植物生理学-光合作用课件.ppt

第4章 光合作用（Photosynthesis）,第1节 光合作用的研究历史及意义第2节 能量转换细胞器 叶绿体第3节 光合色素 第4节 光反应第5节 光合碳同化第6节 影响光合作用的因素第7节 提高植物光能利用率的途径,第1节 光合作用的研究历史及意义,光合作用：绿色植物利用光能把CO2和水合成有机物，同时释放氧气的过程。,光合作用的研究历史：,有机物质的来源?（CO2）O2的来源?（H2O）光合作用的本质?（氧化还原反应）挖掘光合作用的潜力?超级稻、高光效能源植物 袁隆平院士、匡廷云院士,CO2+2H2O*,光,(CH2O)+O2*+H2O,叶绿体,氧化剂,还原剂,光合作用的意义：,把无机物变为有机物的重要途径 约合成51011t/y 有机物；同化2.01011t/y 碳素(6400t/s)。“绿色工厂”巨大的能量转换过程 将3.21021J/y的日光能转化为化学能。维持大气中O2和CO2的相对平衡 释放出5.351011t氧气/y。“环保天使”,光合作用是生物界获得食物、能量和氧气的根本途径。,光合作用是地球上最重要的化学反应。,摘自1988年诺贝尔奖金委员会宣布光合作用研究成果获奖的评语,Wilstatter(1915)纯化叶绿素并阐明其结构；Fischer(1930s Emerson-光合单位)叶绿素化学；Calvin等(1962)阐明光合碳循环；Woodward(1965)合成叶绿素分子；Mitchell(1978)ATP合成化学渗透学说；Deisenhofer等(1988)阐明光合细菌反应中心结构；Marcus(1992)生命体系（包括光合作用）的电子传递体系；Walker等(1997)ATP合酶的动态结构和反应机理；,与光合作用相关的诺贝尔奖,依赖 光合生产,人口粮食能源资源环境,因此，深入探讨光合作用的规律，揭示光合作用的机理，使之更好地为人类服务，愈加显得重要和迫切。,第2节 能量转换细胞器 叶绿体,叶片是光合作用的主要器官，叶绿体（chloroplast）是光合作用最重要的细胞器。,由双层细胞膜围成的、通常呈椭圆形的相对独立的细胞器（亚细胞单位）；内外膜之间的空隙为膜间隙；类囊体(Thylakoids)：由膜构成的囊状结构。每个类囊体的膜围成一个腔，腔内充满水和盐类；基粒类囊体（grana thylakoid,基粒片层lamella）基质类囊体（stroma thylakoid,基质片层）基质：不定型凝胶状，含丰富的酶、核酸、嗜饿体、核糖体、淀粉粒等。,叶绿体的基本结构：,叶绿素(Chlorophyll):Chl a,b类胡萝卜素(Carotenoids):胡萝卜素&叶黄素藻胆素(Phycocobilins)：藻类光合色素,第3节 光合色素（叶绿体色素）,一）叶绿素的化学结构和性质,1.卟啉环头部：4个吡咯环，其中心1个Mg与4个环上的N配位结合；带电，是发生电子跃迁和氧化还原反应的位置；呈极性，亲水，与类囊体膜上的蛋白结合。2.双羧酸尾部：一个羧基在副环(E)上以酯键与甲醇结合甲基酯化；另一个羧基（丙酸）在D环上与植醇（叶绿醇）结合 植醇基酯化；非极性，亲脂，插入类囊体膜的疏水区，起定位作用。,纯的有机溶剂不能打破叶绿体色素与蛋白质的联系，所以必须用能与水混溶的有机溶剂并有少量水存在时，才能将叶绿体色素提取出来。,80%丙酮95%乙醇丙酮:乙醇:水(4.5:4.5:1),称取新鲜去大叶脉的菠菜叶片3g，剪碎放入研钵中，加少量石英砂和碳酸镁及5ml 95乙醇，研成均浆，过滤入25ml 容量瓶，分别用5ml 95乙醇冲洗研钵3次，冲洗液同样过滤，收集滤液，倒入容量瓶中，最后用95乙醇定容至25ml，放入暗处备用。,叶绿素提取：,1）8个异戊二烯单位形成的四萜；2）两头对称排列紫罗兰酮环；3）不饱和C、H结构，疏水、亲脂。,二）类胡萝卜素的化学结构和性质,三）光合色素的吸收光谱,叶绿素：强吸收区:640-700nm（红），400-500nm（蓝紫）;不吸收区:500-600nm（呈绿）,-胡萝卜素：强吸收区:400-500（蓝紫）;不吸收区：500以上（呈黄色或红棕色）,叶绿素：类胡萝卜素 31,叶片衰老过程中或逆境下，Chl较易降解，而Caro比较稳定。,颜色 紫外 紫 蓝 绿 黄 橙 红 远红 红外波长 100 400 425 490 550 585 640 700 740(nm)400 425 490 550 585 640 700 740能量 400 290 274 230 212 196 181 166 85 高 低,三）叶绿素的荧光现象和磷光现象,光合色素分子对光能的吸收及能量的转变示意图,基态：能量的最低状态 激发态：高能、不稳定状态 物质吸收光子原子中的e重新排列分子从基态跃迁到激发态 对于Chl分子：Chl+h=Chl*Chl*处于不同激发态：吸收红光第一单线态；吸收蓝光第二单线态。