有很好的有很好的连接，主要行使热耗散功能，在过量光解除后，一部分失活连接，主要行使热耗散功能，在过量光解除后，一部分失活的的PSII可以复活。可以复活。（7）光呼吸）光呼吸C3C3植物的光呼吸具
44、有很高的能量需求，可以耗去很植物的光呼吸具有很高的能量需求，可以耗去很多能量，防止强光和多能量，防止强光和CO2CO2亏缺条件下的光抑制。亏缺条件下的光抑制。 长期以来，光呼吸被认为是长期以来，光呼吸被认为是“无效无效”耗能过程，人耗能过程，人们试图通过抑制光呼吸来提高光合速率和作物产量的努们试图通过抑制光呼吸来提高光合速率和作物产量的努力，均难以奏效。但近年来越来越多的证据表明光呼吸力，均难以奏效。但近年来越来越多的证据表明光呼吸在耗散过剩光能保护光合机构免于光破坏中起重要作用。在耗散过剩光能保护光合机构免于光破坏中起重要作用。光呼吸的保护作用大致通过四条途径实现：光呼吸的保护作用大致通过四
45、条途径实现：光呼吸释放光呼吸释放1分子分子CO2比光合碳同化固定比光合碳同化固定1分子分子CO2多消耗两倍的化学能量，当碳同化不能及时利用化多消耗两倍的化学能量，当碳同化不能及时利用化学能量时，光呼吸的耗能运转可以减少过剩光能的积累；学能量时，光呼吸的耗能运转可以减少过剩光能的积累；光呼吸循环加速了磷的周转利用，从而避免了光光呼吸循环加速了磷的周转利用，从而避免了光合作用的无机磷限制；合作用的无机磷限制；光呼吸释放的光呼吸释放的CO2和再生的和再生的3一磷酸甘油酸可以一磷酸甘油酸可以重新进入卡尔交循环，维持一定的光合速率；重新进入卡尔交循环，维持一定的光合速率；光呼吸降低光呼吸降低Mehler
46、反应速率，有利于减轻反应速率，有利于减轻O2等活性氧的潜在危害，而且比等活性氧的潜在危害，而且比Mehler反应的光保反应的光保护作用更有效。护作用更有效。（8）H2O-H2O循环循环Mehler反应：反应：2eSODPSI2O22O2-O2+H2O24eCATAsA-PODPSIIH2O+O22H2OO2Mehler的保护作用需要清除活性氧的酶系统协同的保护作用需要清除活性氧的酶系统协同运转，否则，造成伤害。运转，否则，造成伤害。在这个过程中，在这个过程中，PSII中水光解所产生的电子，中水光解所产生的电子，通过通过PSI传递给传递给O2，最终又还原成，最终又还原成H2O,其中没有其中没有氧
47、的释放。因此：氧的释放。因此：PSI受体侧对受体侧对O2的直接还原生成的直接还原生成O2-，后者又，后者又被被SOD和过氧化物酶作用生成和过氧化物酶作用生成H2O,这种在叶绿这种在叶绿体中体中O2的光还原最终生成的光还原最终生成H2O的过程，叫做的过程，叫做H2OH2O循环。径循环。径5 5、研究光抑制的主要生理方法、研究光抑制的主要生理方法（1）气体交换法）气体交换法应用应用IRGA或叶园片氧电极测定或叶园片氧电极测定CO2同化或同化或O2释放的量子效释放的量子效率，根据叶片的光合作用对光的响应曲线，来区分率，根据叶片的光合作用对光的响应曲线，来区分PSII反应中反应中心破坏引起的光抑制和热
48、耗散增加引起的光抑制。心破坏引起的光抑制和热耗散增加引起的光抑制。（2）荧光分析）荧光分析单列一章来讲。单列一章来讲。（3）特定波长下光吸收的测定）特定波长下光吸收的测定A505：通过测定完整叶片照光前后的：通过测定完整叶片照光前后的A505，来反应玉米，来反应玉米黄质的形成。强光处理常使黄质的形成。强光处理常使A505增大。增大。A320：320nm光吸收的变化主要反映光吸收的变化主要反映QA还原情况，它是光抑还原情况，它是光抑制破坏的一个良好指标。光抑制处理后，制破坏的一个良好指标。光抑制处理后，A320减少，表明反减少，表明反应中心电荷分离受抑（即还原态应中心电荷分离受抑（即还原态QA减
49、少了）。减少了）。A830：830nm光吸收的变化，反映光吸收的变化，反映PSII在光合放氧中的周转在光合放氧中的周转情况。在光抑制过程中，菠菜叶片类囊体膜碎片的情况。在光抑制过程中，菠菜叶片类囊体膜碎片的A830和放和放氧速率同步下降，表明光抑制主要是反应中心丧失了电荷分离氧速率同步下降，表明光抑制主要是反应中心丧失了电荷分离能力。能力。二、温度二、温度 温度是影响光合机构最为频繁的环境因素，温度是影响光合机构最为频繁的环境因素，光合作用的暗反应属于酶促反应，很易受到温度光合作用的暗反应属于酶促反应，很易受到温度的影响。的影响。 1、光合机构对高、低温的适应与叶绿体膜的稳定、光合机构对高、低
50、温的适应与叶绿体膜的稳定性有关性有关膜的稳定性取决于膜的不饱和脂肪酸的比例和膜膜的稳定性取决于膜的不饱和脂肪酸的比例和膜的流动性。热带植物热稳定性高，膜脂相变温度也高，的流动性。热带植物热稳定性高，膜脂相变温度也高，耐热不耐冷。耐热不耐冷。2、光合机构对低温、冰冻的适应机制、光合机构对低温、冰冻的适应机制可溶性蛋白积累；可溶性蛋白积累；糖蛋白增加；糖蛋白增加；Rubisco结构和催化活性改变。制结构和催化活性改变。制3、高温对光合机构的损伤部位、高温对光合机构的损伤部位PSII反应中心及其氧化侧的类囊体膜。反应中心及其氧化侧的类囊体膜。热激蛋白对高温下的热激蛋白对高温下的PSII具有保护作用。
51、具有保护作用。三、水分三、水分 水是光合作用的原料，但仅占吸收量的一少部分。水是光合作用的原料，但仅占吸收量的一少部分。但间接作用很大。但间接作用很大。 1、缺水、缺水轻度缺水：轻度缺水：气孔关闭气孔关闭CO2进入叶内减少进入叶内减少光合下降光合下降（气孔限制）。（气孔限制）。严重缺水：严重缺水：气孔关闭（气孔限制）光合机构损伤（非气孔关闭（气孔限制）光合机构损伤（非气孔限制）气孔限制）植物对缺水的适应机制：植物对缺水的适应机制：限制叶片扩展限制叶片扩展产生叶面覆盖物：茸毛、蜡质、盐类结晶产生叶面覆盖物：茸毛、蜡质、盐类结晶减少光能吸收：叶片运动、叶绿体运动减少光能吸收：叶片运动、叶绿体运动减
52、少水分蒸腾减少水分蒸腾提早开花结实：如沙漠的短命植物。提早开花结实：如沙漠的短命植物。2、水分过多、水分过多根系活力受阻；根系活力受阻；电子传递效率下降；电子传递效率下降；NADP还原受阻制还原受阻制四、空气四、空气 光合作用的原料光合作用的原料CO2CO2来源于空气，一般空气中来源于空气，一般空气中的的CO2CO2浓度位浓度位300300400ppm400ppm。1、CO2浓度与光合作用浓度与光合作用空气中的空气中的CO2浓度远远低于浓度远远低于C3植物的饱和点，因此，植物的饱和点，因此，CO2浓度常常是浓度常常是C3植物光合作用的主要限制因素。因此，采植物光合作用的主要限制因素。因此，采用
53、用CO2施肥可以取得明显效果。施肥可以取得明显效果。C4植物由于存在一个碳二羧酸循环途径，使植物由于存在一个碳二羧酸循环途径，使VBS细胞中细胞中CO2浓度成倍增加，通常条件下，浓度成倍增加，通常条件下，CO2浓度不是其光合限制因子。浓度不是其光合限制因子。 2、长期高、长期高CO2浓度对光合机构的影响浓度对光合机构的影响化石燃料的大量使用，造成空气中化石燃料的大量使用，造成空气中CO2CO2浓度浓度不断增加，引起温室效应，会对生物界和人类不断增加，引起温室效应，会对生物界和人类社会发生深刻的影响。因此，植物生理学家非社会发生深刻的影响。因此，植物生理学家非常关注这种常关注这种CO2CO2浓度
