【正文】 PC O2 環(huán)式 PSI電子傳遞體及其動力學(xué) （七）光合磷酸化 概念：在照光條件下，葉綠體把 ADP與 Pi形成 ATP的過程。 機理： —— ATP酶 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(carbonyl cyanide3chlorophenyl hydrazone,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，而電子傳遞仍可進行，甚至速度更快 (因為消除了內(nèi)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(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 ： 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 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 C4途徑 CAM途徑 劍麻 龍舌蘭 落地生根 第二章 光合機構(gòu)對環(huán)境的響應(yīng)和適應(yīng) 光合機構(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，它不僅涉及光合機構(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。 在植物的進化過程中，光合作用機構(gòu)也在不斷進化。從細(xì)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(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)境的變化啊！ 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）植物光合機構(gòu)對光照條件的適應(yīng) 陰生植物與陽生植物光合機構(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、光補償點、光飽和點 高 低 整體 R/T 大 小 （二）植物光合機構(gòu)對光照條件的響應(yīng) 短時間內(nèi)光強的改變，光合機構(gòu)具有一定的調(diào)節(jié)功能： 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。） 類囊體垛疊程度改變 葉綠體運動 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）強光對植物光合作用的影響 —— 光抑制 光抑制現(xiàn)象 photoinhibition: 植物的光合機構(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行，光能過剩程度加大； ②不利于光脅迫破壞的修復(fù)。 光抑制的機理 （ 1）光合機構(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。 Ｐ 680+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。 （ 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(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。 這實際上也是一種對光合機構(gòu)的保護機理。 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。 實驗證據(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，還有實驗證明， 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。其實驗證據(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 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?nèi)肷涔獾慕嵌? ④葉綠體運動：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(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 λ700nm，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(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(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 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 也有實驗指出 PSⅡ 中環(huán)式電子傳遞為： P680→ Cytb559→ Pheo →P680 Falkowski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(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 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：這是保護光合機構(gòu)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(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(nèi)存在著葉黃素循環(huán)，但其功能一直不清楚。直到 1990年， DemmmigAdams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 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