第三章 植物的光合作用(12 学时) 自养生物吸收 CO2 转变成有机物的过程叫 碳素 同化作用 。 碳素同化作用包括细菌光合作用、 绿色植物光合作用和化能合成作用三种类型， 其中以绿色植物光合作用最为广泛， 合成有机 物最多，与人类关系也最密切，因此，本章重点介绍绿色植物光合作用。 光合作用 （photosynthesis） 是指绿色植物吸收光能， 把 CO2 和 H2O 同化成有机物， 并放出 氧气的过程。 光合作用对整个生物界产生巨大作用， 具有多方面的意义 。 一是把无机物转变成有机物 。据估计 地球 上的自 养植 物每年 通过 光合作 用约 同化 2× 1011 吨碳素，其中 40％是由浮游植物同化的，余下的 60％是由陆生植物同化的； 二是将光 能 转变成化 学 能 ，绿色植物在同化二氧化碳的过程中，把太阳光能转变为化学能， 并蓄积在形成的有机化合物中。 人类所利用的能源， 如煤炭、 天然气 、 木材等都是现在或过 去的植物通过光合作用形成的； 三是维持大气 O2 和 CO2 的相对平衡 。 由此可见， 光合作用是地球上规模最大的把太阳能转变为可贮存的化学能的过程， 也是规模 最大的将无机物合成有机物和释放氧气的过程。 目前人类面临着食物、 能源 、 资源、 环境和 人口五大问题， 这些问题的解决都和光合作用有着密切的关系， 因此， 深入探讨光合作用的 规律， 弄清光合作用的机理， 研究同化物的运输和分配规律， 对于有效利用太阳能、 使之 更 好地服务于人类，具有重大的理论和实际意义。 第一节 叶绿体和叶绿体色素 一、叶绿体 （一）叶绿体的发育、形态及分布 叶绿体是光合作用的场所，叶绿体色素在光能的吸收、传递和转换中起着重要作用。 高等植物的叶绿体是由前质体发育而来的。 叶绿体大多呈扁平椭圆形其长 3～ 7μ m，厚 2～ 3μ m。叶肉 细胞中叶绿 体一般沿细 胞壁排列， 较多分布在 与空气接触 的细胞壁一 边。这样 的分布有利于叶绿体与外界进行气体交换， 也有利于细胞间的物质运输和光合产物向维管束 的输送。 叶绿体在细胞中可随光照的方向和强度而运动。 在弱光下， 叶绿体的扁平面向光， 以接受较 多的光能； 而在强光下， 叶绿体的扁平面与光照方向平行， 减少对强光的吸收， 以免引起 结 构和功能的破坏。 （二） 叶绿体的结构 在电子 显微镜下， 可观察到叶绿体是由叶绿体被膜、 基质和类囊体三部分组成 （图 3-1） 。 1．叶绿体被膜 叶绿体被膜由两层单位膜组成。 被膜上无叶绿素， 其主要功能是控制物质进出叶绿体， 维持 光合作用的微环境。 外膜为非选择透性膜， 内膜为选择透性膜， CO2、 O2、 H2O、 Pi、磷 酸 丙糖、 双羧酸、 甘氨酸和丝氨酸等较易透过； ATP、 ADP、 己糖和磷酸己糖等透过速度较慢； 蔗糖、 C5～ C7 糖的二磷酸酯、 NADP+、 PPi 等则不 能透过。蔗糖不能透过叶绿体被膜，可 断定细胞质中的蔗糖是在细胞质中合成的，而不是在叶绿体中合成后运至细胞质的。 2．基质及内含物 叶绿体被膜以内的基础物质称为 基质 ， 基质以水为主体， 内含多种离子、 低分子的有机物以 及可溶性蛋白质等。基质是碳同化的场所，它含有还原 CO2 与合成淀粉 的全部酶系，其中 1，5- 二磷酸核酮糖羧化酶/ 加氧酶（Rubisco ）占基质总蛋白的一半以上。 高等植物的 Rubisco 由 8 个大亚基和 8 个小亚基组成。此外，基质含有氨基酸、蛋白质、 DNA、 RNA、脂类（糖脂、磷脂、硫脂）、四吡咯（叶绿素、细胞色素类）代谢的酶类，还含有亚 硝酸和硫酸还原的酶类，以及参与这些反应的底物与产物。因而，在基质中可进行有关 C、 N、P 、S 的多种代谢反应。 基质中有淀粉粒和质体颗粒两种颗粒。 叶绿体基质中含有 DNA，其含量约占叶肉细胞中全部 DNA 的 10％～ 20%。叶绿体 DNA 能 编码 Rubisco 的大亚基，编码光合膜上的光系统Ⅰ、光系统Ⅱ、 ATP 酶、细胞色素 b6/f（ Cytb6/f） 等复合体的部分亚基以及 rRNA、tRNA、核糖体大、小亚基、RNA 聚合酶等。 然而，叶绿体只有半自主性，它不能独立地合成叶绿体中的全部蛋白质，只能协同核基因工 作。因为叶绿体中的大部分蛋白质受核基因控制，需要在细胞质中合成。如 Rubisco 的小亚 基由核基因编码，它的前体在细胞质中合成后运进叶绿体，经修饰后在分子伴侣的媒介下， 与叶绿体 DNA 编码的大亚基结合，组装成为 Rubisco 全酶。 3．类囊体 是由单层膜围起的扁平小囊。主要成分为蛋白质和由色素、醌类、磷脂、糖脂组成的脂类， 蛋白质与脂类的比例为 1：1 。 根据类囊体堆叠的情况，将类囊体分为二类： 一类是基质类囊体，又称为基质片层，伸展在基质中彼此不重叠； 一类是基粒类囊体，或称基粒片层，可自身或与基质类囊体重叠，组成基粒。 类囊体是光能吸收、传递与转换的场所，所以类囊体膜也称光合膜。 二、叶绿体色素 植物叶绿体色素主要有三类：叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素。高等植物叶绿体中含有前两类， 藻胆素仅存在于藻类。 （一） 叶绿体色素的结构与性质 1．叶绿素 高等植物叶绿素（chlorophyll ）包括叶绿素 a、b 两种。它们不溶于水，而溶于有机溶剂， 如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。通常用 80%的丙酮或丙酮：乙醇：水（4.5 ：4.5 ：1 ）的混 合液来提取叶绿素。 叶绿素 a 呈蓝绿色，而叶绿素 b 呈黄绿色。按化学性质，叶绿素是叶绿酸的酯，能发生皂化 反应。叶绿酸是双羧酸，其中一个羧基被甲醇所酯化，另一个被叶醇所酯化。 叶绿素 a 与 b 很相似，不同之处仅在于叶绿素 a 第二个吡咯环上的一个甲基（-CH3 ）被醛 基（-CHO）所取代，即为叶绿素 b（图 3-2a）。 叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇（植醇， phytol）的“尾巴” 。卟啉环 具有极性，是亲水的，可以与蛋白质结合。叶醇是由四个异戊二烯单位组成的双萜，是一个 亲脂的脂肪链，它决定了叶绿素的脂溶性。卟啉环上的共轭双键和中央镁原子易被光激发而 引起电子得失，从而使叶绿素具有特殊的光化学性质。 卟啉环中的镁原子可被 H ＋ 、Cu 2＋ 、Zn 2＋ 所置换。用酸处理叶片，H ＋ 易进入叶绿体，置换镁 原子形成去镁叶绿素，叶片呈褐色。去镁叶绿素易再与铜离子结合，形成铜代叶绿素，颜色 比原来更稳定。人们常根据这一原理用醋酸铜处理来保存绿色植物标本。 2．类胡萝卜素 类胡萝卜素（carotenoid ）是一类由八个异戊二烯单位组成的，含有 40 个碳原子的化合物（图 3-2b），不溶于水而溶于有机溶剂。 叶绿体中的类胡萝卜素包括胡萝卜素（carotene ）和叶黄素（lutein）两种，前者呈橙黄色， 后者呈黄色。胡萝卜素是不饱和的碳氢化合物，有α、β、γ三种同分异构体，其中以β－ 胡萝卜素在植物体内含量最多。叶黄素是由胡萝卜素衍生的醇类。 一般情况下，叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为 3：1 ，所以正常的叶子呈现绿色。秋 天，叶片中的叶绿素较易降解，数量减少，而类胡萝卜素比较稳定，所以叶片呈现黄色。 全部的叶绿素和类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，并以非共价键与蛋白质结合在一起，组成 色素蛋白复合体（pigment protein complex ），各色素分子在蛋白质中按一定的规律排列和取 向，以便于吸收和传递光能。 3．藻胆素 藻胆素（phycobillin ）是藻类主要的光合色素，仅存在于红藻和蓝藻中，常与蛋白质结合为 藻胆蛋白，主要有藻红蛋白、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白三类。它们的生色团与蛋白质以共价键 牢固地结合，只有用强酸煮沸时，才能把它们分开。