第二单线态的能量第一单线态。,处于高能激发态的分子不稳定，会迅速释放能量回到基态；处于第二单线态的Chl*以热的形式释放部分能量降到第一单线态；处于第一单线态的Chl*以下列多种形式释放能量回到基态。1)释放热量 2)发出荧光（第一单线态基态）和磷光（第一三线态基态）3)诱导共振（能量从一个分子传递给另一个分子）,以诱导共振方式传递的能量用于光合作用；诱导共振仅发生在处于第一单线态的Chl回到基态的过程之中；吸收了蓝光、处于高能态的Chl先以释放热能形式回到第一单线态，然后第一单线态基态。在能量利用上蓝光没有红光高。,诱导共振：Chl1+h Chl1*Chl1*+Chl2 Chl1+Chl2*,叶绿素的荧光（反射光下）,荧光（fluorescence）：第一单线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光。荧光现象：叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色的现象。,四）叶绿素的化学性质,叶绿素是叶绿酸的酯（叶绿酸是双羧酸，其中一个羧基被甲醇酯化，另一个被叶绿醇酯化）。叶绿素可以与碱起皂化反应而生成醇（甲醇和叶绿醇）和叶绿酸的盐，产生的盐能溶于水中，用此法可将叶绿素与类胡萝卜素分开。,1）皂化反应,2）取代反应,卟啉环中的Mg处于不稳定的状态，可被H+、Cu2+、Zn2+等离子取代。叶绿素溶液与稀酸作用，Mg可以被H+所取代而成褐色的去镁叶绿素，去镁叶绿素遇Cu2+则成为深绿色的铜代叶绿素，铜代叶绿素很稳定，在光下不易破坏。常用醋酸铜处理来保存绿色植物标本。,去镁叶绿素,铜代叶绿素,五）叶绿素的生物合成,在叶绿体或前质体中合成叶绿素；高等植物中以谷氨酸和-酮戊二酸为原料，在一系列酶的作用下合成；以尿卟啉原为界，前后在厌氧和有氧条件下；原卟啉是形成叶绿素和亚铁血红素的分水岭，原卟啉与Mg结合形成Mg-原卟啉（原卟啉与Fe结合则形成亚铁血红素）；需光还原过程，但强光下会发生光氧化；Fe、Cu、Mn、Zn是叶绿素合成的酶促反应辅助因子；受遗传因子控制-,影响叶绿素形成的因素：,光：,弱光黄化现象，过强光光氧化；,温度：酶促反应的适宜温度范围：20-30；矿质元素：N和Mg是Chl 组成成分，Fe、Cu、Mn、Zn是Chl合成的酶促反应辅助因子；氧气：强光植物吸收的光能过剩氧参与Chl的光氧化；缺O2 Mg-原卟啉和Mg-原卟啉甲酯积累，不能合成Chl；水分：缺水Chl合成受阻，分解加速；内在遗传因子：低Chl突变体。,光合作用中的任何过程都需要光？光能是如何被植物转变为化学能？植物进行能量转换的场所？,第4节 光反应,原初反应,电子传递和光合磷酸化,碳同化,光合作用的大致过程：,光合作用的过程和能量转变:,光合作用的实质是将光能转变成化学能。根据能量转变的性质，将光合作用分为三个阶段：1)光能的吸收、传递和转换成电能，主要由原初反应完成；2)电能转变为活跃化学能，由电子传递和光合磷酸化完成；3)活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化完成。,光合作用中各种能量转变情况,4.1 原初反应,光合作用的第一步。光合色素分子对光能的吸收、传递和转换过程。,所有的类胡萝卜素分子、Chl b和大多数的Chl a分子；只是捕获吸收和传递光能；以诱导共振方式将能量传递到光合反应中心；没有光化学活性，不进行光化学反应；位于光合膜上的色素蛋白复合体上，与色素蛋白构成天线复合体；在天线复合体上完成光能的吸收与传递的过程。,天线色素（antenna，聚光色素）：,反应中心色素：,少数特殊状态的Chl a分子；吸收光能或接受天线色素传递来的能量后，被激发的高能e脱离其分子，转移给其它分子，发生氧化还原反应（即产生光化学反应），将光能电能。,天线色素复合体+反应中心光合单位光合单位：由250-300个叶绿素和其它天线色素分子构成的，能完成1个光量子吸收与转化的色素蛋白复合体。光合单位：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。光量子（quantum，q）：q=hv。,一）光合反应中心,反应中心色素分子(原初电子供体)：光化学反应中最先向原初电子受体供给电子的。反应中心色素分子又称原初电子供体。原初电子受体：直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传递体。