把C_4植物称作“高光效植物”是否妥当?

在本世纪五十年代末至六十年代初发现高等植物的光呼吸现象后不久,又了解到,高等植物对CO_2的固定并非只有卡尔文循环一条途径。根据光合作用碳素同化的最初产物,可把高等植物大体区分为三个类群,即C_3植物、C_4植物和CAM植物。基于C_4植物和C_3植物在饱和光强度下的光合强度,以及CO_2补偿点、光呼吸强度,蒸腾系数、饱和光强度、光合作用最适温度范围等方面的差别,有不少人把C_4植物称为高光效植物,把C_3植物称为低光效植     

C_4作物电子传递速率对CO_2响应模型的构建及应用

准确估算光合电子流对CO_2响应的变化趋势对深入了解光合过程具有重要意义。该研究在植物光合作用对CO_2响应新模型(模型I)的基础上构建了电子传递速率(J)对CO_2的响应模型(模型II),并对用LI-6400-40便携式光合仪测量的玉米(Zea mays)和千穗谷(Amaranthus hypochondriacus)的数据进行了拟合。结果表明,模型II可以很好地拟合玉米和千穗谷叶片J对CO_2浓度的响应曲线(J-Ca曲线),得到玉米和千穗谷的最大电子传递速率分别为262.41和393.07mmol·m~(-2)·s~(-1),与估算值相符合。在此基础上,对光合电子流分配到其他路径进行了探讨。结果显示, 380mmol·mol-1 CO_2浓度下玉米和千穗谷碳同化所需的电子流为247.92和285.16mmol·m~(-2)·s~(-1),分配到其他途径的光合电子流为14.49和107.91mmol·m~(-2)·s~(-1) (考虑植物CO_2的回收利用)。比较两种植物的其他途径光合电子流分配值发现,两者相差6倍之多。分析认为这与千穗谷和玉米的催化脱羧反应酶种类以及脱羧反应发生的部位不同密切相关。该发现为人们研究C_4植物中烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸苹果酸酶型和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸苹果酸酶型两种亚型之间的差异提供了一个新的视角。此外,构建的电子传递速率对CO_2的响应模型为人们研究C_4植物的光合电子流的变化规律提供了一个可供选择的数学工具。     

如何快速鉴别C3与C4植物

在农业实践和科学研究中经常需要知道某种植物是C_3植物还是C_4植物,例如在干旱少雨的地区种植C_4作物就易获得较高的产量;用甲醇喷洒植物能使植物增产,但这种技术只适用于C_3植物而不适用于C_4植物等。从理论上讲,C_3植物光合作用固定CO_2的最初产物是三碳的3—磷酸甘油酸,C_4植物光合作用固定CO_2的最初产物是四碳的苹果酸或天冬氨酸。我们在研究农田杂草光合碳同化途径时,摸索了一些快速区分C_3植物与C_4植物的经验,介绍如下。 从植物进化方面区分 我们知道,C_3植物较原始,C_4植物较进化,实际上较原始的蕨类植物和裸子植物就没有C_4植物,只有较进化     

C_3和C_4植物的氮素利用机制

提高植物的氮素利用效率(NUE)不仅有利于保障全球粮食安全,也是实现农业可持续发展的重要途径。近半个世纪以来,植物氮素利用机理研究已取得重要进展,但NUE的调控机制仍不明确, NUE的提高仍然十分有限。高等植物集光合碳素同化和氮素同化于一体,只有碳氮代谢相互协调,才能维持植物体内的碳氮平衡,保证植物正常生长发育。由于C_3和C_4植物的光合氮素利用率(PNUE)存在差异,对氮素的利用效率也会存在差异。为了更有效地提高作物的NUE,须更全面地了解C_3和C_4植物对氮素吸收、转运、同化和信号转导等关键因子的功能和调控机制。此外,面对大气CO_2浓度增高和全球气候变暖条件下的植物碳氮同化及其机理的研究也不容忽视。该文综述了C_3和C_4植物氮素利用关键因素的差异及其调控机制,并对提高C_3禾本科作物氮素利用效率的遗传改良途径进行了展望。     

大米草、高粱叶片内双磷酸核酮糖(RuBP)羧化酶的免疫荧光定位

C_4植物在叶解剖结构上,它的维管束鞘细胞内有叶绿体,这些细胞围绕着维管束排列成独特的“花环形”(Leatsch 1974)。这种特殊的形态结构与C_4植物具有高光合强度密切相关。 RuBP羧化酶是绿色植物同化大气中CO_2的关键酶。在C_4植物(玉米)叶切片中,该酶集中在维管     