54、增加对植物的影响。浓度增加对植物的影响。长期：几个星期几个月长期：几个星期几个月 高浓度：高浓度：700ppm700ppm左右（比现在增加左右（比现在增加1 1倍）倍）（1）光合速率）光合速率 CO2浓度增加可减少浓度增加可减少O2对对Rubisco的竞争，的竞争，从而使叶片的光合速率升高。从而使叶片的光合速率升高。然而，存在这样一种现象：光合作用下调然而，存在这样一种现象：光合作用下调（驯化、适应）。（驯化、适应）。“downregulationofphotosynthesisorphotosyntheticacclimation”:即在同样的即在同样的CO2浓度下测定，高浓度下测定，高CO
55、2浓度下生长的植物，其光浓度下生长的植物，其光合速率低于普通空气下生长的植物。不论在普合速率低于普通空气下生长的植物。不论在普通空气下测定还是在高通空气下测定还是在高CO2浓度下测定均如此。浓度下测定均如此。（2）光合酶系）光合酶系在高在高CO2浓度下，叶片的可溶性蛋白含量、浓度下，叶片的可溶性蛋白含量、Rubisco的含量与活性均表现下降趋势。的含量与活性均表现下降趋势。（3）光化学系统）光化学系统chl含量下降，含量下降，chla/chlb比值、比值、PSII量子效率变化量子效率变化不大。不大。（4）光合产物积累与分配）光合产物积累与分配长期生长在高长期生长在高CO2浓度下，导致淀粉积累、
56、蔗糖浓度下，导致淀粉积累、蔗糖合成增加。合成增加。对光合产物的分配影响与对光合产物的分配影响与N素营养有关：素营养有关：高高N N，高，高CO2CO2浓度下：光合产物输出减少浓度下：光合产物输出减少 低低N N，高，高CO2CO2浓度下：光合产物输出增多浓度下：光合产物输出增多（4）光呼吸和暗呼吸）光呼吸和暗呼吸光呼吸：降低。与光呼吸：降低。与CO2与与O2对对Rubisco的竞争有关的竞争有关暗呼吸：降低。第一是由于暗呼吸：降低。第一是由于CO2固定增加，使观测固定增加，使观测到的呼吸速率相对减少；第二是由于到的呼吸速率相对减少；第二是由于CO2影响细胞影响细胞pH，进而影响呼吸酶系统的活，
57、进而影响呼吸酶系统的活性。性。五、矿质营养五、矿质营养N、P、K不足：光合下降。主要是酶活性下降不足：光合下降。主要是酶活性下降Mg、Fe不足：减少不足：减少chl合成合成Ca、Mn不足：影响光合放氧不足：影响光合放氧重金属过多：抑制重金属过多：抑制PSII活性、降低电子传递效活性、降低电子传递效率，抑制非环式光合磷酸化。同率，抑制非环式光合磷酸化。同时影响酶活性。时影响酶活性。第三章第三章逆境下光合作用的限制部位逆境下光合作用的限制部位 从上一章所述可知，几乎所有的不良环境都会导致光合速率的下降，那么，这些环境胁迫是如何引起叶片光合速率下降的呢？是在CO2从空气向叶绿体羧化部位的传导过程中，
58、还是在CO2的固定、还原过程中？还是在同化力形成过程中？如果能对这些问题作出满意的回答，对于深入了解光合作用的调控机理，获得高产、优质、高效是非常有益的。一、光合作用的气孔限制和非气孔限制一、光合作用的气孔限制和非气孔限制（一）限制因子定律（一）限制因子定律 限制因子定律：如果一个过程受多种因子的制约，限制因子定律：如果一个过程受多种因子的制约，则这些因子中处于最低水平或最不能满足过程要求的则这些因子中处于最低水平或最不能满足过程要求的因子，将成为限制整个过程速度的关键因子。只有提因子，将成为限制整个过程速度的关键因子。只有提高了限制因子的水平，整个过程的速度才能加。高了限制因子的水平，整个过
59、程的速度才能加。 水桶理论模型。水桶理论模型。（二）蒸腾与光合过程中水气和（二）蒸腾与光合过程中水气和CO2扩散阻力的分析扩散阻力的分析从生态生理角度来看，光合与蒸腾分别从生态生理角度来看，光合与蒸腾分别是水分子和是水分子和CO2通过叶片的内外交换过程，通过叶片的内外交换过程，其主要通道是气孔，光合与蒸腾速率可分别其主要通道是气孔，光合与蒸腾速率可分别用用CO2和水蒸气分子的扩散通量来表示和水蒸气分子的扩散通量来表示（mol.s-1）。扩散的动力是叶内外气体的浓）。扩散的动力是叶内外气体的浓度差。度差。按照费克扩散定律，扩散途径中气体的扩按照费克扩散定律，扩散途径中气体的扩散通量与扩散途径的浓
60、度差成正比，而与扩散通量与扩散途径的浓度差成正比，而与扩散阻力成反比。散阻力成反比。对于蒸腾速率，其关系式是：对于蒸腾速率，其关系式是：CTrrC=CiCa对于光合作用：对于光合作用：CPnrC=CaCi径径 但是，光合作用的情况与蒸腾作用不同，但是，光合作用的情况与蒸腾作用不同，COCO2 2从大气进入叶肉并没有完成扩散的全过程，从大气进入叶肉并没有完成扩散的全过程，COCO2 2必须到达叶绿体的羧化部位，才能被同化，必须到达叶绿体的羧化部位，才能被同化，才算完成了扩散。才算完成了扩散。CO2CO2在液相中的扩散阻力更大。在液相中的扩散阻力更大。所以，光合和蒸腾的总阻力是明显不同的。所以，光
61、合和蒸腾的总阻力是明显不同的。 这个问题与分段电路中的这个问题与分段电路中的欧姆定律欧姆定律相似，可相似，可把总阻力分成若干小段，分别加以考察。在同把总阻力分成若干小段，分别加以考察。在同一扩散途径中，各阻力可视为串联，而不同扩一扩散途径中，各阻力可视为串联，而不同扩散途径（如气孔扩散与角质扩散）阻力可视为散途径（如气孔扩散与角质扩散）阻力可视为并联。在同一扩散途径的各个小段，其扩散通并联。在同一扩散途径的各个小段，其扩散通量（相当于电流）是相等的。量（相当于电流）是相等的。按照以上原则，可把扩散阻力分为以下几段：按照以上原则，可把扩散阻力分为以下几段：1、界面层阻力、界面层阻力rL和和rL:
62、指叶面空气滞留层对指叶面空气滞留层对气体扩散造成的阻力。它与叶表面的性质、叶片大气体扩散造成的阻力。它与叶表面的性质、叶片大小、风速等有关。小、风速等有关。2、气孔阻力、气孔阻力rs和和rs:指气孔对气体扩散的阻力，指气孔对气体扩散的阻力，其大小取决于气孔密度、孔口大小和张开度。其大小取决于气孔密度、孔口大小和张开度。3、叶肉阻力、叶肉阻力rm:指指CO2在叶肉细胞扩散的阻在叶肉细胞扩散的阻力。力。rm包括：细胞壁阻力包括：细胞壁阻力原生质膜阻力原生质膜阻力细胞溶质阻力细胞溶质阻力叶绿体被膜阻力叶绿体被膜阻力羧化阻力（其倒数是羧化效率）羧化阻力（其倒数是羧化效率）根据以上原则，蒸腾和光合阻力的
63、表达式为：根据以上原则，蒸腾和光合阻力的表达式为：CiCaTrrLrsCaCiCaCchlPnrLrsrLrsrm(三三)扩散阻力与导度的测量原理扩散阻力与导度的测量原理 根据以上的分析，可用仪器测量出几个关键参数，并计算各种阻力的值。 1、水的扩散阻力与导度、水的扩散阻力与导度根据上边的式子，水气扩散的气孔阻力为：根据上边的式子，水气扩散的气孔阻力为：CiCarsrLTr式中：式中：Ca是空气中的水气密度，可用湿度计测出；是空气中的水气密度，可用湿度计测出；Ci是细胞间隙的水蒸气密度，常把它看作当时叶温下的是细胞间隙的水蒸气密度，常把它看作当时叶温下的饱和水蒸气密度，可测定叶温，查表求出；饱
64、和水蒸气密度，可测定叶温，查表求出；Tr是蒸腾速率，可用仪器测出；是蒸腾速率，可用仪器测出；rL是界面层阻力。可用模拟的方法测出。以湿的滤纸代是界面层阻力。可用模拟的方法测出。以湿的滤纸代替叶片，其水分散失相当于完全没有表皮细胞的裸露叶肉细胞，替叶片，其水分散失相当于完全没有表皮细胞的裸露叶肉细胞，可看成可看成rs0，这种情况下，按照公式：，这种情况下，按照公式：CTrrLCrLTr式中，式中，C以纸片温度下的饱和水气密度与空气中水气密以纸片温度下的饱和水气密度与空气中水气密度之差来表示。度之差来表示。近年来，学者们更多的用导度来代替阻力，两者的关系近年来，学者们更多的用导度来代替阻力，两者的