次级电子受体与供体等电子传递体 维持电子传递体的微环境所必需的蛋白质,二）光化学反应,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间的氧化还原反应。,h D P A D P*A D P+A-D+P A-,D(donar)：次级电子供体P(pigment)：反应中 心色素分子（原初电子供体）A(acceptor):原初电子受体,量子产额,吸收光谱,三）PS和PS的光化学反应,Emerson红降现象：,用不同波长的光照射绿藻，研究其光合效率。当吸收波长大于680nm(远红光)时，量子产额出现急剧下降的现象，称为红降现象。量子产额：吸收1个光量子放出的O2或固定CO2数目。,Emerson双光增益效应：,用红光(680nm)同时照射绿藻时，光合速率远远高于两种光单独照射时的光合速率之和。,1+1 2推论存在着两个光化学反应中心。,类囊体膜上串联着的光反应中心,1961，Duysens(荷兰)提出双光系统概念：PS(photosystem)，吸收波长690nm的远红光；PSII和PSI共同参与光合反应。,h h-e e e PS II PS I-,现已从叶绿体的片层类囊体膜结构中分离出PS和PS两个光系统，均为色素蛋白复合体；PS反应中心色素（P680）吸收红光（680nm）；PS反应中心色素（P700）吸收远红光（700nm）；（LHC：捕光复合体；OEC：放氧复合体）,PS的原初反应：P700A0 h P700*0 P700A0 PS的原初反应：P680Pheo h P680*Pheo P680+Pheo-,在原初反应中，受光激发的反应中心色素分子发射出高能电子，完成了光能电能转变，随后高能电子将沿着光合电子传递链进一步传递。,PS的原初电子受体是叶绿素分子(A0)，PS的原初电子受体是去镁叶绿素分子(Pheo)。,4.2 电子传递和光合磷酸化,P680和P700被光激发后，其电子经过光合链上的若干电子传递体（供体和受体）进行传递，伴随发生H2O的光解和NADPH的生成，并通过光合磷酸化形成ATP，将电能活跃的化学能。,一）光合链,指定位在光合膜上的，由多个电子传递体组成的电子传递的总轨道。,较为公认的是：“Z”方案 由希尔(1960)等人提出并经后人修正与补充。电子传递是在两个光系统串联配合下完成的，电子传递体按氧化还原电位高低排列。电子传递链呈侧写的“Z”形。,1)电子传递链主要由光合膜上的PS、Cyt bf、PS三个复合体串联组成。2)电子传递有二处逆电势梯度，即P680至P680*，P700至P700*，逆电势梯度的电子传递均由聚光色素复合体吸收光能后推动，而其余电子传递都是顺电势梯度的。3)水的氧化与PS电子传递有关，NADP+的还原与PS电子传递有关。电子最终供体为水，水氧化时，向PS传交4个电子，使2H2O产生1个O2和4个H+。电子的最终受体为NADP+。4)PQ是双电子双H+传递体，它伴随电子传递，把H+从类囊体膜外带至膜内，连同水分解产生的H+一起建立类囊体内外的H+电化学势差。5)PC通过本身的扩散移动把Cyt b6f的电子传给PS。,“Z”方案特点：,PS PQ Cytochrome PC PS(质体醌)(细胞色素)(质蓝素)传递e 接受光能 H穿梭 氧化H2O 还原NADP；,光合链上的5大电子传递体：,二）电子传递,1.PS中的电子传递与水的氧化,2.PQ(质体醌)穿梭,3.Cyt b6f复合体中e传递,4.PC传递e给PSI,5.PSI中的e传递,1.PS中的电子传递与水的氧化,基质,类囊体腔,P680被光能激发，成为P680*(原初反应)；Pheo：去镁叶绿素，PS的原初电子受体；MSP：锰稳定蛋白，与Mn、Ca2+、Cl-一起参与放氧，构成放氧复合体(OEC)。放氧复合体:在PS靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的释放。,PS,2AH2+O2,水的光解和放氧,希尔（1937年）：将离体的叶绿素加到具有氢受体（A）的水溶液中，照光后即发生水的分解而放出氧气。希尔反应,2H2O+2A,光,叶绿体,每释放1个O2需要从2个H2O中移去 4 个 e，同时形成 4 个 H。,放氧复合体(OEC),水裂解放氧的水氧化钟(water oxidizing clock，Kok钟模型）,2H2O O2+4H+4e,放氧复合体（OEC）在每次闪光后可以积累一个正电荷，将S状态向前推进一步，直至S4积累4个正电荷，才一次用于2H2O的氧化；S4从2个H2O中获取4个e-，回到S0。