它们不溶于有机溶剂。藻胆素的四个吡 咯环形成直链共轭体系，不含镁和叶醇链，具有收集光能的作用。 （二）叶绿体色素的光学特性 1．辐射能量 太阳辐射到地面的光，波长大约为 300～ 2600nm，对光合作用有效的可见光的波长在 400～ 700nm 之间。光子携带的能量与光的波长成反比。 E=N hυ=Nhc/λ 当日光束通过三棱镜后被分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 7 色连续光谱。如果把叶绿体色 素溶液放在光源和分光镜之间，就可以看到光谱中有些波长的光线被吸收了，光谱上出现了 暗带，这就是叶绿体色素的吸收光谱。用分光光度计可精确测定叶绿体色素的吸收光谱。 叶绿素对光波最强的吸收区有两个：一个在波长为 640～660nm 的红光部分，另一个在波长 为 430～450nm 的蓝紫光部分。叶绿素对橙光、黄光吸收较少，其中尤以对绿光的吸收最少， 所以叶绿素的溶液呈绿色。 叶绿素 a 和叶绿素 b 的吸收光谱很相似，也略有不同：叶绿素 a 在红光区的吸收带偏向长波 方面，吸收带较宽，吸收峰较高；而在蓝紫光区的吸收带偏向短光波方面，吸收带较窄，吸 收峰较低。叶绿素 a 对蓝紫光的吸收为对红光吸收的 1.3 倍，而叶绿素 b 则为 3 倍，说明叶 绿素 b 吸收短波蓝紫光的能力比叶绿素 a 强。绝大多数的叶绿素 a 分子和全部的叶绿素 b 分 子具有吸收光能的功能，并把光能传递给极少数特殊状态的叶绿素 a 分子， 发生光化学反应。 胡萝卜素和叶黄素的吸收光谱与叶绿素不同，它们的最大吸收带在 400～ 500nm 的蓝紫光区 （图 3-3） ，不吸收红光等长波光。藻蓝蛋白的吸收光谱最大值在橙红光部分，藻红蛋白在 绿光部分。类胡萝卜素和藻胆素均具有吸收和传递光能的作用。 （三）荧光现象和磷光现象 叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色，这种现象称为叶绿素荧光现象。 叶绿素为什么会发荧光呢？当叶绿素分子吸收光量子后，就由最稳定的、能量最低状态－基 态（ground state ）上升到不稳定的高能状态－激发态（excited state ）（图 3-4）。叶绿素分子 有红光和蓝光两个最强吸收区。如果叶绿素分子被蓝光激发，电子跃迁到能量较高的第二单 线态；如果被红光激发，电子跃迁到能量较低的第一单线态。处于单线态的电子，其自旋方 向保持原来状态，如果电子在激发或退激过程中自旋方向发生变化，该电子就进入能级较单 线态低的三线态。由于激发态不稳定，迅速向较低能级状态转变，能量有的以热的形式释放， 有的以光的形式消耗。从第一单线态回到基态所发射的光就称为荧光。处在第一三线态的叶 绿素分子回到基态时所发出的光为磷光。 荧光的寿命很短，只有 10-8～10-10s 。由于叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗于分子内部 的振动上，发射出的荧光的波长总是比被吸收的波长要长一些。所以叶绿素溶液在入射光下 呈绿色，而在反射光下呈红色。在叶片或叶绿体中发射荧光很弱，肉眼难以观测出来，耗能 很少，一般不超过吸收能量的 5％，因为大部分能量用于光合作用。色素溶液则不同，由于 溶液中缺少能量受体或电子受体，在照光时色素会发射很强的荧光。 另外，吸收蓝光后处于第二单线态的叶绿素分子，其贮存的能量虽远大于吸收红光处于第一 单线态的状态，但超过的部分对光合作用是无用的，在极短的时间内叶绿素分子要从第二单 线态返回第一单线态，多余的能量也是以热的形式耗散。因此，蓝光对光合作用而言，在能 量利用率上不如红光高。 叶绿素的荧光和磷光现象都说明叶绿素能被光所激发，而叶绿素分子的激发是将光能转变为 化学能的第一步。现在，人们用叶绿素荧光仪能精确测量叶片发出的荧光，而荧光的变化可 以反映光合机构的状况，因此，叶绿素荧光被称为光合作用的探针。 （四） 叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系 1．叶绿素的生物合成 叶绿素是在一系列酶的作用下形成的（图 3-5）。高等植物叶绿素的生物合成以谷氨酸与α- 酮戊二酸作为原料，然后合成δ－氨基酮戊酸（ALA ）。 2 分子 ALA 脱水缩合形成一分子具有吡咯环的胆色素原；4 分子胆色素原脱氨基缩合形成 一分子尿卟啉原Ⅲ，合成过程按 A→B →C →D 环的顺序进行, 尿卟啉原Ⅲ四个乙酸侧链脱羧 形成具有四个甲基的粪卟啉原Ⅲ，以上的反应是在厌氧条件下进行的。 在有氧条件下，粪卟啉原Ⅲ再脱羧、脱氢、氧化形成原卟啉Ⅸ，原卟啉Ⅸ是形成叶绿素和亚 铁血红素的分水岭。如果与铁结合，就生成亚铁血红素；若与镁结合，则形成 Mg-原卟啉Ⅸ。 由此可见，动植物的两大色素最初是同出一源的，以后在进化的过程中分道扬镳，结构和功 能各异。 Mg-原卟啉Ⅸ的一个羧基被甲基酯化，在原卟啉Ⅸ上形成第五个环，接着 B 环上的 -CH2=CH2 侧链还原为-CH2-CH3 ，即形成原叶绿酸酯。原叶绿素酸酯经光还原变为叶绿酸 酯 a，然后与叶醇结合形成叶绿素 a，叶绿素 b 是由叶绿素 a 转化而成的。 2．影响叶绿素形成的条件 （1 ）光：光是叶绿体发育和叶绿素合成的主要条件。从原叶绿酸酯转变为叶绿酸酯是需要 光的还原过程，如果没有光照，植物叶片会发黄，这种因缺乏光照条件而影响叶绿素形成使 叶片发黄的现象，称为黄化现象 。然而，藻类、苔藓、蕨类和松柏科植物在黑暗中可合成叶 绿素，柑桔种子的子叶和莲子的胚芽可在暗中合成叶绿素，其合成机理尚不清楚。 （ 2）温度：叶绿素生物合成是一系列酶促反应，因此受温度影响。温度过高或过低均降低 合成速率，原有叶绿素也会遭到破坏。秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白等现象，都与 低温抑制叶绿素形成有关。 （ 3）矿质元素：氮和镁是叶绿素的组成成分，铁、铜、锰、锌是叶绿素合成过程中酶促反 应的辅因子。缺乏这些元素时不能形成叶绿素，植物出现缺绿症，其中尤以氮素的影响最大。 （ 4）氧气： 缺氧会引起 Mg-原卟啉 IX 及 Mg-原卟啉甲酯积累，而不能合成叶绿素；在强 光下，植物吸收的光能过剩时，氧参与叶绿素的光氧化。 （ 5）水分： 缺水抑制叶绿素的生物合成，且与蛋白质合成受阻有关。严重缺水时还会加速 叶绿素的分解，而且是分解大于合成，所以干旱时叶片呈黄褐色。 此外，叶绿素的形成还受遗传因素的控制。即使在条件适宜的情况下，水稻、玉米的白化 苗以及花卉中的花叶仍不能合成叶绿素。 第二节 光合作用的机理 从光合作用的总反应式看，似乎是一个简单的氧化还原过程，但实质上包括一系列复杂的光 化学反应和酶促反应过程。 根据需光与否，将光合作用分为两个反应： 光反应（light reaction）和暗反应（dark reaction）。 光反应是必须在光下才能进行的、由光推动的光化学反应，在类囊体膜（光合膜）上进行； 暗反应是在暗处（也可以在光下）进行的、由一系列酶催化的化学反应，在叶绿体基质中进 行。研究表明，光反应过程并不都需要光，而暗反应过程中的一些关键酶活性受光的调节。 光合作用是能量转化和形成有机物的过程。在这个过程中首先是把光能转变为电能， 进一 步形成活跃的化学能，最后转变为稳定的化学能，贮藏于碳水化合物中。 整个光合作用过程可大致分为三个步骤： ① 光能的吸收、传递和转换为电能的过程（通过原初反应完成）； ② 电能转变为活跃化学能的过程（通过电子传递和光合磷酸化完成）； ③ 活跃的化学能转变为稳定化学能的过程（通过碳同化完成）。第一、二两个步骤基本属 于光反应，第三个步骤属于暗反应（表 3-2）。 一、原初反应 原初反应是指叶绿体色素分子对光能的吸收、传递与转换过程。它是光合作用的第一步，速 度非常快，可在皮秒（ps ，10-12 秒）与纳秒（ns ，10－9 秒）内完成，且与温度无关，可 在-196℃（77K ，液氮温度）或-271℃（2K ，液氦温度）下进行。 