65、关系正如电导与电阻的关系，互为倒数。正如电导与电阻的关系，互为倒数。gs1/rs(气孔导度气孔导度)gm=1/rm（叶肉导度）（叶肉导度）其优点是导度与通量成正比直线关系，容易进行数据处其优点是导度与通量成正比直线关系，容易进行数据处理。而阻力与通量则为双曲线关系，数据处理常有不便。理。而阻力与通量则为双曲线关系，数据处理常有不便。2、CO2的扩散阻力与导度的扩散阻力与导度上边是对水气分子扩散阻力的计算，对于上边是对水气分子扩散阻力的计算，对于CO2分子的阻力，分子的阻力，不可用上述方法直接算出。因为叶肉细胞的不可用上述方法直接算出。因为叶肉细胞的CO2浓度浓度Ci无法估无法估计，直接测定则难
66、度较大。而用简介的方法计算比较方便。计，直接测定则难度较大。而用简介的方法计算比较方便。由于气体分子的扩散系数大小与其分子量的平方根成反比，由于气体分子的扩散系数大小与其分子量的平方根成反比，而而CO2与水分子经过同样的气孔扩散，那么，与水分子经过同样的气孔扩散，那么，CO2受到的扩散受到的扩散阻力就相当于水分子阻力的阻力就相当于水分子阻力的1.56倍。倍。44-2=1.5618-2由于由于CO2进入气孔的同时，水分子向外扩散，故进入气孔的同时，水分子向外扩散，故CO2进入的进入的阻力会加大，阻力会加大，Cowan根据实验，把它修正为根据实验，把它修正为1.6。rs=1.6rs对于界面层阻力，
67、此系数为对于界面层阻力，此系数为1.37。因为界面层内的扩散，。因为界面层内的扩散，不仅取决于气体分子的大小，还与气体分子的湍流传输有关。不仅取决于气体分子的大小，还与气体分子的湍流传输有关。即：即：rL=1.37rL于是，于是，CO2在气相中扩散的总阻力为：在气相中扩散的总阻力为：r=1.6rs+1.37rL明确以上关系后，即可计算明确以上关系后，即可计算Ci:由于：由于：Pn=(Ca-Ci)/r得：得：Ci=CaPnrCaPn/g因为因为r与与g互为倒数：互为倒数：g1/r(四四)气孔限制值的计算气孔限制值的计算在研究光合速率与光强、在研究光合速率与光强、CO2的关系时，人的关系时，人们常
68、用光合作用的光响应曲线（们常用光合作用的光响应曲线（PFDPn曲线）、曲线）、光合作用的光合作用的CO2响应曲线响应曲线(CaPn曲线曲线)来进行分来进行分析。自从测定气孔导度的仪器问世以后，由于能析。自从测定气孔导度的仪器问世以后，由于能够间接测算出够间接测算出Ci（细胞器间隙（细胞器间隙CO2浓度），便可浓度），便可绘出绘出CiPn曲线。通过比较曲线。通过比较CaPn曲线和曲线和CiPn曲线的差别，区分气孔因素和叶肉因素（非气曲线的差别，区分气孔因素和叶肉因素（非气孔因素）对光合的影响。孔因素）对光合的影响。2、CO2-Pn响应曲线响应曲线比较上述两条曲线可见，在同样的比较上述两条曲线可见
69、，在同样的CO2范围内，范围内，CaPn曲线的光合速率，总是低于曲线的光合速率，总是低于CiPn曲线。曲线。这种降低显然是由于气孔对这种降低显然是由于气孔对CO2扩散的限制所致。扩散的限制所致。以以CO2浓度相当于空气中浓度相当于空气中CO2浓度浓度340mol.L-1为例，若叶肉细胞达到此浓度，为例，若叶肉细胞达到此浓度，Pn可达到可达到A0值，值，然而，若空气中达到该浓度，然而，若空气中达到该浓度，Pn仅为仅为A值，值，AoA之差，是气孔阻力所造成的。其实质是在空气保持之差，是气孔阻力所造成的。其实质是在空气保持这一浓度时，叶肉细胞间隙这一浓度时，叶肉细胞间隙CO2浓度实际上只有浓度实际上
70、只有Ci,两者的浓度之差，正是气孔阻力造成的。这样，两者的浓度之差，正是气孔阻力造成的。这样，可以根据图中的数据，进行气孔限制值的计算。可以根据图中的数据，进行气孔限制值的计算。1、根据、根据CO2浓度差值计算浓度差值计算CaciCiLs=1CaCa当气孔完全关闭时，可设想当气孔完全关闭时，可设想Ci=0，Ls=1当气孔完全开放时，当气孔完全开放时，Ci=Ca，Ls=0所以，所以，Ls在在0于于1之间变动。之间变动。但是但是,这种计算方法只适应于这种计算方法只适应于CO2为限制因子的情况为限制因子的情况,即即Pn-CO2曲线的直线上升阶段。因为两者成直线关系，曲线的直线上升阶段。因为两者成直线
71、关系，CO2浓浓度可代表光合速率。随着曲线的弯曲，就不能再用度可代表光合速率。随着曲线的弯曲，就不能再用CO2浓度浓度的变化来表示光合速率的变化。换句话说，光合速率的变化的变化来表示光合速率的变化。换句话说，光合速率的变化不完全是不完全是CO2供应限制的结果。这种情况下，应该用实际光供应限制的结果。这种情况下，应该用实际光合值来表示。合值来表示。2、根据、根据A计算计算这是这是Farquhar和和Sharkey发展的方法，计算简便。发展的方法，计算简便。根据上图：根据上图：Ls=(A0A)/Ao=1A/AoAo:是是Ci=Ca时的时的Pn,或气孔阻力为或气孔阻力为0时的光合速时的光合速率率A：
72、是空气中：是空气中CO2浓度为浓度为Ca时的时的Pn，即在气孔，即在气孔阻力作用下，由于阻力作用下，由于CO2扩散受到限制而使光合达到扩散受到限制而使光合达到的实际值。的实际值。AoA：是气孔限制造成的光合下降。：是气孔限制造成的光合下降。此法可以避免对气孔限制值的过分估计，氮存此法可以避免对气孔限制值的过分估计，氮存在两个缺点：在两个缺点：（1）需要测定）需要测定Pn-ci和和Pn-Ca两条曲线，较烦杂两条曲线，较烦杂（2）逆境下，）逆境下，Pn太低，甚至为负值，此时侧难太低，甚至为负值，此时侧难以估计以估计Ls。（五）逆境条件下光合作用气孔限制和非气孔限制判断（五）逆境条件下光合作用气孔限
73、制和非气孔限制判断根据以上气孔限制的理论分析，可以区分不同情况下光根据以上气孔限制的理论分析，可以区分不同情况下光合作用的主要限制因子。例如，干旱条件下，光合作用下降，合作用的主要限制因子。例如，干旱条件下，光合作用下降，气孔导度也下降，但是，不能就据此推论是气孔影响的结果，气孔导度也下降，但是，不能就据此推论是气孔影响的结果，应区别情况进行分析。应区别情况进行分析。1、当轻度水分胁迫时：气孔导度下降，而叶肉细胞仍、当轻度水分胁迫时：气孔导度下降，而叶肉细胞仍活跃进行光合，则活跃进行光合，则Ci应明显降低，应明显降低，Ls值升高。值升高。2、当严重干旱胁迫时：叶肉细胞光合能力受损，即便、当严重
74、干旱胁迫时：叶肉细胞光合能力受损，即便gs较低情况下，较低情况下，Ci可升高或不变，此时可升高或不变，此时Ls降低。降低。光合作用气孔限制与非气孔限制的判断：光合作用气孔限制与非气孔限制的判断：参数气孔限制非气孔限制Pn下降下降Gs下降下降Ci下降上升或不变Ls升高下降实例：鲁豆实例：鲁豆4号鼓粒期光合特性号鼓粒期光合特性处理AoAGs（ms-1）Ci(lL-1)Ls(%)叶肉导度CK29.1190.78286.717.50.1185轻度干旱22.214.30.37274.018.90.0896中度干旱12.89.20.15244.228.90.0635严重干旱1.720.970.05287.