,PS中的电子传递：,基质,类囊体腔,PS,Z：D1蛋白的酪氨酸残基,2.PQ(质体醌)穿梭,类囊体膜,类囊体腔,PQ接受PSII中QB传来的1个e的同时，从基质中接受2个H+；PQH2将e传递给Cyt b6f的同时，将2个H+释放到类囊体腔中。,PQH2传递e给Cyt b6f中的Fe-S蛋白和Cyt b6，再传给Cyt f，最后e流出Cyt b6f 复合体，传递给含Cu的蛋白PC（质体蓝素）。,3.Cyt b6f复合体中e传递,4.PC传递e给PSI,PC通过本身的扩散移动把Cyt b6f的电子传给PS。,P700被光能激发，成为P700*(原初反应)，e按下列顺序传递：PC P700*A0 A1 4Fe-4S Fd NADP+NADPH,5.PSI中的e传递,催化NADPH形成的酶为FNR（铁氧还蛋白NADP+还原酶），最终将一部分能量贮存于NADPH。NADPH 进入基质。,PSI,(叶醌),光、P680和P700的作用；e 传递链的构成；最终e供体(FNR)和受体(NADP+)；H跨膜梯度的形成,电子传递小结（非循环式电子传递途径)：,e传递到Fd之后，不传到NADP，而是回传给PQ，再循环传递。作用：增加PQ穿梭形成H跨膜梯度。,循环式电子传递途径：,假循环式电子传递途径,水光解放出的电子经PS和PS两个光系统，最终不是传递给NADP+而是传给O2；强光下、NADP+供应不足时。,三）光合磷酸化,伴随着光反应中e传递，利用类囊体腔中形成的H梯度为动力，类囊体膜上的ATP合酶(ATPase)将ADP和无机磷合成ATP的过程。,基质,叶绿体ATPase模型:,多亚基，CF0插入类囊体，CF1位于基质一侧。,菠菜叶绿体ATPase的电镜照片,1.光合磷酸化的机制：,Mitchell(1961)化学渗透学说(1978,Nobel Prize)：,强调：伴随光合电子传递链的电子传递，类囊体膜内外两侧产生质子动力，并由质子动力推动ATP的合成。质子动力：类囊体膜内H+浓度高，膜外H+浓度低，则膜内外产生电势差和质子浓度差，二者合称为质子动力。,类囊体腔,基质,H+沿着浓度梯度返回类囊体膜外时，在ATP酶催化下，ADP和Pi脱水合成ATP。,类囊体腔,基质,类囊体膜,ATPase,在ATP形成过程中，与ATP合酶的3个亚基各具一定的构象，分别称为紧绷(tight)、松驰(loose)和开放(open)，各自对应于底物结合、产物形成和产物释放的三个过程(见图)。,ATP合成的结合转化机制-亚基的转动引起亚基的构象依紧绷(T)、松驰(L)和开放(O)的顺序变化，完成ADP和Pi的结合、ATP的形成以及ATP的释放三个过程。,另一解释跨膜的质子驱动力被用于合成ATP的假说。,Boyer（1993）蛋白质构型变化学说：,类囊体膜上光合电子传递链排列示意图,2.电子传递与光合磷酸化的抑制剂：,1）电子传递抑制剂,抑制光合电子传递的试剂。如：敌草隆（DCMU）、溴百里香醌（DBMIB）、百草枯（Paraquat）、阿特拉津(atrazine)、西玛津(simazine)等。,2）解偶联剂：,解除磷酸化反应与电子传递之间偶联的试剂。如：DNP(二硝基酚)、CCCP(羰基氰-3-氯苯腙)、尼日利亚菌素、NH4+等）。,3）能量传递抑制剂：,直接抑制ATP酶的磷酸化作用的试剂。如：二环己基碳二亚胺(DCCD)、对氯汞基苯(PCMB)作用于ATPase 的CF1，寡霉素作用于CF0。,总结（第4节 光反应）：通过电子传递，电能活跃的化学能，释放在基质中的ATP&NADPH被用于碳同化。,第5节 光合碳同化（CO2 assimilation）,光反应,暗反应,以光反应中形成的NADPH和ATP作为能量，将CO2同化为碳水化合物的过程。,CO2同化过程发生部位：叶绿体基质,根据碳同化过程中最初产物所含碳原子的数目以及碳代谢的特点，将碳同化途径分为三类：C3途径；C4途径；CAM(景天科酸代谢)途径。,5.1 C3途径（Calvin cycle）,卡尔文循环还原戊糖磷酸途径（reductive pentose phosphate cycle，RPPC）,CO2被同化后的第一个产物为3个C原子（3-磷酸甘油酸，3-PGA）。卡尔文循环独具合成淀粉等光合产物的能力，是所有植物光合碳同化的基本途径。只以C3途径同化CO2的植物统称为C3植物（水稻、小麦、大豆、芥菜等温带植物及木本植物）。,单细胞藻类14CO2饲喂照光从数秒到几十分钟不等在沸腾的酒精中杀死材料终止反应用纸层析技术分离同位素标记物以标记物出现的先后顺序来确定CO2同化的每一步骤。,Calvin仪器美国加州大学M.Calvin：14CO2，绿藻。