CO2浓度倍增对几种植物叶片的叶绿素蛋白质复合物的影响

研究了CO_2浓度倍增对大豆(Glycine max L.,C_3植物)、黄瓜(Cucumis sativus L.,C_3植物)、谷子(Setaria italica (L.) Beauv.,一种不很典型的C_4植物)和玉米(Zea mays L.,C_4植物)叶片的叶绿素蛋白质复合物的影响。实验植物盆栽于聚乙烯薄膜(或玻璃)的开顶式培养室中。播种后对照室的CO_2浓度立即保持在大气浓度(350±10)×10~(-6)中,CO_2浓度倍增处理室则保持在(700±10)×10~(-6)下。研究结果表明,对于大豆、黄瓜和谷子,CO_2浓度倍增均使其PSⅡ捕光叶绿素a/b-蛋白质复合物(LHCⅡ)的聚合体态的量增多,单体态的量减少。但C_4植物玉米对CO_2浓度倍增没有这样的反应。作者认为在大豆等植物中,LHCⅡ的上述状态变化可能是植物的光合机构对长期高CO_2浓度的一种适应效应,这样能提高光合作用中光能的吸收、传递和转换的效率,并支持高效的光合碳素同化作用。     

谷子生长过程中光合特性的变化

谷子是C_4植物,但叶片中核酮糖1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase,E.C.4.1.1.39)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEP Case,E.C.4.1.1.31)的活性变化,CO_2补偿点的变化与叶位和叶龄有关。其初生叶和衰老叶并不表现典型的C_4特征,与成熟叶比较,RuBP Case活性和CO_2补偿点都相对较高,而且,也存在着结构上的差别。本实验结果表明所测植物在生长过程中存在着光合特性的变化。     

土三七(Sedum aizoon)光合作用的季节转变和CAM的诱导

土三七的CO_3交换曲线在六月中旬以前呈C_3型的“方波”形,白天能大量吸收CO_2,夜间有CO_2放出,含酸量无显著的昼夜波动。夏季的其余时间,夜间有净的CO_2吸收(阶段Ⅰ),早晨有CO_2吸收峰(阶段Ⅱ),随后有光下的脱羧作用(阶段Ⅲ),并有明显的昼夜酸波动,呈CAM型,但无阶段Ⅳ。CAM季节出现前,水分胁迫可使成年叶子转变为CAM型,所需时间2～6天,再经浇灌(5 h)可恢复到原来的C_3型,表明诱导的CAM是可逆的。     

Flaveria属C_4种和C_3-C_4中间型种杂交一代的CO_2交换特性

用Flaveria属不同的C_4种和C_3-C_4中间型种杂交,鉴定了杂种F_1 C_4光合CO_2的交换特性。结果表明:F.brownii(C_4)和F.floridana(C_3-C_4)正反交F_1表观光合强度在两亲值之间,有的植株偏向C_4亲本,有的偏向C_3-C_4亲本。利用这种偏向分布可从F_1中选出高光合能力的材料。从F.palmeri(C_4)和F.pubescens(C_3-C_4);F.brownii(C_4)和F.floridana(C_3-C_4);F.palmeri(C_4)和F.floridana(C_3-C_4);F.trineroia(C_4)和F.anomala(C_3-C_4)的正反交,可以看出:用C_4作父本,杂种F_1具有类似C_4种的耐高温的光合特性。从O_2抑光合反应看,F_1接近中亲值,稍偏向C_3-C_4亲本。CO_2补偿点却与C_4亲本相似,不因正反交而发生偏向分布。通过遗传操作,有可能将C_4光合特性传递给C_2植物。     

C_3-C_4中间植物

C_3—C_4中间植物是在解剖和生理生化方面(特别是光呼吸)介于C_3和C_4植物之间的一种植物类型。这类植物中一部分接近C_3植物,可将光呼吸放出的CO_2再固定,从而降低光呼吸;另一些则以C_3途径为主,而C_4途径同时起作用,从而降低光呼吸。C_3—C_4中间植物为研究C_4植物的进化和光呼吸如何降低提供了实验系统。     

光合作用的C_3、C_4途径及其调节(续)

三、C~4途径及其调节 1.C_4途径 C_4植物的光合碳代谢除C_3途径外还有C_4途径,二条途径是紧密联系的(图9)。C_4植物的光合作用碳同化包括三个主要步骤:(1)在叶肉细胞内发     

C_4途径的发现及其生物学意义

C_4途径是继卡尔文发现C_3途径后,发现的一种固定CO_2的新途径。C_4途径的发现经历了最初发现、证实和揭示的过程,在植物细胞学、分类学、生态学、植物演化和CAM植物研究等方面都具有重要意义。     

光下无CO_2气体处理对叶片光合强度的影响

小麦等C_3植物的叶片在光下经无CO_2或低CO_2气体处理后,通入高CO_2气体,光合强度出现“升、降、升”的波动,而玉米等C_4植物无此现象。不同植物的光合波动幅度不同。强光、高CO_2、低O_2等能缩短第一次光合上升时间,增大光合下降幅度;而低CO_2、高O_2等则减少光合下降幅度。此现象与RuBP及ATP的含量变化有关。     