根据功能来区分，叶绿体色素可为二类： （1 ） 反应中心色素（reaction centre pigments ），少数特殊状态的叶绿素 a 分子属于此类， 它具有光化学活性，既能捕获光能，又能将光能转换为电能（称为“陷阱”）。 （2 ） 聚光色素（light － harvesting pigments），又称天线色素（antenna pigments ），它没有 光化学活性，只能吸收光能，并把吸收的光能传递到反应中心色素，包括绝大部分 叶绿素 a 和全部的叶绿素 b、胡萝卜素、叶黄素等都属于此类。 聚光色素存在于类囊体膜的色素蛋白复合体上，反应中心色素存在于反应中心（reaction center）。但二者是协同作用的，若干个聚光色素分子所吸收的光能聚集于 1 个反应中心色素 分子而起光化学反应。 一般来说，约 250～ 300 个色素分子所聚集的光能传给一个反应中心色素。每吸收与传递 1 个光量子到反应中心完成光化学反应所需起协同作用的色素分子数，称为光合单位 。实际上， 光合单位包括了聚光色素系统和光合反应中心两部分。因此也可把光合单位定义为结合于类 囊体膜上能完成光化学反应的最小结构的功能单位。 当可见光（400 ～ 700nm）照射到绿色植物时，天线色素分子吸收光量子而被激发，以“激 子传递”（exciton transfer ）和“共振传递”（resonance transfer ）两种方式进行能量传递。 所谓激子是指由高能电子激发的量子，可以转移能量，但不能转移电荷。而共振传递则是依 赖高能电子振动在分子间传递能量。能量可在相同色素分子之间传递，也可在不同色素分子 之间传递，但都是沿着波长较长即能量水平较低的方向传递。传递的效率很高，几乎接近 100％。于是，大量的光能通过天线色素吸收、传递到反应中心色素分子，并引起光化学反 应。 反应中心是进行原初反应的最基本的色素蛋白复合体，它至少包括一个反应中心色素即原初 电子供体（primary electron donor ，P ）、一个原初电子受体（primary electron acceptor ， A） 和一个次级电子供体（secondary electron donor ，D ），以及维持这些电子传递体的微环境所 必须的蛋白质，才能导致电荷分离，将光能转换为电能。反应中心的原初电子受体，是指直 接接受反应中心色素分子传来电子的物质（ A） 。反应中心次级电子供体，是指将电子直接 供给反应中心的物质。在光下，光合作用原初反应是连续不断地进行的，因此，必须不断有 最终电子供体和最终电子受体的参与，构成电子的“源”和“库”。高等植物的最终电子供 体是水，最终电子受体是NADP + 。 光化学反应实质上是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体和次级供体之间的氧化 还原反应。天线色素分子将光能吸收和传递到反应中心后，使反应中心色素（P ）激发而成 为激发态（P* ） ，释放电子给原初电子受体（A ） ，同时留下了“空穴”，成为陷井（trap ）。 反应中心色素被氧化而带正电荷（P+ ） ，原初电子受体被还原而带负电荷（A- ） 。这样，反 应中心发生了电荷分离。反应中心色素失去电子，便可从次级电子供体（D ）那里夺取电子， 于是反应中心色素恢复原来状态（P ） ，而次级电子供体却被氧化（D ＋）。这就发生了氧化 还原反应，完成了光能转变为电能的过程。 hυ D·P ·A ────→D ·P* ·A ─────→D · P+ ·A- ──────→D+ · P ·A- 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 这一氧化还原反应在光合作用中不断地反复进行，原初电子受体 A－要将电子传给次级电 子受体，直到最终电子受体 NADP+。同样，次级电子供体 D+也要向它前面的电子供体夺 取电子，依次到最终电子供体水。 二、电子传递与光合磷酸化 反应中心色素受光能激发而发生电荷分离，产生的高能电子经过一系列电子传递体的传递， 一方面引起水的裂解释放出 O2 和 NADP+还原，另一方面建立跨类囊体膜的质子动力势， 通过光合磷酸化形成 ATP，把电能转化为活跃的化学能。 （一）电子传递 1．光系统 （ 1） 证明光系统存在的两种现象 20 世纪 40 年代，当以绿藻和红藻为材料，研究不同光波的量子产额（每吸收一个光量子后 释放出的氧分子数），发现用波长大于 685nm 的远红光照射材料时，虽然光量子仍然被叶绿 体大量吸收，但量子产额急剧下降，这种现象被称为红降现象（red drop ）。 1957 年罗伯特·爱默生（R.Emerson ）观察到，在远红光（波长大于 685nm）条件下，如补 充红光（波长 650nm）则量子产额大增，比这两种波长的光单独照射时的总和还要大。这样 两种波长的光促进光合效率的现象叫做 双光增益效应或爱默生效应 （ Emerson effect） （图 3-7）。 上述现象使人们设想，光合作用可能包括两个光化学反应接力进行。后来，进一步 的研究证实光合作用确实有两个光化学反应，分别由两个光系统完成。一个是吸收短波红光 （680nm ）的光系统Ⅱ（PS Ⅱ），另一个是吸收长波红光（700nm ）的光系统Ⅰ（PSⅠ） 。这 两个光系统是以串联的方式协同作用的。 （ 2） 光系统 目前已从叶绿体类囊体膜上分离出两个光系统，都是色素蛋白复合体。 PSⅠ颗粒较小，直 径为 11nm，在类囊体膜的外侧；PSⅡ颗粒较大，直径为 17.5nm，位于类囊体膜的内侧。 PSII 蛋白复合体至少含 12 种不同的多肽，最大的是 CP47 和 CP43，与叶绿体色素结合构成 PSII 的捕光色素复合体（PSII light harvesting complex ， LHCII），还有反应中心 D1 和 D2 两 条多肽，是 PSII 复合体的基本组成部分，其上排列有 P680、去镁叶绿素（pheo）和质体醌 （plastoquinone ）。PSI 蛋白复合体也包含反应中心和捕光色素复合体（PSI light harvesting complex，LHCI ）。 敌草隆（DCMU ，一种除草剂）能与 D1 蛋白结合，抑制 PSII 的光化学反应，却不抑制 PSI 的光化学反应。此外，阿特拉津等除草剂抑制光合作用，杀死植物，是由于它们在 D1 蛋白 的 QB 位点结合，阻止了 QB 的电子向 PQ 传递。目前人们通过分子生物学的手段使 D1 上 易于与阿特拉津结合的位点发生个别氨基酸突变，失去其与阿特拉津的结合能力，但不影响 光合电子传递，从而获得抗阿特拉津的植物。 PSⅠ的光化学反应是长光波反应，其主要特征是 NADP+的还原。当 PSⅠ的反应中心色素分 子（P700 ）吸收光能而被激发后，把电子传递给各种电子受体，经 Fd（铁氧还蛋白） ，在 NADP 还原酶（FNR ）的参与下，把 NADP+还原成 NADPH。反应中心色素 P700 中的 P 表 示色素，700 是指色素的最大吸收波长。 PSⅡ的光化学反应是短光波反应，其主要特征是水的光解和放氧。 PSⅡ的反应中心色素分 子（P680）吸收光能，把水分解，夺取水中的电子供给 PSⅠ。 2．光合链 光合链是指光合膜上的一系列互相衔接着的电子传递体组成的电子传递的总轨道。 现在被广泛接受的光合电子传递途径是 “ Z”方案（ “ Z” scheme） ，即电子传递是由两个光 系统串联进行，其中的电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈侧写的“Z” 形（图 3-8）。 “Z”方案最早是由希尔（R.Hill）等在 1960 年提出的，经过不断修正与补充，日臻完善。 由氧化还原电位的高低可以看出，这一电子传递途径是不能自发进行的，有二处（ P680→ P680*和 P700→P700* ）是逆电势梯度的“上坡”电子传递，需要聚光色素复合体吸收与传 递的光能来推动。光合链中的电子传递体是质体醌（ plastoquinone， PQ） ，细胞色素 （cytochrome ， Cyt） b6/f 复合体，铁氧还蛋白（ferrdoxin ， Fd）和质蓝素（plastocyanin ， PC）。 