1961 Nobel Prize,书P161,5.1.1 C3途径的反应步骤,整个循环如图所示，由核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）开始至RuBP再生结束，共有13步反应，均在叶绿体基质中进行。全过程分为羧化、还原、再生3个阶段。,光合碳还原循环,羧化,还原,再生,一）羧化阶段：,催化酶：核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)此步反应自动进行，无需能量。,核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）与CO2结合，产生3-磷酸甘油酸（3-PGA）。,二）还原阶段（贮能过程）：,3-PGA利用ATP能量，磷酸化为1,3-二磷酸甘油酸(1,3-BPGA)1,3-BPGA被NADPH还原为3-磷酸甘油醛(GAP)。,至此，光反应生成的NADP和ATP被作为同化力而被利用。,三）更新阶段：,GAP经过一系列转变，一部分转变为淀粉或蔗糖，另一部分重新形成RuBP的过程。,5GAP+3ATP+2H2O,3RuBP+3ADP+2Pi+3H+,C3 途径概括,C3途径的总反应式:,3CO2+5H2O+9ATP+6NADPHGAP+9ADP+8Pi+6NADP+3H+,每同化1个CO2需要消耗3个ATP和2个NADPH，还原3个CO2可输出1个磷酸丙糖(GAP或DHAP)固定6个CO2可形成1个磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖或参与其它反应；形成的磷酸己糖则留在叶绿体中转化成淀粉而被临时贮藏。,5.1.2 C3途径的调节,C3途径的关键酶：RuBP羧化酶(限速酶)/Rubisco8个大亚基(蓝色和绿色，56kDa)，由1个叶绿体基因（rbcL）编码，每2个亚基由Mg2+连接成组；8个小亚基(红色，14kDa)，由多个核基因编码；其催化活性要依靠大、小亚基的共同存在才能实现。Rubisco约占叶绿体可溶性蛋白的50%，因此它也是自然界中最丰富的蛋白质。,1.自动催化调节,植物存在自动调节RuBP浓度的机制：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的增生，以加快CO2固定速率，待光合碳还原循环到达“稳态”时，形成的磷酸丙糖再输出。,将暗适应的叶片移至光下，最初光合速率很低，需要经过一段“滞后期”（20min）才能达到最大稳态光合速率。,C3途径的自(动)催化作用示意15个RuBP固定15个CO2，可再生18个RuBP，即产生3个额外RuBP(实线)，当到达”稳态”时产生5个TP(磷酸丙糖)输出(虚线)。,光除了通过光反应对CO2同化提供同化力外，还调节着光合酶的活性。光下酶活性提高，暗中活性降低或丧失。,(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)；(2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)(3)NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)(6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase)(9)景天庚酮糖1,7-二磷酸(酯)酶(SBPase)(14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK),2.光对酶活性的调节,光对RuBP羧化酶活性的调节：,光驱动的电子传递使H+向类囊体腔转移，Mg2+则从类囊体腔转移至基质，引起叶绿体基质的pH从7上升到8，Mg2+浓度增加。较高的pH与Mg2+浓度使RuBP羧化酶活化。,磷酸丙糖通过叶绿体膜上的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。磷酸丙糖在细胞质中被用于合成蔗糖，同时释放Pi。如果蔗糖的外运受阻，或利用减慢，则其合成速度降低，随之Pi的释放减少，而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光合碳还原环的正常运转。,3.光合产物输出调节,5.2 C4途径,C4二羧酸途径（C4 dicarboxylate cycle）C4光合碳同化循环（photosynthetic carbon assimilation cycle，PCA循环）Hatch-Slack 途径（澳大利亚M D Hatch&C R Slack）,CO2被同化后的第一个产物为C4二羧酸（草酰乙酸）。