75、32.30.0132A:molm-2s-1叶肉导度：A/Ci从表中可以看出，随着水分胁迫的加重，从表中可以看出，随着水分胁迫的加重，A下降，下降，gs也下也下降，但不能断定降，但不能断定A下降就是下降就是gs下降造成的。下降造成的。Ci:从从CK到中度胁迫一直下降，严重干旱时又升高；到中度胁迫一直下降，严重干旱时又升高；Ls:从从CK到中度胁迫一直上升，严重干旱时又下降；到中度胁迫一直上升，严重干旱时又下降；叶肉导度：从叶肉导度：从CK到中度胁迫下降，但幅度不大，严重胁迫到中度胁迫下降，但幅度不大，严重胁迫时急剧下降。时急剧下降。上述结果表明：在中度水分胁迫之前，水分亏缺虽然也影上述结果表明：
76、在中度水分胁迫之前，水分亏缺虽然也影响叶肉细胞的光合能力，使叶肉导度和响叶肉细胞的光合能力，使叶肉导度和A下降，但起主导作用下降，但起主导作用的是气孔关闭，即一气孔限制为主。（可从的是气孔关闭，即一气孔限制为主。（可从Ci下降、下降、Ls上升上升证明）。证明）。在严重水分胁迫时，在严重水分胁迫时，gs虽然进一步降低，但叶肉导度降低虽然进一步降低，但叶肉导度降低幅度更大，叶肉因素成为主导因素。（可从幅度更大，叶肉因素成为主导因素。（可从Ci上升、上升、Ls下降下降证明）。证明）。二、生理因素对光合作用的限制二、生理因素对光合作用的限制 除了外界环境因素外，植物自身的多种生理因素除了外界环境因素外
77、，植物自身的多种生理因素也常常限制光合作用的高速进行。也常常限制光合作用的高速进行。Rubisco是光合碳同化的关键酶或限速酶。光饱和的光合速率与Rubisco具有良好的正相关。因此，活化态的Rubisco的不足，常是光合作用的一个限制因子。1、RuBP羧化限制在饱和光强下，在饱和光强下，Pn对对Ci的响应曲线，可分为的响应曲线，可分为2个个明显的阶段：明显的阶段：第一阶段：第一阶段：在较低的在较低的Ci下，下，Pn随随Ci增加而直线增增加而直线增加，这段直线的斜率，叫做羧化效率（加，这段直线的斜率，叫做羧化效率（CE:carboxylicefficiency）。）。CE大小是活化大小是活化R
78、ubisco多少的指标。多少的指标。第二阶段：第二阶段：在较高的在较高的Ci下，下，Pn几乎不再随几乎不再随Ci增加增加而上升，这时的而上升，这时的Pn叫做光合能力叫做光合能力(Pm)。它表示叶片。它表示叶片在不受光、温、水、在不受光、温、水、CO2等环境因子限制时潜在的等环境因子限制时潜在的光合能力。光合能力。Pm大小受大小受RuBP再生的制约，再生的制约，RuBP再生又受同再生又受同化力化力(ATP,NADPH)制约。制约。两个阶段之间，有一个曲线阶段：两个阶段之间，有一个曲线阶段：Pn随随Ci增加而增加而缓慢上升，反映了光合作用从受缓慢上升，反映了光合作用从受RuBP羧化限制到向羧化限制
79、到向RuBP再生限制转变。再生限制转变。2、RuBP再生限制再生限制在光合作用对在光合作用对CO2增加的响应过程中，随着增加的响应过程中，随着CO2增加，增加，Pn增高，增高，RuBP的消耗也增多。当的消耗也增多。当RuBP的浓度不足以饱和的浓度不足以饱和Rubisco的催化部位时，便会发生的催化部位时，便会发生RuBP再生对光合作用的限再生对光合作用的限制。这时，光合速率不再随制。这时，光合速率不再随CO2浓度增加而升高。浓度增加而升高。由于由于RuBP的再生依赖于同化力的供应，而同化力的供应的再生依赖于同化力的供应，而同化力的供应又取决于电子传递和光合磷酸化，所以，又取决于电子传递和光合磷
80、酸化，所以，RuBP再生限制在一再生限制在一定程度上反应了光合电子传递及光合磷酸化等光反应状况。定程度上反应了光合电子传递及光合磷酸化等光反应状况。其重要参数是：其重要参数是：PSII（PSII光化学效率）光化学效率）在低光强下，由于种种原因造成的在低光强下，由于种种原因造成的PSII降低会成为光合降低会成为光合作用的限制因子。作用的限制因子。在饱和光强下，在饱和光强下，PSII的降低不一定就会是光合的限制因的降低不一定就会是光合的限制因子，因为这时子，因为这时PSII下降不一定会导致下降不一定会导致Pn下降。下降。3、磷再生限制、磷再生限制磷：磷：是光合作用不可缺少的元素，在光合作用中，磷是
81、光合作用不可缺少的元素，在光合作用中，磷在不断地循环使用。在不断地循环使用。形成同化力时，形成同化力时，P进入进入ATP，ATP被用于碳同化时，被用于碳同化时，它进入它进入TP，TP合成淀粉和蔗糖时，它又形成无机磷释放合成淀粉和蔗糖时，它又形成无机磷释放出来。出来。如果如果TP的利用速率低于其产生速率，则的利用速率低于其产生速率，则Pi的再生释的再生释放就会减慢，从而因放就会减慢，从而因Pi再生对光合造成限制，即磷再生限再生对光合造成限制，即磷再生限制。制。原因：原因：影响影响PGA还原；还原；影响影响RuBP再生再生PGA积累，导致叶绿体间质积累，导致叶绿体间质pH降低，造成降低，造成Cal
82、vincycle中许多酶活性下降，如中许多酶活性下降，如Rubisco,Ru5P激酶等，因此，激酶等，因此，光合速率光合速率Pn降低。降低。当然，磷过多时，也会引起光合下降，因为无机磷酸是当然，磷过多时，也会引起光合下降，因为无机磷酸是Rybisco的一种竞争性抑的一种竞争性抑制剂。制剂。4、光合产物限制、光合产物限制早在早在100多年前，就有人提出，照光叶片中同化物的积累会多年前，就有人提出，照光叶片中同化物的积累会使叶片的光合速率下降，即产物抑制假说。然而，使叶片的光合速率下降，即产物抑制假说。然而，100多年来，多年来，该学说既没有被证明，也没有被推翻、被抛弃。实验结果很不抑该学说既没有
83、被证明，也没有被推翻、被抛弃。实验结果很不抑制，证实和反证都难。制，证实和反证都难。提高源库比例，阻止叶片中光合产物输出，使叶片中光合产提高源库比例，阻止叶片中光合产物输出，使叶片中光合产物增多，可以观察到物增多，可以观察到Pn下降。往往是用末端产物的反馈抑制来解下降。往往是用末端产物的反馈抑制来解释。释。但是，有人认为，通过认为改变叶片中光合产物积累的同时，但是，有人认为，通过认为改变叶片中光合产物积累的同时，叶片中的激素水平、水分状况等也发生了变化，叶片中的激素水平、水分状况等也发生了变化，Pn的下降不一定的下降不一定就是光合产物积累所致。就是光合产物积累所致。有些实验则证明，叶片中光合产
84、物积累，并不导致有些实验则证明，叶片中光合产物积累，并不导致Pn下降；下降；产物限制的阈值观点：认为即便植物体内存在产物限制，也产物限制的阈值观点：认为即便植物体内存在产物限制，也是在光合产物积累到一定水平之后，才会抑制光合作用。在没有是在光合产物积累到一定水平之后，才会抑制光合作用。在没有环境胁迫时，产物积累低于阈值，产物限制就不是主要的限制因环境胁迫时，产物积累低于阈值，产物限制就不是主要的限制因子。也就是说，光合产物在一定限度内的积累，不会成为光合作子。也就是说，光合产物在一定限度内的积累，不会成为光合作用的限制因子。用的限制因子。近些年来，叶绿素荧光分析在植物生理生态研究中应用近些年来
85、，叶绿素荧光分析在植物生理生态研究中应用非常广泛，似乎在田间不进行荧光分析就不是对光合进行研非常广泛，似乎在田间不进行荧光分析就不是对光合进行研究。这种情况的出现，主要归功于一些便携式叶绿素荧光分究。这种情况的出现，主要归功于一些便携式叶绿素荧光分析仪的开发使用。尽管测定起来比较简单，但是它所依据的析仪的开发使用。尽管测定起来比较简单，但是它所依据的理论，及其数据的解释却是很复杂的问题，有时甚至有很大理论，及其数据的解释却是很复杂的问题，有时甚至有很大争论。目前已有许多文章综述，但多数是生物物理学家的观争论。目前已有许多文章综述，但多数是生物物理学家的观点。本节主要讲述叶绿素荧光分析的基本原理
86、和技术，为感点。本节主要讲述叶绿素荧光分析的基本原理和技术，为感兴趣的、试图在田间或实验室利用这项技术的初学者提供一兴趣的、试图在田间或实验室利用这项技术的初学者提供一个简要的指导。个简要的指导。荧光分析的原理是比较简单易懂的。叶绿素吸收的光能有荧光分析的原理是比较简单易懂的。叶绿素吸收的光能有3种命运：种命运：用于推动光化学反应（光合作用）用于推动光化学反应（光合作用）过多的能量以热的形式耗散过多的能量以热的形式耗散发光：释放荧光发光：释放荧光叶绿素去激途径叶绿素去激途径这三个途径同时存在，并发生竞争，任何一个这三个途径同时存在，并发生竞争，任何一个途径增强，都会削弱另外两个途经。所以，通过
87、测途径增强，都会削弱另外两个途经。所以，通过测定叶绿素荧光产量，即可获得光化学效率和热耗散定叶绿素荧光产量，即可获得光化学效率和热耗散的信息。的信息。调制式荧光分析仪调制式荧光分析仪的出现是一场革命，在这种的出现是一场革命，在这种测定系统中，测定荧光所用的光源是调制式的（即测定系统中，测定荧光所用的光源是调制式的（即以高频率地不断开关），监测器可以只检测被测定以高频率地不断开关），监测器可以只检测被测定光激发的荧光。所以，可以在背景光存在的情况下，光激发的荧光。所以，可以在背景光存在的情况下，测定出相对的荧光效率（产量），也可在阳光下测测定出相对的荧光效率（产量），也可在阳光下测定，这一点更有