其中 PQ 是双电子双 H＋传递体，它既可传递电子，也可传递质子，在传递电子的同时，把 H＋从类囊体膜外的基质中带入膜内，在类囊体膜内外建立跨膜质子梯度以推动 ATP 的合 成。 3．水的光解和放氧 水的光解（water photolysis）是希尔（1937 ）发现的。他将离体的叶绿体加到具有氢受体（A ） 的水溶液中，照光后即发生水的分解而放出氧气。此反应称为希尔反应（Hill reaction ） 。 光 2H2O + 2A ───→ 2AH2 + O2 叶绿体 氢受体被称为希尔氧化剂，如 2，6- 二氯酚靛酚、苯醌、NADP ＋、NAD ＋等。是希尔第一 个用离体叶绿体做试验，把光合作用的研究深入到细胞器的水平。 近年来，水光解反应机理的研究已有较大进展。已知放氧复合体 （ oxygen-evolving complex， OEC）由 3 条外周多肽组成，其中一条 33kD 的多肽为锰稳定蛋白（ manganese stablizing protein，MSP ），它们与 Mn、Ca2+ 、Cl－一起参与氧的释放。 给已经暗适应的叶绿体极快的闪光处理，闪光后放氧量是不均等的，是以 4 为周期呈现振荡。 第一次闪光后无 O2 产生，第二次闪光释放少量 O2，第三次闪光放 O2 最多，第四次闪光放 O2 次之，每隔四次闪光出现一次放氧高峰。 已知每释放 1 个 O2，需要氧化 2 分子水，并移去 4 个 e－，同时形成 4 个 H＋，而闪光恰 巧以 4 为周期。Kok 等（ 1970）据此提出了 H2O 氧化机制的模型：放氧复合体（OEC ）在 每次闪光后可以积累一个正电荷，直至积累 4 个正电荷，才一次用于 2 个 H2O 的氧化（图 3-9） 。图 3-9 中不同状态的 S 代表了 OEC 中不同氧化状态的放氧复合体（含锰蛋白） ，含有 4 个 Mn，包括 Mn2+、Mn3+ 和 Mn4+。按照氧化程度从低到高的顺序，将不同状态的含锰 蛋白分别称为 S0、S1 、 S2、S3 和 S4。即 S0 不带电荷，S1 带 1 个正电荷，依次到 S4 带有 4 个正电荷。每一次闪光将 S 状态向前推进一步，直至 S4。然后， S4 从 2 个 H2O 中获取 4 个 e－，并回到 S0。此模型称为水氧化钟（water oxidizing clock）或 Kok 钟（ Kok clock）。 这个模型还认为，S0 和 S1 是稳定状态，S2 和 S3 可在暗中退回到 S1，S4 不稳定。这样叶 绿体在暗适应后，有 3/4 的含锰蛋白处于 S1， 1/4 处于 S0，因此最大放氧量出现在第三次闪 光后。 4．电子传递的类型 （ 1）非环式电子传递（noncyclic electron transport ） ：指水光解放出的电子经 PSⅡ和 PSⅠ 两个光系统，最终传给 NADP＋的电子传递。 H2O→PSⅡ→PQ→Cytb6/f →PC →PSⅠ→Fd →FNR →NADP ＋ 按非环式电子传递，每传递 4 个电子，分解 2 分子 H2O，释放 1 个 O2，还原 2 个 NADP＋， 需要吸收 8 个光量子，量子产额为 1/8。同时运转 8 个 H＋进入类囊体腔。 （ 2）环式电子传递（ cyclic electron transport）：指 PSⅠ产生的电子传给 Fd，再到 Cytb6/f 复合体，然后经 PC 返回 PSⅠ的电子传递。环式电子传递途径可能不止一条，电子可由 Fd 直接传给 Cytb6/f，也可经 FNR 传给质体醌，还可以经过 NADPH 再传给 PQ。 PSⅠ→Fd →（NADPH →PQ）→Cytb6/f →PC →PSⅠ （ 3）假环式电子传递（pseudocyclic electron transport ） ：指水光解放出的电子经PSⅡ和PS Ⅰ两个光系统，最终传给O2 的电子传递。由于这一电子传递途径是Mehler 提出的，故亦称 为Mehler 反应。它与非环式电子传递的区别只是电子的最终受体是O2 而不是NADP ＋ H2O→PSⅡ→PQ→Cytb6/f →PC →PSⅠ→Fd →O2 （3-11 ） 因为 Fd 是单电子传递体，O2 得到一个电子生成超氧阴离子自由基（O2- ），它是一种活性 氧，具有极为活泼的氧化能力，会对植物造成危害。例如，灭生型除草剂百草枯（主要成分 为甲基紫精， MV）对植物的损伤作用即来自 O2-。不过， O2-可被叶绿体中的超氧化物歧化 酶（ SOD）歧化形成 H2O2, 后者经抗坏血酸过氧化物酶（APX ）等催化形成 H2O，这样电 子从 H2O 到 H2O，没有 O2 的净损伤，被称为水－水循环（water-water cycle ）或 Asada 途 径。这种电子传递很少发生，只在强光、低温等逆境抑制碳同化，使 NADPH 积累而 NADP+ 缺乏时才发生。 （二）光合磷酸化 1．光合磷酸化及其类型 叶绿体在光下把无机磷（Pi ）与 ADP 合成 ATP 的过程称为光合磷酸化（ photosynthetic phosphorylation）。它是与电子传递相偶联的反应，电子传递停止，光合磷酸化反应便很快停 止。分为三种类型，即非环式光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation ）、环式光合磷酸 化（ cyclic photophosphorylation）和假环式光合磷酸化（pseudocyclic photophosphorylation ）。 大量研究表明，光合磷酸化与电子传递是通过 ATP 酶联系在一起的。 2． ATP 酶 ATP 酶又叫 ATP 合成酶、偶联因子（图 3-10）。叶绿体的 ATP 酶与线粒体膜上的 ATP 酶结 构相似，是一种球茎结构，由两个蛋白复合体构成。一个是突出于膜表面的亲水性的“CF1 ” 复合体，另一个是埋置于膜内的疏水性的“CF0 ”复合体。酶的催化部位在 CF1 上， CF1 结 合在 CF0 上。 CF1 很容易被 EDTA 溶液除去，而 CF0 则需要去污剂才能除去。ATP 酶由 9 种亚基组成，分子量约为 550kD，催化的反应为磷酸酐键的形成，即把 ADP 和 Pi 合成 ATP。 3．光合磷酸化机理 关于光合磷酸化的机理，可由英国的米切尔（ P.Mitchell）提出的化学渗透学说来解释。该 学说认为，在光合链传递电子的过程中，形成跨类囊体膜的质子动力势差，在 H+通过 ATP 酶返回膜外时，推动 ADP 和 Pi 形成 ATP。在类囊体膜上的电子传递体中， PQ 具有亲脂性， 含量多，被称为 PQ 库，它可传递电子和质子，而其它传递体只能传递电子。在光下，PQ 在将电子向下传递的同时，又把膜外基质中的质子转运至类囊体膜内，PQ 在类囊体膜上的 这种氧化还原往复变化称为 PQ 穿梭。此外，水在膜内侧光解也释放出 H+，于是膜内外产 生电位差（ΔE）和质子浓度差（ΔpH ），两者合称质子动力势 （proton motive force ， pmf）， 是光合磷酸化的动力。H+ 沿着浓度梯度返回膜外时，在 ATP 酶催化下，合成 ATP。 化学渗透学说已经得到了许多实验证据： （1 ）光合电子传递伴随着质子转移。当对叶绿体悬浮液照光时，立即会引起叶绿体的外部 溶液质子浓度急剧下降，pH 升高；闭光后则外液的质子浓度又恢复到原来的水平； （2 ）光下跨膜ΔpH 的产生。当对叶绿体悬浮液照光时，在不加入磷酸化底物，不形成 ATP 的条件下，光照可以诱导叶绿体吸收质子，吸收作用可以继续到跨膜ΔpH 达到 4 个 pH 单 位为止。在光下或闭光后立即加入磷酸化底物，都可以形成 ATP。如加入解偶联剂二硝基苯 酚（DNP ）可以破坏跨膜ΔpH ，则无 ATP 形成，这说明ΔpH 是 ATP 形成的原动力； （3 ）酸 -碱磷酸化实验。在暗中把叶绿体类囊体放入 pH 4 的溶液中平衡，让类囊体腔的 pH 下降至 4，然后加进 pH 8 和含有 ADP、Pi 及镁盐的缓冲液，这样人工造成的瞬间的跨膜Δ pH 就导致了 ATP 的形成。 