以C4途径同化CO2的植物统称为C4植物（玉米、高粱、甘蔗、热带牧草等起源于热带、亚热带的适宜高光强、高温和干燥条件的植物）。,C4植物,高梁,甘蔗,粟，“谷子”,苋菜,玉米,2类光合细胞：叶肉细胞（mesophyll cell,MC）&维管束鞘细胞（boundle sheath cell,BSC）BSC排列紧密；富含叶绿体；外围环列叶肉细胞；丰富的胞间连丝连接叶肉细胞与BSC。,C4植物叶片结构,叶片具有花环解剖结构特点,C4植物两类光合细胞中叶绿体的差异：,叶肉细胞（MC）：无RuBP羧化酶等C3循环中的酶类；富含磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)维管束鞘细胞（BSC）：无基粒类囊体（无电子传递链）,BSC,MC,羧化反应 在叶肉细胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸(OAA)；还原或转氨作用 OAA被还原为苹果酸(Mal)，或经转氨作用形成天冬氨酸(Asp)；脱羧反应 C4酸通过胞间连丝移动到BSC，在BSC中释放CO2，CO2由C3 途径同化；底物再生 脱羧形成的C3酸(丙酮酸，Pyr)从BSC运回叶肉细胞并再生出CO2受体PEP。,C4 植物光合碳代谢的基本反应 PEPC:PEP羧化酶;PPDK:丙酮酸磷酸二激酶,5.2.1 C4途径的反应步骤,再生,羧化,脱羧,PEP,5.2.2 C4植物光合碳同化途径的三种亚类型,1)NADP苹果酸酶（NADP-ME）型2)NAD苹果酸酶（NAD-ME）型3)PEP羧化激酶（PEP-CK）型,根据运入维管束鞘细胞的C4二羧酸的类型和催化脱羧反应的酶的不同，把C4途径分为3种类型：,(1)NADP-ME型 在BSC的叶绿体内苹果酸脱羧生成丙酮酸(Pyr)并释放CO2，反应由NADP苹果酸酶催化。(2)NAD-ME型 天冬氨酸经天冬氨酸转氨酶作用下转氨基形成OAA，再经NAD-苹果酸脱氢酶作用下生成苹果酸，然后在NAD-苹果酸酶催化下脱羧生成丙酮酸并释放CO2，这些过程都在BSC的线粒体中进行的。(3)PCK型 天冬氨酸经天冬氨酸转氨酶作用变成草酰乙酸，然后再在PEP羧激酶的催化下变为PEP并释放CO2。上述三类反应脱羧释放的CO2都进入BSC的叶绿体中，由C3途径同化。,图23 C4途径的三种类型及其代表植物名称PEPC；丙酮酸磷酸二激酶；NADP苹果酸脱氢酶；天冬氨酸氨基转移酶；丙氨酸氨基转移酶；NAD苹果酸脱氢酶,NADP苹果酸酶类型,NAD苹果酸酶类型,PEP羧化激酶类型,C4二羧酸脱羧释放CO2，使BSC内CO2浓度可比空气中高出20倍左右，所以C4途径中的脱羧起“CO2泵”作用。C4植物这种浓缩CO2的效应，能抑制光呼吸，使CO2同化速率提高。,5.2.3 C4途径的意义,在高温、强光、干旱和低CO2条件下，C植物显示出高的光合效率。C4植物具较高光合速率的因素有 1）C4植物的叶肉细胞中的PEPC对底物HCO3的亲和力极高，细胞中的HCO3浓度一般不成为PEPC固定CO2的限制因素；2）C4植物由于有“CO2泵”浓缩CO2的机制，使得BSC中有高浓度的CO2，从而促进Rubisco的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定；3）高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足C4植物PCA循环对ATP的额外需求；4）鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。,但是C4植物同化CO2消耗的能量比C植物多，也可以说这个“CO2泵”是要由ATP来开动的，故在光强及温度较低的情况下，其光合效率还低于C植物。可见，C4途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应方式。,5.2.4 C4途径的调控,1)光 磷酸化 酶（如PEPCase、NADP-苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸双激酶等）活化；黑暗 去磷酸化 酶钝化。2)C4途径中的部分代谢产物（如苹果酸、天冬氨酸）抑制PEP羧化酶活性；部分代谢产物（如PEP、G6P）增强 PEP羧化酶活性。3)器官、叶龄、叶片位置、营养状况等。,参与C4途径的酶活性水平的调节：,5.3 景天科酸代谢途径（CAM pathway）,干旱地区的肉质植物：叶片厚，液泡大白天：高温干旱，气孔关闭；夜间：温度下降，湿度增加，气孔开放。