88、意义。定，这一点更有意义。一、一、Kautsky效应：为什么荧光效率会发生改变？效应：为什么荧光效率会发生改变？ 早在早在19601960年年KautskyKautsky及其同时就发现了叶绿素及其同时就发现了叶绿素荧光效率的变化。他们发现，把一个光合材料从荧光效率的变化。他们发现，把一个光合材料从暗中转移到光下，叶绿素荧光产量在暗中转移到光下，叶绿素荧光产量在1 1秒钟内发生秒钟内发生增加。这种增加被解释为是由于光合途径中电子增加。这种增加被解释为是由于光合途径中电子受体的减少，特别是受体的减少，特别是PSIIPSII下游的质体醌下游的质体醌(QA)(QA)变化。变化。一旦一旦PSIIPSII
89、吸收光能，吸收光能，QAQA接受一个电子，在它把电接受一个电子，在它把电子传给下一个受体子传给下一个受体QBQB之前，就不能再接受电子了。之前，就不能再接受电子了。在这期间，反应中心呈在这期间，反应中心呈“关闭关闭”状态。任何时候，状态。任何时候，总是有一些反应中心处于关闭状态，导致光化学总是有一些反应中心处于关闭状态，导致光化学效率降低，而荧光效率增加。效率降低，而荧光效率增加。 当把一个叶片从暗中转移到光下时，当把一个叶片从暗中转移到光下时，PSII中心中心逐渐关闭，使得荧光产量在照光后逐渐关闭，使得荧光产量在照光后1s内增加，接下来，内增加，接下来，荧光产量又开始下降，持续几分钟。这种现
90、象叫做荧光产量又开始下降，持续几分钟。这种现象叫做“荧光猝灭荧光猝灭”。可以用两种方式来解释（或两种猝灭）：。可以用两种方式来解释（或两种猝灭）：光化学猝灭（光化学猝灭（qP）：）：由于光诱导碳同化酶的活化和由于光诱导碳同化酶的活化和气孔的开放，使得电子从气孔的开放，使得电子从PSII向外传递的速率加快。这向外传递的速率加快。这种荧光猝灭叫做光化学猝灭。种荧光猝灭叫做光化学猝灭。非光化学猝灭非光化学猝灭(NPQ)：与此同时，能量转化为热能的：与此同时，能量转化为热能的效率增加。整个过程就叫做效率增加。整个过程就叫做“非光化学猝灭非光化学猝灭”。对于典型的植物，这两个过程大约需要对于典型的植物，
91、这两个过程大约需要1520分钟分钟完成，达到一种稳态。不过，不同植物达到稳态所需时完成，达到一种稳态。不过，不同植物达到稳态所需时间差异很大。间差异很大。二、荧光信号的解释二、荧光信号的解释为了从叶绿素荧光测定获得关于光合表现的有用信息，为了从叶绿素荧光测定获得关于光合表现的有用信息，必须能够将光化学猝灭和非光化学猝灭进行区分。通常的办必须能够将光化学猝灭和非光化学猝灭进行区分。通常的办法是将其中之一关闭，特别是把光化学过程关闭，这样，另法是将其中之一关闭，特别是把光化学过程关闭，这样，另外一个过程的荧光产量即可被估测出来。在体外试验条件下，外一个过程的荧光产量即可被估测出来。在体外试验条件下
92、，常用的办法是加入化学试剂，如常用的办法是加入化学试剂，如DCMU（一种除草剂），抑（一种除草剂），抑制制PSII，使光化学反应降到，使光化学反应降到0。不过，这种方法对于生理上来。不过，这种方法对于生理上来说，既不实用，也不理想。于是，又诞生了一种技术：双光说，既不实用，也不理想。于是，又诞生了一种技术：双光技术。这种技术可以使光化学猝灭暂时降低到技术。这种技术可以使光化学猝灭暂时降低到0。在这种技术。在这种技术中，给一个高强度、短时间的闪光，使所有的中，给一个高强度、短时间的闪光，使所有的PSII中心暂时中心暂时全部关闭。只要这个闪光足够短，就不会发生非光化学猝灭全部关闭。只要这个闪光足够
93、短，就不会发生非光化学猝灭的增加，也不引起光化学效率的长期变化。在这个闪光期间，的增加，也不引起光化学效率的长期变化。在这个闪光期间，荧光产量达到一个没有光化学猝灭存在下的最大值，即最大荧光产量达到一个没有光化学猝灭存在下的最大值，即最大荧光（荧光（Fm）。把）。把Fm与稳态荧光与稳态荧光Ft(光照下的荧光光照下的荧光)及初始荧光及初始荧光Fo(没有作用光存在时的荧光没有作用光存在时的荧光)进行比较，即可得到光化学猝进行比较，即可得到光化学猝灭及灭及PSII运转的信息。运转的信息。在光化学效率发生变化的同时，热耗散的效在光化学效率发生变化的同时，热耗散的效率（即非光化学猝灭）也在随着内外因素的
94、变化率（即非光化学猝灭）也在随着内外因素的变化而变化。这些变化可以从而变化。这些变化可以从Fm的水平来反映出来。的水平来反映出来。和光化学效率不同，完全抑制热耗散是不可能的，和光化学效率不同，完全抑制热耗散是不可能的，所以，要想测定出没有非光化学猝灭存在下的叶所以，要想测定出没有非光化学猝灭存在下的叶绿素荧光产量也是不可能的。因此，估计非光化绿素荧光产量也是不可能的。因此，估计非光化学猝灭主要是通过暗适应点的荧光（学猝灭主要是通过暗适应点的荧光（Fmo）.由于由于这些原因，有必要设计一个试验，估测出经过暗这些原因，有必要设计一个试验，估测出经过暗适应的、非胁迫下的参考值。这一点在田间不易适应的
95、、非胁迫下的参考值。这一点在田间不易做到，通常是估测黎明前的做到，通常是估测黎明前的Fm值。值。三、荧光猝灭分析三、荧光猝灭分析 在叶绿素荧光分析使用不长的历史中，出现了很多不同的参数，来计算光化学猝灭和非光化学猝灭，甚至有时一个参数会有不同的解释。这一点常使初学者困惑。这里介绍一些较为标准的、常用的参数。 图2所示为一个完整叶片利用饱和脉冲光法的典型荧光轨迹图。MeasurementofchlorophyllfluorescencefromamaizeleafbythesaturationpulsemethodusingaPAM-2000instrument打开测量光（打开测量光（MB），测
96、定零荧光水），测定零荧光水平平(Fo)；然后使用一个饱和脉冲光；然后使用一个饱和脉冲光（SP），可测定最大荧光水平（），可测定最大荧光水平（Fm）；）；再用一个驱动光合的作用光再用一个驱动光合的作用光(AL)，一段，一段时间后，再加一个饱和脉冲光（时间后，再加一个饱和脉冲光（SP）测）测定光照条件下的最大荧光（定光照条件下的最大荧光（Fm）。在照）。在照射饱和脉冲光之前的荧光水平为稳态荧射饱和脉冲光之前的荧光水平为稳态荧光（光（Ft）。关掉作用光（）。关掉作用光（AL），加上远），加上远红光，可以测定照光下的零水平荧光红光，可以测定照光下的零水平荧光（Fo）。）。常用的荧光参数：常用的荧光参数
97、：光化学猝灭参数：光化学猝灭参数：PSII：PSII量子产量（效率）量子产量（效率）（Fm-Ft）/FmqP:开放开放PSII的比例（光化学猝灭）的比例（光化学猝灭）（Fm-Ft）/（FmFo）Fv/FmPSII最大量子效率最大量子效率（Fm-Fo）/Fm非光化学猝灭参数：非光化学猝灭参数：NPQ:非光化学猝灭非光化学猝灭(Fm-Fm)/FmqN:非光化学猝灭非光化学猝灭（Fm-Fm）/(Fm-Fo)（一）光化学过程（一）光化学过程 光化学猝灭总是与光化学猝灭总是与Fm和和Ft有关。最有用的参数就是有关。最有用的参数就是PSII的光化学效率：的光化学效率：PSII。PSII(Fm-Ft)/Fm
98、这个参数测定的是这个参数测定的是PSII叶绿素吸收光能用于光化学反叶绿素吸收光能用于光化学反应的那一部分占多少。这样，它就给出一个线性电子传递应的那一部分占多少。这样，它就给出一个线性电子传递速率以及总体光合作用的指标。在实验室条件下，这个指速率以及总体光合作用的指标。在实验室条件下，这个指标与标与CO2固定有着很强的相关性，然而，在某些逆境下，固定有着很强的相关性，然而，在某些逆境下，二者会发生差异，这是由于光呼吸和假环式电子传递引起二者会发生差异，这是由于光呼吸和假环式电子传递引起的。的。因为因为PSII是是PSII光化学量子效率，所以可以用来计光化学量子效率，所以可以用来计算线性电子传递
99、速率和总体光合能力。算线性电子传递速率和总体光合能力。J=PSIIPFDa（0.5）这里这里PFDa吸收的光量子通量密度（吸收的光量子通量密度（molphotonm-2s-1）,0.5是计算是计算PSII和和PSI之间能量分配的因子。之间能量分配的因子。另一个广泛应用的测定光化学效率的荧光参数是光化学猝灭：另一个广泛应用的测定光化学效率的荧光参数是光化学猝灭：qP。计。计算如下：算如下：qP=(Fm-Ft)/(Fm-Fo)尽管从表面上看它与尽管从表面上看它与PSII非常相似，但实际意义有所不同。非常相似，但实际意义有所不同。PSII反应的是吸收光能用于光化学反应的部分，而反应的是吸收光能用于光