在电子传递的同时，从基质中向膜内运送H ＋ ，结果产生膜内外的H ＋ 动力势梯度， H ＋ 依动力 势梯度经ATP 酶流出时，偶联ATP 的产生。 在电子传递和光合磷酸化作用中形成的 ATP 和 NADPH 是重要的中间产物。一方面两者都 能暂时贮存能量；另一方面 NADPH 的 H 又能进一步还原 CO2，这样就把光反应和暗反应 联系起来了。由于 ATP 和 NADPH 在暗反应中用于 CO2 的同化，故合称为同化力。 三、碳同化 碳同化是指植物利用光反应中形成的同化力 ATP 和 NADPH，将 CO2 转化为碳水化合物的 过程。二氧化碳同化是在叶绿体的基质中进行的，有多种酶参与反应。高等植物的碳同化途 径有三条，即 C3 途径、C4 途径和 CAM（景天酸代谢）途径。 （一）C3 途径 直到 20 世纪 40 年代中期，美国加州大学的卡尔文（M.Calvin ）和本森（A.Benson）采用当 时的两项新技术－放射性同位素示踪和双向纸层析，以单细胞藻类为试材，经过十年的系统 研究，在 20 世纪 50 年代提出了二氧化碳同化的循环途径，故称为卡尔文循环（The Calvin cycle）。由于这个循环中 CO2 的受体是一种戊糖（核酮糖二磷酸），故又称为还原戊糖磷酸 途径（reductive pentose phosphate pathway ， RPPP）。这个途径中二氧化碳被固定形成的最初 产物是一种三碳化合物，故称为 C3 途径。卡尔文循环具有合成淀粉等产物的能力，是所有 植物光合碳同化的基本途径，大致可分为三个阶段，即羧化阶段、还原阶段和再生阶段（图 3-12）。 1．羧化阶段 CO2 与受体核酮糖-1,5- 二磷酸（RuBP ）结合，并在 RuBP 羧化酶的催化下水解产生二分子 3-磷酸甘油酸（PGA ）的反应过程。 2．还原阶段 3-磷酸甘油酸在 3-磷酸甘油酸激酶（PGA 激酶）催化下，形成 1,3-二磷酸甘油酸（DPGA ）， 然后在甘油醛磷酸脱氢酶作用下被 NADPH 还原，变为甘油醛-3- 磷酸（GAP ）。 羧化阶段产生的 PGA 是一种有机酸，尚未达到糖的能级，为了把 PGA 转化成糖，要消耗光 反应中产生的同化力。 ATP 提供能量， NADPH 提供还原力使 PGA 的羧基转变成 3－磷酸甘 油醛的醛基，这也是光反应与暗反应的联结点。当 CO2 被还原为 3－磷酸甘油醛时，光合 作用的贮能过程即告完成。 3．再生阶段 是由 3-磷酸甘油醛经过一系列的转变，重新形成 CO2 受体 RuBP 的过程。 这里包括了形成磷酸化的 3-、 4-、 5-、 6-、 7-碳糖的一系列反应（见图 3-12）。最后一步由核 酮糖－5 －磷酸激酶（Ru5PK ）催化，并消耗 1 分子 ATP，再形成 RuBP，构成了一个循环。 每同化一个 CO2，要消耗 3 个 ATP 和 2 个 NADPH。还原 3 个 CO2 可输出一个磷酸丙糖（GAP 或 DHAP）。磷酸丙糖可在叶绿体内形成淀粉，或运出叶绿体在细胞质中合成蔗糖。 3CO2 + 5H2O + 9ATP + 6NADPH+6H+ → GAP + 9ADP + 8Pi + 6NADP + 4． C3 途径的调节 ①自动催化调节 ： CO2 的同化速率，在很大程度上决定于 C3 途径的运转状况和中间产物的 数量水平。将暗适应的叶片移至光下，最初阶段光合速率很低，需要经过一个“滞后期”（一 般超过 20min，取决于暗适应时间的长短）才能达到光合速率的“稳态”阶段。其原因之一 是暗中叶绿体基质中的光合中间产物（尤其是 RuBP）的含量低。在 C3 途径中存在一种自 动调节 RuBP 水平的机制，即在 RuBP 含量低时，最初同化 CO2 形成的磷酸丙糖不输出循 环，而用于 RuBP 再生，以加快 CO2 固定速率；当循环达到“稳态”后，磷酸丙糖才输出。 这种调节 RuBP 等中间产物数量，使 CO2 的同化速率处于某一“稳态”的机制，称为 C3 途径的自动催化调节。 ②光调节 ：碳同化亦称为暗反应。然而，除了通过光反应提供同化力外，光还调节着暗反应 的一些酶活性。例如， Rubisco、甘油酸 -3-磷酸激酶、果糖-1 ， 6-二磷酸酯酶、景天庚酮糖-1 ， 7-二磷酸酯酶、核酮糖-5- 磷酸激酶属于光调节酶，在光下活性提高，暗中活性降低甚至丧失。 ③光合产物输出速率的调节 ：磷酸丙糖是运出叶绿体的光合产物，它通过叶绿体膜上的 Pi 运转器运出叶绿体，同时将细胞质中等量的 Pi 运入叶绿体。因此，磷酸丙糖从叶绿体运到 细胞质的数量，受细胞质中 Pi 水平的调节。当磷酸丙糖在细胞质中合成为蔗糖时，就释放 出 Pi。如果蔗糖从细胞质的外运受阻，或利用减慢，则其合成速度降低，Pi 的释放也随之 减少，会使磷酸丙糖外运受阻。这样，磷酸丙糖在叶绿体中积累，从而影响 C3 光合碳还原 循环的正常运转。 （二）C4 途径 在 20 世纪 60 年代中期，人们发现有些起源于热带的植物，如甘蔗、玉米等，除了和其它 植物一样具有卡尔文循环以外，还存在一条固定 CO2 的途径。它固定 CO2 的最初产物是含 四个碳的二羧酸，故称为 C4－二羧酸途径（C4－ dicarboxylic acid pathway），简称 C4 途 径 ， 也叫 Hatch-Slack 途径 。现已知被子植物中有 20 多个科近 2 000 种植物按 C4 途径固定 CO2，这些植物被称为 C4 植物。 1．生化途径 C4 途径基本上可分为 CO2 固定、还原（或转氨作用）、脱羧和 PEP 再生四个阶段。 PEPC 为 PEP 羧化酶；PPDK 为丙酮酸磷酸双激酶 （ 1） CO2 的固定 CO2 在叶肉细胞中变为 HCO3-，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC ） 催化下，PEP 固定 HCO3-生成草酰乙酸（oxaloacetic acid，OAA ）。 （ 2） 还原或转氨作用 草酰乙酸由 NADP-苹果酸脱氢酶催化，被还原为苹果酸（ malic acid， Mal），反应在叶绿体中进行。 但是，也有些植物，其草酰乙酸与谷氨酸在天冬氨酸转氨酶作用下， OAA 接受谷氨酸的氨 基，形成天冬氨酸（aspartic acid，Asp ），反应在细胞质中进行。 （ 3）脱羧 苹果酸或天冬氨酸被运到维管束鞘细胞（bundle sheath cell ， BSC）中去，在那 里脱羧变成丙酮酸（ pyruvic acid）。根据运入维管束鞘的 C4 二羧酸的种类以及参与脱羧反 应的酶类，C4 途径又分三种类型。一是依赖 NADP-苹果酸酶的苹果酸型（NADP-ME 型）， 如玉米、甘蔗、高粱等即属此类；二是依赖 NAD-苹果酸酶的天冬氨酸型（NAD-ME 型）， 龙爪稷、蟋蟀草、狗芽根、马齿苋等属于此类；三是具有 PEP 羧激酶（PCK ）的天冬氨酸 型，羊草、无芒虎尾草、卫茅、鼠尾草等属于此类。NADP-ME 型的初期产物是 MAL，而 NAD-ME 型和 PCK 型的初期产物是 Asp（图 3-14）。 （ 4） PEP 再生 四碳二羧酸在 BSC 中脱羧后变成的丙酮酸，从维管束鞘细胞运回叶肉细胞， 在叶绿体中经丙酮酸磷酸双激酶催化和 ATP 作用，生成 CO2 的受体 PEP，使反应循环进行， 而四碳二羧酸在 BSC 叶绿体中脱羧释放的 CO2，由 BSC 中的 C3 途径同化（图 3-14）。 （三）景天酸代谢途径 景天科等植物有一种特殊的 CO2 同化方式，即夜间气孔开放，吸收 CO2，在 PEPC 催化下 形成 OAA，进一步还原为 Mal，积累于液胞中， pH 值下降；白天气孔关闭，液胞中的 Mal 运至细胞质脱羧释放 CO2，再由 C3 途径同化。而脱羧后形成的磷酸丙糖通过糖酵解过程， 形成 PEP，再进一步循环（图 3-15）。这种有机酸合成日变化的光合碳代谢类型称为景天酸 代谢（crassulacean acid metabolism ，CAM ）途径。苹果酸和葡聚糖呈相反的昼夜变化。 在不同植物中催化 Mal 脱羧反应的酶不同。可由 PEP 羧激酶催化（图 3-15 右上），也可由 NAD-或 NADP-苹果酸酶催化（图 3-15 右下），脱羧释放的 CO2 在叶绿体中被 C3 途径同化。 