,该机制首先发现于景天科植物；已发现在26科（仙人掌科、兰科、百合科、凤梨科等）几百种被子植物和一些蕨类中存在CAM途径。,凤梨,兰花,百合,剑麻,芦荟,落地生根,龙舌兰,绯牡丹,宝绿,昙花,多肉质植物,鸡冠掌,红司,锦晃星,静夜,CAM植物-瓦松属,瓦松属1,夜间，CO2进入叶肉细胞，形成HCO3，在PEPC催化下与PEP结合成OAA，进一步被还原成苹果酸；苹果酸进入液泡积累；(苹果酸0.3 M,保水)(pH4)白天，苹果酸运出液泡，在细胞质中脱羧释放CO2，CO2进入叶绿体参加C3途径同化为糖、淀粉等。,CAM的CO2固定途径类似于C4途径,C4与CAM植物的比较,共同点：具有两套羧化固定CO2的系统,均有2次固定CO2的过程；PEP的羧化只起临时固定或浓缩CO2的作用，最终同化CO2均通过C3途径。,不同点:C4植物：CO2的2次固定在空间上被隔开；即在同一时间，不同的细胞中进行。CAM植物：CO2的2次固定在时间上被隔开；即在同一细胞，不同的时间进行。具有极高的节水效率。,小结：,C、C、CAM植物的特性比较,C植物，C植物和CAM植物的光合作用与生理生态特性有较大的差异。,小结：,C、C、CAM植物的相互关系,C植物和CAM植物是从C植物进化而来的。C途径是光合碳代谢的基本途径。C途径、CAM途径以及光呼吸途径只是对C途径的补充。由于长期受环境的影响，使得在同一科属内甚至在同一植物中可以具有不同的光合碳同化途径。总之，不同碳代谢类型之间的划分不是绝对的，它们在一定条件下可互相转化，这也反映了植物光合碳代谢途径的多样性、复杂性以及在进化过程中植物表现出的对生态环境的适应性。,5.4 光合作用的产物,Calvin循环中形成的代谢物能够用于合成一系列的化合物，如：polysaccharides（多糖）,amino acids,fatty acids.淀粉、氨基酸、脂质等在叶绿体中合成；蔗糖在细胞质中合成；还有的在过氧化体中合成，e.g,glycine（甘氨酸)TP（triose phosphate)通过叶绿体被膜上的磷酸转运器运出至细胞质中，合成蔗糖。,蔗糖和淀粉合成的调节：,光酶活性：1）光光合磷酸化（ADP+PiATP），PiADPG焦磷酸化酶活性 2）光C3循环TPADPG焦磷酸化酶活性 3）光蔗糖磷酸合酶，促进蔗糖合成代谢物酶活性：1）F-2,6-P2抑制F-2,6-P2 磷酸酶活性 F-1,6-P2含量增加蔗糖合成增加；2）细胞质中TP/Pi比值高时，促进蔗糖合成。,5.5 光呼吸(Photorespiration),绿色植物在光照下吸收O2，放出CO2的过程。,光呼吸碳氧化循环（photorespiratory carbon oxidation cycle,PCO cycle)；乙醇酸循环、C2循环,1920年，瓦伯格在用小球藻做实验时发现，O2对光合作用有抑制作用，这种现象被称为瓦伯格效应(Warburg effect)。这实际上是氧促进光呼吸的缘故。,5.5.1 光呼吸的基本过程,光呼吸的主要反应：2分子的乙醇酸从叶绿体转入过氧化体形成乙醛酸，乙醛酸转氨生成甘氨酸；2分子甘氨酸转入线粒体后，转变为1分子丝氨酸，同时释放CO2。丝氨酸转回到过氧化体转化成羟基丙酮酸，进而转化为甘油酸；甘油酸再回到叶绿体后，磷酸化形成3-磷酸甘油酸（PGA），进入卡尔文循环，再生RuBP。乙醇酸的产生以RuBP为底物，催化酶为Rubisco。,Rubisco,叶绿体,过氧化物体,线粒体,Rubisco（RuBP加氧酶）,叶绿体,过氧化物体,线粒体,在叶绿体、过氧化物体、线粒体三种细胞器中协同进行；在叶绿体中，Rubisco催化2分子RuBP氧化，消耗ATP；过氧化物体中再次吸收O2，消耗NADH；在线粒体中释放CO2。,人为 CO2=O2 条件，羧化活性80倍加氧活性；大气 CO2 0.0035（即350ppm,或350mol.mol-1），大气 O2 21%；叶片中O2低于大气CO2，25下，叶片羧化活性2-4倍于加氧活性。,RuBP carboxylase oxigenase(Rubisco)，RuBP羧化酶/加氧酶(Ogren等)：Rubisco自身不能区分CO2和O2，CO2和O2竞争结合酶的同一结合位点，CO2/O2 决定酶催化的方向：,植物在高温、高光强、高氧、低CO2下，易发生光呼吸。,5.5.2 光呼吸的意义,能量上的浪费：耗ATP和高能电子；物质上的浪费：丢失C素（每一次C2循环中，2分子乙醇酸放出1分子CO2，碳素损失1/4）；基因改造C3植物、降低光呼吸可增加产量。,进化的结果？保护作用？意义？