100、化学反应的部分，而qP表示表示PSII中心处于开放状中心处于开放状态的部分。另一个指标是态的部分。另一个指标是1qP，表示反应中心处于关闭状态的部分，有，表示反应中心处于关闭状态的部分，有时叫做时叫做PSII激发压力。激发压力。PSII和和qP可以被第三个指标相互联系起来，就是可以被第三个指标相互联系起来，就是Fv/Fm,即即PSII的最的最大光化学效率，也就是所有大光化学效率，也就是所有PSII中心都处于开放状态时的量子效率。中心都处于开放状态时的量子效率。Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm=PSII/qPPSII叙述的是已达到的效率，而叙述的是已达到的效率，而qP和和Fv/Fm则提供了潜在效
101、率。则提供了潜在效率。qP的变化反映中心的关闭，这是由于光饱和造成的。的变化反映中心的关闭，这是由于光饱和造成的。Fv/Fm的变化是的变化是由于非光化学猝灭效率变化所致。由于非光化学猝灭效率变化所致。Fv/Fm的暗适应值反映了的暗适应值反映了PSII潜在量子潜在量子效率，常用作光合作用的灵敏指标，对于大多数植物来说，其值在效率，常用作光合作用的灵敏指标，对于大多数植物来说，其值在0.83左左右。当植物暴露在逆境下时，低于此值，尤其可以表明发生了光抑制现象。右。当植物暴露在逆境下时，低于此值，尤其可以表明发生了光抑制现象。（二）非光化学过程（二）非光化学过程量化非光化学猝灭的最直接方法是测定量化
102、非光化学猝灭的最直接方法是测定Fm与与Fm变化的变化的比率。比率。NPQ=(Fm-Fm)/FmNPQ与热耗散呈直线相关，其值范围是与热耗散呈直线相关，其值范围是0无穷大。对无穷大。对于一个典型的植物，在饱和光下，于一个典型的植物，在饱和光下，NPQ可以在可以在0.53.5之间，之间，但因不同的种以及植物历史状况不同而有很大变化。但因不同的种以及植物历史状况不同而有很大变化。另一个反应非光化学猝灭的指标是另一个反应非光化学猝灭的指标是qN，其值在，其值在01范范围，需要测定围，需要测定Fo。这个指标目前认为不太灵敏。应该注意。这个指标目前认为不太灵敏。应该注意的是，以的是，以NPQ和和qN来测定
103、热耗散，与暗适应的状态密切相来测定热耗散，与暗适应的状态密切相关，当参照值较高时，热耗散也增加，这就意味着不同历关，当参照值较高时，热耗散也增加，这就意味着不同历史状态和不同种之间难以进行明确的比较。总体而言，如史状态和不同种之间难以进行明确的比较。总体而言，如果果Fv/Fm的暗适应值本来差异很大，不要进行的暗适应值本来差异很大，不要进行NPQ间的比间的比较。较。大多数情况下，对大多数情况下，对NPQ的主要贡献者称作高能态猝灭的主要贡献者称作高能态猝灭（qE）,被认为对保护叶片免受光致破坏是必须的。这一过程被认为对保护叶片免受光致破坏是必须的。这一过程需要类囊体腔的的需要类囊体腔的的pH值和光
104、诱导的玉米黄素的形成。在叶片值和光诱导的玉米黄素的形成。在叶片置于暗中以后，高能态猝灭在几分钟内完成。置于暗中以后，高能态猝灭在几分钟内完成。第二个过程，叫状态转换（第二个过程，叫状态转换（qT），它也需要几分钟，包），它也需要几分钟，包括了集光色素蛋白的可逆磷酸化，它在低光下，对于平衡能量括了集光色素蛋白的可逆磷酸化，它在低光下，对于平衡能量在在PSII和和PSI之间的分配是很重要的。之间的分配是很重要的。这两个猝灭过程较难区分，不过，这两个猝灭过程较难区分，不过，qT一般对总猝灭的贡一般对总猝灭的贡献很小，并且只在低光下存在。大多说情况下，照光后需要几献很小，并且只在低光下存在。大多说情况
105、下，照光后需要几分钟的驰豫过程，被认为是光保护过程。分钟的驰豫过程，被认为是光保护过程。四、叶绿素荧光分析在生理生态研究中的应用：四、叶绿素荧光分析在生理生态研究中的应用：叶绿素荧光能够为你做些什么？叶绿素荧光能够为你做些什么？上述讨论概括了荧光分析的理论与技术问题，下面主要探上述讨论概括了荧光分析的理论与技术问题，下面主要探讨如何将这些理论用于田间和实验室的生态生理研究。如上所讨如何将这些理论用于田间和实验室的生态生理研究。如上所述，叶绿素荧光可以给我们提供关于述，叶绿素荧光可以给我们提供关于PSII的信息，告诉我们的信息，告诉我们PSII利用光能的程度以及过剩光能破坏的程度。这些听起来好利
106、用光能的程度以及过剩光能破坏的程度。这些听起来好像很模糊的信息，然而，对于研究像很模糊的信息，然而，对于研究PSII的专家来说，它是非常的专家来说，它是非常重要的。在许多情况下，通过重要的。在许多情况下，通过PSII的电子传递速率是总体光合的电子传递速率是总体光合速率的指标，在其它方法无法测定的情况下，它给我们提供了速率的指标，在其它方法无法测定的情况下，它给我们提供了一种光合能力的估计值。目前认为，一种光合能力的估计值。目前认为，PSII最易受强光导致的损最易受强光导致的损伤，是光合器官中最为脆弱的部位。在逆境下，伤，是光合器官中最为脆弱的部位。在逆境下，PSII的损伤首的损伤首先表现出来。
107、荧光分析虽然是个有用的技术，容易测定，但是，先表现出来。荧光分析虽然是个有用的技术，容易测定，但是，如果试验设计不正确，则会出现参数无法解释的现象。最好的如果试验设计不正确，则会出现参数无法解释的现象。最好的办法是与其它技术结合使用，特别是与气体分析技术结合使用，办法是与其它技术结合使用，特别是与气体分析技术结合使用，这样才能得到植物对环境响应的完整信息。这样才能得到植物对环境响应的完整信息。（一）（一）PSII量子效率作为光合作用的度量量子效率作为光合作用的度量荧光分析的主要诱人之处，是它可以给出光合作用的荧光分析的主要诱人之处，是它可以给出光合作用的度量，不过，过于简化和不适当的使用，也会
108、造成许多困度量，不过，过于简化和不适当的使用，也会造成许多困惑。如前所述，利用荧光分析可以测定惑。如前所述，利用荧光分析可以测定PSII的光化学效率，的光化学效率，并通过乘以光强，转化成线性电子传递速率。在实验室条并通过乘以光强，转化成线性电子传递速率。在实验室条件下，件下，PSII电子传递与电子传递与CO2固定之间有很好相关，但这种固定之间有很好相关，但这种相关在田间条件下被打破。造成这种现象的原因，主要是相关在田间条件下被打破。造成这种现象的原因，主要是由于由于CO2固定的相对速率变化以及光呼吸、氮代谢、固定的相对速率变化以及光呼吸、氮代谢、Mehler反应（电子交给氧）等几个过程的的竞争
109、。这就意反应（电子交给氧）等几个过程的的竞争。这就意味着仅仅用叶绿素荧光难以准确测定味着仅仅用叶绿素荧光难以准确测定CO2固定。此外，还固定。此外，还存在这样品间的差异。存在这样品间的差异。利用利用PSII光强来计算电子传递速率，是假定光强来计算电子传递速率，是假定PSII吸收的吸收的光能恒定，而对于生长在不同小气候下的叶片，这是不可能的。光能恒定，而对于生长在不同小气候下的叶片，这是不可能的。如果同时直接测定光吸收，这个问题可以被部分解决，但又存如果同时直接测定光吸收，这个问题可以被部分解决，但又存在着光系统化学计量方面的差异。所以，不能直接利用荧光来在着光系统化学计量方面的差异。所以，不能
110、直接利用荧光来进行不同叶片或不同植物之间的光合作用的比较。由于上述原进行不同叶片或不同植物之间的光合作用的比较。由于上述原因，因，IRGA法在植物生态生理研究中仍很重要。法在植物生态生理研究中仍很重要。如果把上面所讲的问题避开，如果把上面所讲的问题避开，PSII可以提供田间植物光合可以提供田间植物光合表现的有用信息，特别是，荧光分析测定既快速，又不破坏叶表现的有用信息，特别是，荧光分析测定既快速，又不破坏叶片，可以进行连续测定。例如，片，可以进行连续测定。例如，Murchie等等(1999)测定了两个水测定了两个水稻品种相同部位叶片在不同发育时期电子传递速率，由于是先稻品种相同部位叶片在不同发
111、育时期电子传递速率，由于是先把叶片标记起来，在同一叶片上进行测定，使结果就有了可比把叶片标记起来，在同一叶片上进行测定，使结果就有了可比性。性。荧光分析的另一个用途，是测定植物对不同微环境的适应。荧光分析的另一个用途，是测定植物对不同微环境的适应。通过测定通过测定PSII对光照的依赖性，可以对不同田间植物的光饱对光照的依赖性，可以对不同田间植物的光饱和特性进行快速测定。这对于研究地衣、苔藓类植物的光合特和特性进行快速测定。这对于研究地衣、苔藓类植物的光合特别有用，因为这些植物难以利用常规的气体分析方法来测定其别有用，因为这些植物难以利用常规的气体分析方法来测定其光合。光合。（二）把电子传递与碳
112、素固定联系在一起（二）把电子传递与碳素固定联系在一起尽管荧光是由表面几层叶肉细胞释放的，而气体交换则涉及叶片的所尽管荧光是由表面几层叶肉细胞释放的，而气体交换则涉及叶片的所有细胞，但是，可采用同时测定二者的方法，来研究光能利用效率、有细胞，但是，可采用同时测定二者的方法，来研究光能利用效率、CO2固定和光抑制的关系，一个简单而广泛使用的方法是找出电子传递与固定和光抑制的关系，一个简单而广泛使用的方法是找出电子传递与CO2固定的经验关系。在没有光呼吸的条件下，同时测定不同光强时的固定的经验关系。在没有光呼吸的条件下，同时测定不同光强时的CO2同同化和化和PSII，绘出，绘出CO2固定的量子效率（