光呼吸研究进展——Ⅰ.光呼吸和氮代谢的关系与光呼吸的生理功能

光呼吸乙醇酸途径的阐明,使人们对光合碳途径的认识前进了一步。从现知的乙醇酸途径来看,它似乎是一个损耗光合固定的碳素和能量的过程。据推算,在正常的大气条件下(此时 RuDP 羧化酶和加氧酶活性比例为4:1),由乙醇酸途径放出的C0_2占光合固定的 CO_2 14％。实测的结果表明,C_3植物光呼吸放CO_2可达净光合所固定的CO_2的14—75％。因此人们曾设想,若用某些     

兼性景天酸代谢植物CO2气体交换模式的环境调节

长药景天(Sedum speciubile)、土三七(S aizoon)及露花(Mesembryanihemum cord-ifolium)等三种兼性景天酸代谢(CAM)植物的CAM型植株,在阴天能全天吸收CO_2,无第Ⅲ阶段,与其在晴天的CO_2交换模式明显不同:而大叶伽蓝菜(Kalanchoe daigremontiana)、瓦松(Orostachys fimbriatus)及落地生根(Bryophyllum pinnatum)等三种专一性CAM植物,在阴天的气体交换模式仍有第Ⅲ阶段。说明在阴天能全天持续吸收CO_2的气体交换模式,只有兼性CAM植物具有。兼性CAM植物在阴天和晴天的气体交换模式间出现的差异,温度起着主导的作用。高温可加速苹果酸脱羧,温度对气体交换模式的影响即主要是通过影响脱羧速率实现的。专一性CAM植物由于晚上积累的苹果酸较多,使它们在阴天气温较低的条件下脱羧也较快,这是专一性CAM植物在阴天也不能全天吸收CO_2的重要原因。     

白桦锌指蛋白基因的分离及表达分析

植物锌指蛋白是成员众多的转录因子家族,在植物的生长发育和对非生物胁迫响应等过程中具有重要作用。根据Cys和His残基的数目和位置将锌指转录因子分为C_2H_2、C_8、C6、C_3HC_4、C_2HC、C_2HC5、C_4、CCCH和C_4HC_3九种类型。本实验利用其他物种中已报导的植物逆境胁迫相关的锌指蛋白转录因子基因序列作为信息探针,在白桦基因组数据库中筛选出10个基因,分别是4个C_2H_2型、5个C_3HC_4-RING型和一个CCCH型。通过q RT-PCR技术对筛选的基因在根中的表达模式进行了分析,结果显示Bp ZFP_2、Bp ZFP_3、Bp ZFP_4、Bp ZFP5和Bp ZFP_8的表达受盐和干旱胁迫的显著诱导,表明这些基因参与了逆境胁迫的应答。     

热带作物木瓜C~3/C_4属性的鉴别

林植芳等(1982)从光、CO_2等环境因素对木瓜光合作用的影响进行了研究,并认为某些性状近似于C_3植物,但迄今尚没有人从叶解剖结构、RuBP羧化酶分布角度进行研究来确定木瓜的C_3/C_4属性。我们用免疫荧光直接法研究木瓜叶片内RuBP羧化酶的分布,并用气体交换法测定CO_2补偿点,以鉴别它的C_3/C_4属性。     

用未标记免疫酶技术在甘蔗大豆叶片内定位RUBP羧化酶

RuBP羧化酶是绿色植物同化CO_2的关键酶。研究RuBP羧化酶在C_4植物叶片内的分布,有助于阐明C_4植物的光合作用结构和功能的特点,以及RuBP羧化酶对光合作用的调控功能。这种工作具有明显的理论意义和实用价值。     

C_4,C_3,CAM植物叶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶分子聚体的比较

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)广泛存在于所有植物不同部位(或器官)中,在C_4和CAM植物的CO_2固定上起着重要作用。近几年来在C_3植物中也加强了有关PEPC的研究。本文用SDS和原性凝胶电泳的方法,比较不同光合型植物和不同环境条件下PEPC分子亚基和聚体的差异,为进一步研究代谢功能的调节和分子聚体的关系提供依据。     

C_3植物光合效率的日变化

多种田间C_3植物在晴天的光合效率常有明显的日变化,中午前后光合效率降低。C_3植物大豆叶片光合效率中午降低的主要原因,不是空气CO_2浓度和气孔导度及光呼吸的变化,而可能是光抑制。因为:1.在饱和CO_2中测定仍可观测到这种中午降低;2.光合作用的饱和光强远低于晴天中午的太阳光强;3.用纱布预遮阴可以提高叶片的光合效率;4.阴天时叶片光合效率不发生中午降低。