CAM 途径与 C4 途径基本相同，二者的差别： 在于 C4 植物的两次羧化反应是在空间上（叶肉细胞和维管束鞘细胞）分开的，而 CAM 植 物则是在时间上（黑夜和白天）分开的。 第三节 光呼吸 植物的绿色细胞在光下吸收氧气，放出二氧化碳的过程称为 光呼吸 （ photorespiration） 。这 种呼吸仅在光下发生，且与光合作用密切相关。一般生活细胞的呼吸在光照和黑暗中都可以 进行，对光照没有特殊要求，称为暗呼吸。 光呼吸与暗呼吸在呼吸底物、代谢途径以及对 O2 和 CO2 浓度的反应等方面均不相同（表 3-3）。另外，光呼吸速率比暗呼吸速率高 3～5 倍。 一、光呼吸的生化历程 光呼吸是一个氧化过程，被氧化的底物是乙醇酸。乙醇酸的产生则以 RuBP 为底物，催化 这一反应的酶是 Rubisco。这种酶是一种兼性酶，具有催化羧化反应和加氧反应两种功能 。 其催化方向取决于 CO2 和 O2 的分压。当 CO2 分压高而 O2 分压低时，RuBP 与 CO2 经此 酶催化生成 2 分子的 PGA；反之，则 RuBP 与 O2 在此酶催化下生成 1 分子 PGA 和 1 分子 磷酸乙醇酸（C2 化合物），后者在磷酸乙醇酸磷酸（酯）酶的作用下变成乙醇酸。 在光下由 Rubisco 加氧反应形成的乙醇酸，底物是新形成的。 光呼吸的全过程需要由叶绿体、过氧化体和线粒体三种细胞器协同完成，这是一个环式变化 过程。光呼吸实际上是乙醇酸代谢途径，由于乙醇酸是 C2 化合物，因此 光呼吸途径又称 C2 循环（如图 3-16）。 在叶绿体中形成的乙醇酸转至过氧化体，由乙醇酸氧化酶催化，被氧化成乙醛酸和 H 2 O 2 ， 后者由过氧化氢酶催化分解成H2O和O2 。乙醛酸经转氨酶作用变成甘氨酸，进入线粒体。 2 分子甘氨酸在线粒体中发生氧化脱羧和羟甲基转移反应转变为 1 分子丝氨酸，并产生 NADH、 NH3，放出 CO2。丝氨酸转回到过氧化体，并与乙醛酸进行转氨作用，后者变成甘 氨酸，丝氨酸变成羟基丙酮酸，在NADH 的还原下形成甘油酸，再回到叶绿体，在甘油酸激 酶的作用下生成PGA ，进入卡尔文循环，再生RuBP ，重复下一次C2 循环。在这一循环中， 2 分子乙醇酸放出 1 分子CO2 （碳素损失 25%）。 O2 的吸收发生于叶绿体和过氧化体内， CO2 的释放发生在线粒体内。 二、光呼吸的生理功能 从碳素同化的角度看，光呼吸将光合作用固定的 20％～ 40%的碳变为 CO2 放出；从能 量的角度看，每释放 1 分子 CO2 需要消耗 6.8 个 ATP 和 3 个 NADPH。显然，光呼吸是一 种浪费。 ①消除乙醇酸的毒害：乙醇酸的产生在代谢中是不可避免的。光呼吸消除乙醇酸的代谢，避 免乙醇酸积累，使细胞免受伤害。 ②维持 C3 途径的运转： 在叶片气孔关闭或外界 CO2 浓度降低时，光呼吸释放的 CO2 能被 C3 途径再利用，以维持 C3 途径的运转。 ③防止强光对光合机构的破坏：在强光下，光反应中形成的同化力会超过暗反应的需要，叶 绿体中 NADPH/NADP+的比值增高，最终电子受体 NADP+不足，由光激发的高能电子会传 递给 O2，形成超氧阴离子自由基， O2－对光合机构具有伤害作用，而光呼吸可消耗过剩的 同化力，减少 O2－的形成，从而保护光合机构。 ④氮代谢的补充 ：光呼吸代谢中涉及多种氨基酸（甘氨酸、丝氨酸等）的形成和转化过程， 它对绿色细胞的氮代谢是一个补充。 三、C3 植物、C4 植物和 CAM 植物的光合特征 （一） C3 和 C4 植物的解剖结构特点 C4 植物叶片的维管束鞘细胞发育良好，含有许多叶绿体，它比叶肉细胞的叶绿体大，没有 基粒或没有发育良好的基粒；而在维管束鞘外面有排列紧密的叶肉细胞。维管束鞘细胞与其 相邻的叶肉细胞之间有大量的胞间连丝相连。这种呈同心园排列的维管束鞘细胞与周围的叶 肉细胞层合称 Kranz 结构（花环结构）。 C3 植物的维管束细胞较小，不含叶绿体，周围的叶肉细胞排列较疏松（图 3-17）。 前已述及， C4 植物通过 PEPC 固定 CO2 的反应是在叶肉细胞中进行的，生成的四碳双羧酸 转移到维管束鞘细胞，脱羧放出 CO2，参与卡尔文循环，形成碳水化合物，所以甘蔗、玉 米等 C4 植物进行光合作用时，只有维管束鞘细胞形成淀粉，在叶肉细胞中没有淀粉。鞘细 胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免因光合产物的积累对光合产生抑制作用。而水 稻、小麦等 C3 植物整个光合过程都是在叶肉细胞里进行，淀粉亦只是积累在叶肉细胞中。 （二）生理特点 在生理上，C4 植物比 C3 植物具有较高的光合作用，这与 C4 植物的 PEP 羧化酶活性较高， 光呼吸很弱有关。 C4 植物的 PEP 羧化酶活性比 C3 植物的 Rubisco 活性高 60 多倍，因此， C4 植物的净光 合速率比 C3 植物高，CO2 补偿点比 C3 植物低，尤其是在低 CO2 浓度的环境下相差更大。 C4植物的 PEP 羧化酶活性高，对 CO2 的亲和力大，加之 C4 二羧酸由叶肉细胞进入维 管束鞘脱羧，起着一个“CO2 泵”的作用，增加维管束鞘细胞的 CO2/O2 比值，增强 Rubisco 的羧化反应，抑制其加氧反应。 C4 植物的光呼吸酶系主要集中在维管束鞘细胞，光呼吸就局限在维管束鞘内进行。在 它外面的叶肉细胞具有对 CO2 亲和力很大的 PEP 羧化酶，所以，即使光呼吸在维管束鞘细 胞放出 CO2，也很快被叶肉细胞再次吸收利用，不易“漏出”。 以上特点使得 C4 植物能够利用低浓度的 CO2，当干旱缺水气孔关闭时，C4 植物就能 利用细胞间隙内的少量 CO2 继续生长， C3 植物则无此本领。但 C4 植物同化 CO2 消耗的能 量比 C3 植物多，也可以说 C4 植物的“CO2 泵”是要由 ATP 来驱动的。所以，在光照强度 和温度较低的条件下，C4 植物的光合速率并不比 C3 植物高，甚至还要低于 C3 植物。C4 植物的高光合效率只有在高温、强光和低 CO2 条件下才显示出来。 第四节 影响光合作用的因素 表示光合作用变化的指标有光合速率和光合生产率等。 光合速率是指单位时间、单位绿色叶面积吸收 CO2 的量或放出 O2 的量。常用的单位有μ molCO2· m-2· s-1 和μmolO2 · dm-2· h-1。一般测定光合速率的方法都没有把叶片的呼吸 作用考虑在内，所以测定的结果实际上是光合作用减去呼吸作用的差数，称为表观光合速率 或净光合速率。如果把表观光合速率加上呼吸速率，则得到总（真正）光合速率。 光合生产率，又称净同化率，是指植物在较长时间（一昼夜或一周）内，单位叶面积生产的 干物质量。常用 g·m-2 ·d-1 表示。光合生产率比光合速率低，因为已去掉呼吸等消耗。 光合势是指单位土地面积上，作物全生育期或某一生育期内进行干物质生产的叶面积数量， 常用 m2·d-1 ·ha-1 表示。 一、内部因素对光合作用的影响 （一） 叶龄 新形成的嫩叶光合速率很低。通常将叶片充分展开后光合速率维持较高水平的时期，称 为叶片功能期，处于功能期的叶叫功能叶。功能期过后，随着叶片衰老，光合速率下降。 （二） 叶片结构 C4植物比 C3 植物光合速率高与其叶片解剖结构密切相关。 （三） 光合产物的输出 光合产物积累影响光合速率的原因是：①反馈抑制。例如蔗糖的积累会反馈抑制合成蔗糖的 磷酸蔗糖合成酶活性，使 F6P 增加，而 F6P 的积累又反馈抑制果糖-1 ，6- 二磷酸酯酶活性， 使细胞质以及叶绿体中磷酸丙糖含量增加，从而影响 CO2 固定。②淀粉粒的影响。叶肉细 胞中蔗糖的积累会促进叶绿体基质中的淀粉合成和淀粉粒形成，过多的淀粉粒一方面会压迫 和损伤叶绿体，另一方面，由于淀粉粒对光有遮挡，从而阻碍叶绿体对光的吸收。 二、外部因素对光合作用的影响 （一）光照 光是光合作用的能量来源，是形成叶绿体和叶绿素的必要条件。此外，光还调节着碳同化许 多酶的活性和气孔开度，因此光是影响光合的重要因素。 1．