1)消耗NADPH，保护叶绿体；2)消耗乙醇酸，减轻毒害；3)维持C3途径的运转；4)促进绿色细胞氮代谢（C2中产生Gly、Ser等氨基酸）。,光合速率（photosynthetic rate）:单位时间、单位叶片面积上吸收CO2的量。（mgm-2h-1,molm-2s-1)表观光合速率（Pn,净光合速率，测定值*）：真正光合速率(Pg)呼吸速率(R)便携式光合气体分析仪(如:LI-6400,Li-Cor Inc,Lincoln NE,USA)光合生产率（净同化率，NAR）：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。（gm-2d-1),第6节 影响光合作用的因素,LI-6400光合仪,影响光合作用的内部因素:,影响光合作用的外部因素：,光（光强、光质、照光时间）CO2 温度 水分 矿质营养 光合作用的日变化,叶片结构 叶龄 光合产物的输出与积累,1.光照,光强光合曲线,弱光阶段的光响应曲线的斜率即为表观量子效率。曲线的斜率越大，表明植物吸收与转换光能的色素蛋白复合体可能越多，利用弱光的能力越强。实测的表观量子效率一般在0.030.05 mol.m-2.s-1之间,光强,光强光合曲线,光补偿点：CO2吸收量等于CO2释放量时（Pn=0）的光照强度。光饱和点：光合速率随光照强度的增加而递增，当光合速率达到恒定、不再增加时的光强。,光补偿点：CO2吸收量等于CO2释放量时（Pn=0）的光照强度。标志植物对光照强度的最低要求，反映植物利用弱光的能力。如：棉花(1000-1500lux)；水稻(600-700lux)；大豆(500lux)。光饱和点：光合速率随光照强度的增加而递增，当光合速率达到恒定、不 再增加时的光强。反映植物利用强光的能力。如：阳生植物：玉米、高粱(100,000lux);稻麦(30,000-50,000lux);大豆(25,000lux)。阴生植物：人参、三七、姜、兰：10,000lux。,C3和C4植物光合速率比较,C4植物的光饱和点高于C3植物。,光饱和点,光补偿点,2.CO2,达到光饱和点前，光合速率主要受光强制约；达到光饱和点后，CO2扩散和固定速率则是主要限制因素。在高CO2浓度下，光反应能力成为限制因素。,CO2光合曲线,低CO2阶段的CO2响应曲线的斜率即为羧化效率（CE）。CE值大，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。,CO2饱和点,CO2补偿点,C3和C4植物光合速率比较,C4植物的CO2补偿点和CO2饱和点均比C3植物低。,CO2补偿点：反映植物利用低CO2的能力。空气中需保持一定的CO2浓度。C3植物：50ppm;C4植物：2-5ppm（大气CO2浓度：330pm）CO2饱和点：反映植物利用高CO2的能力。光照充足（11000ppm）时，CO2饱和点达1200ppm，因此，CO2常为光合作用的限制因子。（温室栽培的优点-）,C3与C4植物部分生理特性比较：,C4植物BSC中的CO2/O2叶肉细胞中的。几乎无光呼吸,C4植物具有浓缩CO2及抑制光呼吸的机制,PEPcase,对CO2的亲和力：PEPcase Rubisco,3.温 度,最低温度：-7 7 最适温度：10 45最高温度：30 60,光合作用的温度的三基点：在自然大气CO2浓度和光饱和条件下确定因植物种类不同而异（木本-草本；CAM-C3-C4；阴生-阳生）,大 气 温 度 对C3 和C4 植 物 同 化CO2 的 影 响,与C3植物相比，C4植物更适宜于高温、干旱条件。,C3植物：气孔开度小，进入叶肉细胞的CO2变少，CO2在细胞质中的溶解度降低，即CO2/O2低，Rubisco加氧酶活性增强，即光呼吸高。,C4植物：叶肉细胞PEPcase对CO2的亲和力极高；在维管束鞘细胞中CO2被浓缩，Rubisco羧化酶活性强，加氧酶活性弱，即光呼吸低；,在高温干旱条件下：,4.水分,水为光合作用的原料之一（但是用于光合作用的水不到蒸腾失水的1%）水分亏缺光合作用降低：气孔关闭（气孔导度、叶内中CO2）光合面积减少（叶片生长）光合机构受损（电子传递、同化力、叶绿体变形）光合产物输出减慢（淀粉水解、反馈抑制）土壤水分过多时：通气不良，根系活力下降间接影响光合；雨淋叶片，遮挡气孔，影响气体交换；叶肉细胞处于低渗状态 光合速率降低。,5.矿质营养,N、P、S、Mg：叶绿素的构成、蛋白质、核酸以及片层膜的成分；Cu、Fe：电子传递体的重要成分；Mn和Cl：光合放氧的必需因子；磷酸基团：构成同化力ATP和NADPH以及光合碳循环中所有的中间产物，合成淀粉的前体ADPG，合成蔗糖的前体UDPG的重要