113、固定的量子效率（CO2）和）和PSII线性关系图，可以线性关系图，可以算出固定算出固定1分子分子CO2的电子需要量。如果在有光呼吸条件下，这种关系也的电子需要量。如果在有光呼吸条件下，这种关系也存在，光呼吸强度即可被测定出来。这种方法常被用来测定干旱逆境下，存在，光呼吸强度即可被测定出来。这种方法常被用来测定干旱逆境下，光呼吸对光合机构的保护作用。光呼吸对光合机构的保护作用。荧光分析还可用来于了解低温和高温的效应。例如，荧光分析还可用来于了解低温和高温的效应。例如，Fryeret al.（1998)通过比较通过比较CO2固定的量子产量固定的量子产量(CO2)和和PSII，证明当把玉米置，证明当
114、把玉米置于低温下，增加假环式电子传递，产生活性氧。在生长前期，于低温下，增加假环式电子传递，产生活性氧。在生长前期，CO2/PSII比值高于完全发育的、不受胁迫的叶片，表明电子在被用于比值高于完全发育的、不受胁迫的叶片，表明电子在被用于CO2固固定以外的其它途径。这种增加伴随着抗氧化能力的增加，暗示着这时叶片定以外的其它途径。这种增加伴随着抗氧化能力的增加，暗示着这时叶片正在经受着氧化胁迫。正在经受着氧化胁迫。（三）阐明影响光合作用物质的作用方式（三）阐明影响光合作用物质的作用方式1、DCMUDCMU（diuron,敌草隆）是一种除草剂，它可以阻断敌草隆）是一种除草剂，它可以阻断PSII受体侧
115、的电子传递。在图受体侧的电子传递。在图3所举例子中，将玉米叶片浸所举例子中，将玉米叶片浸泡在含有泡在含有DCMU的溶液中，暗中保温的溶液中，暗中保温30分钟，然后每间隔分钟，然后每间隔20s照射中等强度作用光照射中等强度作用光(100mmolm-2s-1)和饱和脉冲光。和饱和脉冲光。从图中可见，用从图中可见，用DCMU处理的叶片，以处理的叶片，以FPSII测定的电子传测定的电子传递明显下降，其原因是递明显下降，其原因是qP的减少。据此，可以推论的减少。据此，可以推论DCMU强烈抑制紧接在强烈抑制紧接在PSII之后的电子传递。之后的电子传递。Figure3:TheeffectofDCMUonel
116、ectrontransportinamaizeleaf.2、甲基紫精（百草枯）、甲基紫精（百草枯） 甲基紫精（百草枯，甲基紫精（百草枯，paraquatparaquat，Methyl viologenMethyl viologen，MVMV）也是一种除草剂，它可以从也是一种除草剂，它可以从PSIPSI接受电子，产生超氧化物。图接受电子，产生超氧化物。图4 4所示为玉米叶片浸泡在含有所示为玉米叶片浸泡在含有MVMV溶液中，暗中保温溶液中，暗中保温30min30min，然后，然后测定其发射荧光。为了测定测定其发射荧光。为了测定PSIIPSII最大量子效率，暗中使用一个最大量子效率，暗中使用一个饱和
117、脉冲光，然后交替使用中强度作用光饱和脉冲光，然后交替使用中强度作用光(200 mmol m(200 mmol m-2-2 s s-1-1) )和饱和脉冲光，时间间隔为和饱和脉冲光，时间间隔为20s20s。照光后，对照叶片（以水处。照光后，对照叶片（以水处理）表现出典型的荧光瞬时变化（理）表现出典型的荧光瞬时变化（KautskyKautsky效应），效应），12121515分分钟内达到其稳态钟内达到其稳态(Ft)(Ft)。相反，。相反，MVMV处理叶片在照光后立即达到稳处理叶片在照光后立即达到稳态荧光（态荧光（FtFt）。已知）。已知KautskyKautsky效应是由于效应是由于COCO2 2
118、固定比光反应滞后固定比光反应滞后所致，所以，所致，所以，MVMV是一个良好的电子受体。是一个良好的电子受体。MVMV处理叶片在照射饱处理叶片在照射饱和脉冲光时荧光产量很高，表明其电子传递速率高，热耗散少。和脉冲光时荧光产量很高，表明其电子传递速率高，热耗散少。而对照叶片的非光化学猝灭则很明显，这可以从而对照叶片的非光化学猝灭则很明显，这可以从FmFm与与FmFm之间之间的差异看出来。因此，可以推断，在对照叶片中，碳循环对电的差异看出来。因此，可以推断，在对照叶片中，碳循环对电子传递存在限制作用，甚至在较低的光强下也是这样。表明碳子传递存在限制作用，甚至在较低的光强下也是这样。表明碳素固定对电子
119、传递具有反馈控制作用。素固定对电子传递具有反馈控制作用。Figure4:Theeffectofmethylviologenontheinductionofchlorophyllfluorescencequenchinginamaizeleaf.3、尼日利亚菌素、尼日利亚菌素尼日利亚菌素（尼日利亚菌素（Nigericin）是质子载体）是质子载体（protonophore），），可以消除跨类囊体膜的质子梯可以消除跨类囊体膜的质子梯度。度。图图5所示为使用所示为使用Nigericin对玉米叶片荧光猝灭诱对玉米叶片荧光猝灭诱导的效应。叶片预先在含有导的效应。叶片预先在含有Nigericin的溶液中保温
120、的溶液中保温30min，然后利用饱和脉冲光法进行分析。测定，然后利用饱和脉冲光法进行分析。测定Fv/Fm以后，照射较强的作用光以后，照射较强的作用光(700mmolm-2s-1)和饱和脉冲光，时间间隔和饱和脉冲光，时间间隔60s。在如此强的光照下，。在如此强的光照下，对照叶片大部分荧光猝灭是由于热耗散（对照叶片大部分荧光猝灭是由于热耗散（Fm与与Fm差异较大），而差异较大），而Nigericin处理叶片的非光化学猝灭处理叶片的非光化学猝灭被强烈抑制，导致稳态荧光（被强烈抑制，导致稳态荧光（Ft）明显增加。表明）明显增加。表明跨膜质子梯度对于非光化学猝灭是必需的。跨膜质子梯度对于非光化学猝灭是必
121、需的。Figure5:Theeffectsofnigericinontheinductionofchlorophyllfluorescencequenchinginamaizeleaf.（四）测定逆境伤害和抗逆性（四）测定逆境伤害和抗逆性尽管荧光分析可以提供植物光合表现的有用参数，尽管荧光分析可以提供植物光合表现的有用参数，但它主要好处是提供了用其它方法不能得到的信息。但它主要好处是提供了用其它方法不能得到的信息。尤其是荧光分析可以测定逆境对光合器官的伤害和植尤其是荧光分析可以测定逆境对光合器官的伤害和植物的抗逆能力。便携式荧光分析仪的出现和不断完善，物的抗逆能力。便携式荧光分析仪的出现和不断
122、完善，使利用该技术进行田间研究达到高潮。测定荧光参数使利用该技术进行田间研究达到高潮。测定荧光参数日变化可以给出日变化可以给出NPQ、电子传递速率、量子效率、以、电子传递速率、量子效率、以及光抑制程度等有关信息及其对光照、温度和其它逆及光抑制程度等有关信息及其对光照、温度和其它逆境的响应。早期的研究中，常用暗适应叶片境的响应。早期的研究中，常用暗适应叶片Fv/Fm的降的降低和低和Fo的增加，来表示在高温、低温、强光、干旱等的增加，来表示在高温、低温、强光、干旱等胁迫下发生了光抑制。虽然测定技术在改进，但目前胁迫下发生了光抑制。虽然测定技术在改进，但目前仍在利用仍在利用Fv/Fm和和Fo的变化作
123、为光抑制现象的指标。的变化作为光抑制现象的指标。1、估测光化学反应产生电子的分配、估测光化学反应产生电子的分配光化学反应产生的电子未必都用于碳素固定。在光化学反应产生的电子未必都用于碳素固定。在CO2固固定受限制的条件下，如低温、由于气孔关闭而缺乏定受限制的条件下，如低温、由于气孔关闭而缺乏CO2等，等，其它的电子途径将加强，这包括光呼吸和分子氧还原其它的电子途径将加强，这包括光呼吸和分子氧还原（Mehler反应）。反应）。前者导致能量浪费，后者则导致氧化损伤。前者导致能量浪费，后者则导致氧化损伤。放氧复合体产生电子的分配可以通过同时测定放氧复合体产生电子的分配可以通过同时测定FPSII和和F
124、CO2来进行研究，前者用荧光法测定，后者用气体分析法测定。来进行研究，前者用荧光法测定，后者用气体分析法测定。如果电子较多地用于光呼吸和如果电子较多地用于光呼吸和Mehler反应，则反应，则FPSII/FCO2比比值将会增加。值将会增加。图图6所示的例子中，不同日期生长的玉米叶片密封在叶室所示的例子中，不同日期生长的玉米叶片密封在叶室中，同时测定中，同时测定FPSII和和FCO2，结果表明，不同叶片的，结果表明，不同叶片的PSII和和CO2关系非常相似，意味着可以用关系非常相似，意味着可以用PSII来准确估测在来准确估测在不同环境条件下光合作用。不同环境条件下光合作用。Figure6:Rela