光强 （ 1） 光强－光合曲线：也称需光量曲线 在暗中叶片不能进行光合作用，只有呼吸作用释放 CO2（图中的 OD 为呼吸速率）。随着光 强的增高，光合速率相应提高，当达到某一光强时，叶片的光合速率与呼吸速率相等，净光 合速率为零，这时的光强称为光补偿点（light compensation point ） 。 在一定范围内，光合速率随着光强的增加而呈直线增加；但超过一定光强后，光合速率增加 转慢；当达到某一光强时，光合速率就不再随光强增加而增加，这种现象称为光饱和现象 （light saturation ）。光合速率开始达到最大值时的光强称为光饱和点。 一般来说，光补偿点高的植物其光饱和点往往也高。例如，草本植物的光补偿点与光饱和点 通常高于木本植物；阳生植物的光补偿点和光饱和点高于阴生植物；C4 植物的光饱和点高 于 C3 植物（图 3-19）。 光补偿点和光饱和点是植物需光特性的两个主要指标，光补偿点低的植物较耐荫，如大豆的 光补偿点低于玉米，适于和玉米间作。环境条件不适宜，往往降低光饱和点和光饱和时的光 合速率，并提高光补偿点。 从光合机理来看，C3 植物的量子效率应比 C4 植物的大，因为 C4 植物每固定 1 分子 CO2 要比 C3 植物多消耗 2 个 ATP。但实际上 C4 植物的表观量子产额常等于或高于 C3 植物，这 是由于 C3 植物存在光呼吸的缘故。 植物出现光饱和点的实质是强光下暗反应跟不上光反应从而限制了光合速率随着光强的增 加而提高。因此，限制饱和阶段光合作用的主要因素有 CO2 扩散速率（受 CO2 浓度影响） 和 CO2 固定速率（受羧化酶活性和 RuBP 再生速率影响）等。所以， C4 植物的碳同化能力 强，其光饱和点和饱和光强下的光合速率也较高。 在光强- 光合曲线的不同阶段，影响光合速率的主要因素不同： 弱光下，光强是控制光合的主要因素，曲线的斜率即为表观量子效率。曲线的斜率大，表明 植物吸收与转换光能的色素蛋白复合体可能较多，利用弱光的能力强。实测的表观量子效率 一般在 0.03～0.05 之间。随着光强增高，叶片吸收光能增多，光化学反应速率加快，产生的 同化力多，于是 CO2 固定速率加快。此外，气孔开度、 Rubisco 活性及光呼吸速率也影响直 线阶段（A ）的光合速率，因为这些因素都会随光强的提高而增大，其中前二者的提高对光 合速率有正效应，后者有负效应。 （ 2）光合作用的光抑制 ：光是植物光合作用所必需的，然而，当植物吸收的光能超过其所 需时，过剩的激发能会降低光合效率，这种现象称为光合作用的光抑制（photoinhibition of photosynthesis）。严重的光抑制还会导致光破坏或光氧化。 光抑制现象在自然条件下是经常发生的，因为晴天中午的光强往往超过植物的光饱和点，即 使是群体内的下层叶片，由于上层枝叶晃动，也不可避免地受到较亮光斑的影响。许多植物， 如水稻、小麦、棉花、大豆等，在中午前后经常会出现光抑制，轻者光合速率暂时降低，过 后尚能恢复，重者叶片发黄，光合活力便不能恢复。如果强光与其它不良环境（如高温、低 温、干旱等）同时存在，光抑制现象更为严重。 关于光抑制的机理，一般认为光抑制主要发生在PSII 。在特殊情况下，如低温弱光也会导致 PSI发生光抑制。正常情况下，光反应与暗反应协调进行，光反应中形成的同化力在暗反应 中被及时消耗掉。但由于叶绿体基质中的CO2 浓度往往很低，接近CO2 补偿点，当光照过 强时，出现光能过剩。一方面因NADP ＋ 不足使电子传递给O 2 ，形成 O 2－ ，另一方面会导致还 原态电子的积累，形成三线态叶绿素（chlT ）， chlT与分子氧反应生成单线态氧（1O2 ）。 O2 －和 1O2 都是化学性质非常活泼的活性氧，如不及时清除，它们会攻击叶绿素和PSII 反应中 心的D1 蛋白，从而损伤光合机构。 植物在长期的进化过程中也形成了多种光保护机制。 （ 1）细胞中存在着活性氧清除系统，如超氧化物歧化酶（SOD ） 、过氧化氢酶（CAT ） 、过 氧化物酶（POD ）、谷胱甘肽、抗坏血酸、类胡萝卜素等，它们共同防御活性氧对细胞的伤 害；（2 ）通过代谢耗能，如提高光合速率，增强光呼吸和 Mehler 反应等；（3 ）提高热耗散 能力，如依赖叶黄素循环的非辐射能量耗散。（4 ）PSII 的可逆失活与修复。 2．光质 在太阳辐射中，对光合作用有效的是可见光。由于绿光对光合作用是低效光，因而使本来就 光照不足的树冠下生长的植物光合很弱，生长受到抑制。 （二）CO2 1． CO2－光合曲线 从 CO2－光合曲线（图 3-20）可以看出，在光下 CO2 浓度为零时，叶片只有呼吸放出 CO2。 随着 CO2 浓度增高光合速率增加，当光合速率与呼吸速率相等时，外界环境中的 CO2 浓度 即为 CO2 补偿点。当 CO2 浓度继续提高，光合速率随 CO2 浓度的增加变慢，当 CO2 浓度 达到某一范围时，光合速率达到最大值（Pm ），光合速率开始达到最大值时的 CO2 浓度被 称为 CO2 饱和点。 在低CO2 浓度条件下，CO 2 浓度是光合作用的限制因子，直线的斜率（CE ）受羧化酶活性 和量的限制。因此， CE被称为羧化效率。 CE值大，则表示在较低的CO2 浓度下有较高的光 合速率，亦即Rubisco 的羧化效率较高。 在 CO2 饱和阶段， CO2 不再是光合作用的限制因子，而 CO2 受体的量，即 RuBP 的再生速 率成了影响光合的因素。由于 RuBP 的再生受同化力供应的影响，所以饱和阶段的光合速率 反映了光反应活性，即光合电子传递和光合磷酸化活性，因而 Pm 被称为光合能力。 C4 植物的 CO2 补偿点和 CO2 饱和点均低于 C3 植物。 因为 C4 植物 PEPC 的 Km 低，对 CO2 亲和力高，并具有浓缩 CO2 及抑制光呼吸的机制，所以 CO2 补偿点低，即 C4 植物可利用 较低浓度的 CO2； C4 植物 CO2 饱和点低的原因，与 C4 植物每固定一分子 CO2 要比 C3 植 物多消耗 2 个 ATP 有关。因为在高 CO2 浓度下，光反应能力成为限制因素。尽管 C4 植物 CO2 饱和点比 C3 植物的低，但其饱和点时的光合速率却往往比 C3 植物的高（图 3-21）。 2． CO2 供应 陆生植物所需的 CO2 主要是从大气中获得的，CO2 从大气到达叶绿体羧化部位的途径和遇 到的阻力如下： re rs ri rm 大气─→气孔─→叶肉细胞间隙─→叶肉细胞原生质─→叶绿体基质 re、rs 、ri 、rm 分别表示扩散层阻力、气孔阻力、叶肉阻力和羧化阻力。其中较大的阻力 为 rs 与 rm。 CO2 从大气至叶肉细胞间隙为气相扩散。而从叶肉细胞间隙到叶绿体基质为液 相扩散。 扩散的动力为 CO2 浓度差。CO2 流通速率（光合速率）可用下式表示： Ca-Cc P= ────── Σrre+rs+ri+rm （三）温度 光合作用的暗反应是由酶催化的化学反应，其反应速率受温度影响，因此温度也是影响光合 速率的重要因素。在强光、高 CO2 浓度下，温度对光合速率的影响比在低 CO2 浓度下的影 响更大，因为高 CO2 浓度有利于暗反应的进行。 光合作用存在温度三基点，即光合作用的最低、最适和最高温度。光合作用温度的三基点因 植物种类不同而有很大差异（表 3-5） 。耐寒植物的光合作用冷限与细胞结冰温度相近；而 起源于热带的喜温植物，如玉米、高粱、番茄、黄瓜、橡胶树等在温度低于 10℃时，光合 作用即受到明显抑制。 （四）水分 水是光合作用的原料之一，没有水光合作用无法进行。但是，用于光合作用的水只占蒸腾失 水的 1%，因此，缺水影响光合作用主要是间接原因。 ①气孔关闭 气孔运动对叶片缺水非常敏感，轻度水分亏缺就会引起气孔导度下降，导致进 入叶内的 CO2 减少。 ②光合产物输出减慢 水分亏缺使光合产物输出变慢，光合产物在叶片中积累，对光合作用 产生反馈抑制作用。 ③光合机构受损 中度的水分亏缺会影响 PSII、 PSI 的天线色素蛋白复合体和反应中心，电 子传递速率降低，光合磷酸化解偶联，同化力形成减少。严重缺水时，甚至造成叶绿体类囊 体结构破坏，不仅使光合速率下降，而且供水后光合能力难以恢复。 ④光合面积减少 水分亏缺使叶片生长受抑，叶面积减小，作物群体的光合速率降低；水分 过多也会影响光合作用。土壤水分过多时，通气状况不良，根系活力下降，间接影响光合作 用。 （五）矿质营养 矿质营养直接或间接影响光合作用。N 、P 、S 、 Mg 是叶绿体结构中组成叶绿素、蛋白质和 片层膜的成分；Cu 、Fe 是电子传递体的重要成分；磷酸基团在光、暗反应中均具有重要作 用，它是构成同化力 ATP 和 NADPH 以及光合碳还原循环中许多中间产物的成分；Mn 和 Cl 是光合放氧的必需因子； K 和 Ca 对气孔开闭和同化物运输具有调节作用。因此，农业生 产中合理施肥的增产作用，是靠调节植物的光合作用而间接实现的。 （六）光合作用的日变化 外界的光强、温度、水分、CO2 浓度等每天都在不断变化着，因此，光合作用也呈现明显 的日变化。在温暖、晴朗、水分供应充足的天气，光合速率随光强而变化，呈单峰曲线，日 出后光合速率逐渐提高，中午前后达到高峰，以后降低，日落后净光合速率出现负值。光强 相同的情况下，一般下午的光合速率低于上午的，这是由于经上午光合后，叶片中的光合产 物有所积累，发生反馈抑制的缘故。如果气温过高，光照强烈，光合速率日变化呈双峰曲线， 大的峰出现在上午，小的峰出现在下午，中午前后光合速率下降，呈现光合作用的“午睡” 现象（midday depression ） 。这种光合速率中午下降的程度随土壤含水量的降低而加剧。引 起光合“午睡”的原因主要是大气干旱和土壤干旱。在干热的中午，叶片蒸腾失水加剧，如 果此时土壤水分亏缺，植物的失水大于吸水，引起气孔导度降低甚至叶片萎蔫，使叶片对 CO2 吸收减少。午间高温、强光、CO2 浓度降低也会产生光抑制，光呼吸增强，这些都会 导致光合速率下降。还有人提出，光合“午休”现象与气孔运动内生节奏有关。 光合“午休”现象是多种因素综合影响的结果。由光合“午休”造成的损失可达光合生产的 30%以上，是作物产量形成的一大漏洞。生产上要采取适当措施，如适时灌溉，选用抗旱品 种等，避免或减轻光合“午休”现象。据报道，在大豆鼓粒期的干热天气下进行喷灌，可提 高空气湿度，降低蒸气压亏缺和叶温，提高叶片含水量，并通过改善生理生态因子而增加气 孔导度，减少气孔因素对光合作用的限制，控制非气孔限制的发生，减轻或克服光合“午睡”， 有明显的增产作用。 第五节 光合作用与作物生产 一、光能利用率 植物干物质有 90％～ 95%是来自光合作用，农作物产量的形成主要靠叶片的光合作用，因 此，如何提高作物的光能利用率，制造更多的光合产物，是农业生产的一个根本性问题。光 合作用，是农业生成中的一个根本性问题。 通常把单位土地面积上植物光合作用积累的有机物中所含的化学能占入射光能量的百分率 称为光能利用率(Eu) 。 △W ·H Eu（％）= ────×100 Σs 经研究测算，多数作物光能利用率的最大值为 3％～5% 。如水稻 3％～ 4%，玉米 4％～ 5%。若按照夏天到达地面的太阳辐射能为 1KJ· m-2· s-1，作物最大光能利用率按 4%计算， 作物每 m 2 每小时可贮能 144KJ。按 1g碳水化合物含能量 17.2KJ计算，144KJ 相当于 8.37g碳 水化合物所含能量。就是说，在 1m2 土地上 1 小时可生产 8.37g碳水化合物，这相当于吸收 209mmolCO2 (8370mg÷40mg/mmol) ，此时的表观光合速率要达到 58μmolCO2 · m-2· s-1。 如按上述计算，每公顷可年产粮食 58 吨( 亩产 3.9 吨) 。实际上目前的作物光能利用率很低， 即便高产田也只有 1～2% 之间。其原因主要有： 漏光损失；光饱和浪费；环境条件不适及栽培管理不当。 二、提高作物产量的途径 作物的产量主要由光合产物转化而来。提高作物产量的根本途径是改善植物的光合性能。 光合性能是指光合系统的生产性能，它是决定作物光能利用率高低及获得高产的关键（郑光 华，1978 ）。光合性能包括光合能力、光合面积、光合时间、光合产物的消耗和光合产物的 分配利用。可具体表述为： 经济产量＝[ （光合能力×光合面积×光合时间）－消耗] ×经济系数。 经济系数是指作物经济器官的产量与生物产量的比值。按照光合作用原理，要获得作物高产， 就应采取适当措施，最大限度地提高光合能力 适当增加光合面积，延长光合时间，提高经 济系数，减少干物质消耗。 (一 ) 提高光合能力 光合能力一般用光合速率表示。光合速率受作物本身光合特性和外界光、温、水、肥、气等 因素的影响，合理调控这些因素才能提高光合速率。 选用叶片挺厚，株型紧凑，光合效率高的作物品种，在此基础上创造合理的群体结构，改善 作物冠层的光、温、水、气条件。如在大田无法采用人工光源的情况下，在地面上铺设反光 薄膜可增加作物行间或树冠内的光强。 早春采用塑料薄膜育苗或大棚栽培，可使温度提高，促进作物生长和光合作用进行。 浇水施肥可促进光合面积的发展，提高光合机构的活性。 大田作物间的 CO2 浓度目前虽然还难以人工控制，但可通过增施有机肥料，实行秸秆还田， 促进微生物分解等措施，来增加作物冠层中的 CO2 浓度。在塑料大棚和玻璃温室内，则可 通过 CO2 发生装置，直接施放 CO2。通过 CO2 施肥，可显著提高光合速率，抑制光呼吸。 以上这些措施因能提高作物净同化率所以可提高作物产量。 (二 ) 增加光合面积 光合面积是指以叶片为主的植物绿色面积。通过合理密植、改变株型等措施，可增大光 合面积。合理密植就是通过调节种植密度，使作物群体得到合理发展，达到最适的光合面积， 最高的光能利用率。种植过稀，虽然个体发育良好，但群体叶面积不足，光能利用率低。种 植过密，一方面下层叶片受光减少，光合减弱；另一方面通风不良，造成冠层内 CO2 浓度 过低而影响光合。此外，密度过大时还易造成倒伏，加重病虫危害而减产。 表示密植程度的指标有多种，如播种量、基本苗、总茎蘖数、叶面积系数等。其中较为科学 的是叶面积系数( 作物叶面积与土地面积的比值，简称 LAI)。在一定范围内，作物 LAI 越大， 光合产物积累越多，产量越高。但 LAI 也不是越大越好，不少研究认为，在目前生产水平 下，水稻的最大 LAI 达 7 左右，小麦 6 左右，玉米 6～7 左右，通常能获得较高产量。 近年来国内外培育的小麦、水稻、玉米等高产新品种，多为矮秆或半矮秆、叶片挺厚、 株型紧凑、耐肥抗倒的类型。种植此类品种可适当增加密度，提高叶面积系数，因而能提高 光能利用率。 (三 ) 延长光合时间 延长光合时间可通过提高复种指数、延长生育期及补充人工光照等措施来实现。复种指数就 是全年内农作物的收获面积对耕地面积之比。提高复种指数可增加收获面积，延长单位土地 面积上作物的光合时间，减少漏光损失，充分利用光能。如通过间作套种，就能在一年内巧 妙地搭配作物，从时间上和空间上更好地利用光能。 在不影响耕作制度的前提下，适当延长作物的生育期也能提高产量。如育苗移栽，覆膜栽培 等，均可有效地延长光合时间。在小面积的栽培试验中，或在加速繁殖重要植物材料时，可 采用生物效应灯或日光灯作为人工光源，以延长光照时间。 (四 ) 减少有机物质消耗 正常的呼吸消耗是植物生命活动所必需的，生产上应注意提高呼吸效率，尽量减少浪费型呼 吸。如 C3 植物的光呼吸消耗光合作用同化碳素的 1/4 左右，是一种浪费型呼吸，应加以限 制。目前降低光呼吸主要从两方面入手。 第一是利用光呼吸抑制剂去抑制光呼吸。例如乙醇酸氧化酶抑制剂α- 羟基磺酸盐类化合物， 可抑制乙醇酸氧化为乙醛酸。用 100ppmNaHSO3 喷洒大豆，可抑制光呼吸 32.2%， 2， 3-环 氧丙酸也有类似效果。 第二是改变环境成分，特别是增加 CO2 浓度，使 Rubisco 的羧化反应占优势，光呼吸得到 抑制。此外，及时防除病虫草害，也是减少有机物消耗的重要方面。 (五 ) 提高经济系数 经济系数又叫收获指数。国内外许多研究证明，作物产量的增加有赖于收获指数的提高。如 现代六倍体小麦与原始二倍体小麦相比，其高产的主要原因是其收获指数较高。提高收获指 数应从选育优良品种，调控器官建成和有机物运输分配，协调“源、流、库”关系入手，使 尽可能多的同化产物运往产品器官。