125、tionshipbetweenPSIIandCO2inmaizeleavesgrowninthefieldatdifferentdates.MeasurementsweremadebetweenMay28and31(whitesymbols),June4and6(greysymbols)andJune11and13(blacksymbols),1996.Allmeasurementswereperformeda25C.2、将暗反应与光反应分开、将暗反应与光反应分开低温下，玉米叶片的光合作用被强烈限制。除了碳循环低温下，玉米叶片的光合作用被强烈限制。除了碳循环中酶活性的抑制外，还存在着低温下由于
126、类囊体膜流动性降中酶活性的抑制外，还存在着低温下由于类囊体膜流动性降低，对水裂解复合体活性或电子传递的抑制。这两种现象可低，对水裂解复合体活性或电子传递的抑制。这两种现象可以利用以利用MV作为电子受体，代替碳循环，把他们区分开来。作为电子受体，代替碳循环，把他们区分开来。图图7所示的例子中，在黑暗条件下，把玉米叶片用含有所示的例子中，在黑暗条件下，把玉米叶片用含有MV的溶液浸泡的溶液浸泡30min，然后在不同的温度下进行低光处理，然后在不同的温度下进行低光处理(100mmolm-2s-1)，照光，照光20min后，利用一个饱和闪光测定后，利用一个饱和闪光测定PSII。结果表明，用。结果表明，用
127、MV处理的叶片在低温下可以进行水处理的叶片在低温下可以进行水的裂解和电子传递。在的裂解和电子传递。在1.5C条件下，条件下，MV处理叶片的处理叶片的PSII比在比在25C下只降低了下只降低了24，而对照叶片的电子传递在，而对照叶片的电子传递在10C以下已被强烈抑制。以下已被强烈抑制。Figure7:ResponseofPSIItotemperatureinmaizeleavesinfiltratedwithmethylviologen.4、研究光合机构特定部位功能的变化、研究光合机构特定部位功能的变化 在有些情况下，叶绿素荧光可在有些情况下，叶绿素荧光可用来进行光合机构特定部位研究。用来进行光
128、合机构特定部位研究。这里给出一些例子，说明用叶绿素这里给出一些例子，说明用叶绿素荧光研究温度逆境对玉米光合机构荧光研究温度逆境对玉米光合机构的水裂解、的水裂解、PSIIPSII反应中心效率和捕反应中心效率和捕光色素复合体的影响。光色素复合体的影响。 （1）高温对水裂解的抑制）高温对水裂解的抑制暗适应叶片突然照光，PSII荧光产量增加，呈3个阶段的动力学曲线（O-J,J-I,I-P）。见图8。O-J：对应原初电子受体QA全部还原；J-I：由PSII受体侧控制（水裂解活性控制）I-P：对应的是氧化态质体醌库对荧光的猝灭。所以说，J-I阶段的荧光是表示水裂解活性的有用指标。Figure8:Induc
129、tionofchlorophyllfluorescenceinadark-adaptedmaizeleafrecordedwithaPEAinstrument(Hansatech).Figure9:TheeffectofshortheatstressinthedarkontheOJIPtranscientincreaseofchlorophyllfluorescenceofmaizeleaves.图图9所示是玉米叶片在暗中进行所示是玉米叶片在暗中进行20分钟的高温处理对分钟的高温处理对叶绿素荧光的影响。结果表明，在叶绿素荧光的影响。结果表明，在3545C左右，水裂左右，水裂解活性对高温变得非常
130、敏感。解活性对高温变得非常敏感。（2）强光和低温对）强光和低温对PSII反应中心的损伤反应中心的损伤光能过剩时，光能过剩时，PSII反应中心的反应中心的D1蛋白因磷酸化而失活，蛋白因磷酸化而失活，然后降解，导致然后降解，导致PSII中心的失活。中心的失活。PSII最大量子效率最大量子效率Fv/Fm可以作为这个过程的指标，因为可以作为这个过程的指标，因为D1蛋白的降解与蛋白的降解与Fv/Fm有良有良好的相关关系。好的相关关系。在图在图10所示的例子中，玉米叶片分别在所示的例子中，玉米叶片分别在6C和和25C条件条件下，经受下，经受8小时的强光照射，来研究低温和强光结合起来对小时的强光照射，来研究
131、低温和强光结合起来对光抑制的影响。然后，把叶片放回光抑制的影响。然后，把叶片放回25C、低光强下，研究、低光强下，研究它从光抑制处理的恢复情况。叶片暗适应它从光抑制处理的恢复情况。叶片暗适应15分钟后，用使用分钟后，用使用一个饱和脉冲光，测定一个饱和脉冲光，测定Fv/Fm。结果表明，低温下，光抑制。结果表明，低温下，光抑制更为明显。光抑制处理更为明显。光抑制处理20小时后，叶片在很大程度上得到恢小时后，叶片在很大程度上得到恢复，表明，这种损伤大部分是可逆的。复，表明，这种损伤大部分是可逆的。Figure10:Theeffectoftemperatureonhighlight-inducedph
132、otoinhibitioninmaizeleaves.（3）利用）利用Fo变化研究变化研究PSII捕光色素系统与捕光色素系统与PSII中心中心的分离的分离 随着温度升高，随着温度升高，FoFo增加，这可以解释增加，这可以解释为为PSIIPSII中心捕获光能的速率常数降低，其中心捕获光能的速率常数降低，其原因是捕光复合体与从原因是捕光复合体与从PSIIPSII中心脱离。图中心脱离。图11 11 所示是玉米叶片以每分钟所示是玉米叶片以每分钟1 C1 C速度增速度增温时温时FoFo的变化。很显然，只有在较高的温的变化。很显然，只有在较高的温度下，才发生捕光复合体与度下，才发生捕光复合体与PSIIPS
133、II中心的分中心的分离。有趣的是，在离。有趣的是，在41 C41 C下生长的叶片，下生长的叶片，FoFo增加一半对应的温度，比在增加一半对应的温度，比在2 5C2 5C下生下生长的叶片要高长的叶片要高2 23 C3 C，表明超过适温的表明超过适温的较高温度可以诱导植物对高温逆境的适应较高温度可以诱导植物对高温逆境的适应性。性。Figure11:ChangeofFoinmaizeleavessubjectedtoslowheatinginthedark.TheverticallinesindicatethetemperaturescorespondingtohalfincreaseofFo.（五
134、）叶绿素荧光作为育种的工具（五）叶绿素荧光作为育种的工具 在玉米上观察到在玉米上观察到FPSII FPSII 和和 FCO2 FCO2具有线性相具有线性相关关系，表明关关系，表明FPSII FPSII 可以用作选择高光合作物可以用作选择高光合作物的工具。利用在低温下生长的玉米育种群体的工具。利用在低温下生长的玉米育种群体（具有广泛的变异）对这种假说进行了检验。（具有广泛的变异）对这种假说进行了检验。把把600600株玉米苗种植在株玉米苗种植在141415C15C条件下，以条件下，以FPSII FPSII 为指标进行选择。把为指标进行选择。把8 8个个FPSII FPSII 最高个体最高个体和和
135、8 8个个FPSII FPSII 最低的个体移栽到大田，让其自交最低的个体移栽到大田，让其自交结实。低温下测定结实。低温下测定S1S1和原始群体的和原始群体的FPSII FPSII 。Figure12:DistributionofFPSIIinpooledS1progeniesofmaizeplantsselectedforhighorlowFPSIIatlowgrowthtemperature图图12的结果表明，的结果表明，FPSII可以用于光合作用抗冷和冷敏可以用于光合作用抗冷和冷敏感品系的选育，后代的分布明显向原始群体漂移。感品系的选育，后代的分布明显向原始群体漂移。此外，利用这种选择，
136、产生了在低温生长条件下具有不同此外，利用这种选择，产生了在低温生长条件下具有不同碳固定能力的品系（图碳固定能力的品系（图13）。这些结果说明）。这些结果说明FPSII可以在育种可以在育种中得到应用。中得到应用。Figure13:CarbonfixationinS2maizelinesselectedforhighFPSII(H2-3,H3-6andH5-4),lowFPSII(L1-1,L2-2,L5-3)andinthebreedingpopulationtheyarederivedfrom(O)grownat25C(whitebars)or14C(blackbars). 光合作用是植物适应环境的良好指标，叶绿素荧光分析可以快速、简便、无损伤地进行光合作用测定，因此，它在植物生理生态及植物育种领域已经成为一种非常有吸引力的研究工具，被成为光合作用的探针。不过，由于利用荧光分析容易获得大量资料，因此，也容易得到一些无意义的信息，因此，要特别注意进行试验设计和试验操作，以保证获得的资料的可用性。总之，荧光分析是一个强有力的测定技术，在未来相当长时间内，仍会得到广泛应用。ConclusionThe end.
