光合电子流对光响应的机理模型及其应用

光合电子流对光响应的机理可以揭示植物光合电子流与光强、植物捕光色素分子物理特性之间的关系。该文讨论了光合电子流对光响应的机理模型的特性以及捕光色素分子的物理性质, 并利用此模型拟合了山莴苣(Lagedium sibiricum)、一年蓬(Erigeron annuus)和紫菀(Aster tataricus)的光合电子流对光响应的曲线。由此模型不仅可以得到植物的最大光合电子流、饱和光强、初始斜率等参数, 还可以获得捕光色素分子有效光能吸收截面和处于最低激发态的捕光色素分子数对光的响应关系。结果表明: 随光强的增加, 山莴苣的捕光色素分子的有效光能吸收截面下降最快, 紫苑的下降速度最慢; 山莴苣处于最低激发态的捕光色素分子数增长速度最快, 紫苑的增长速度最小。捕光色素分子的有效光能吸收截面随光强增加而下降、处于最低激发态的捕光色素分子数随光强增加而增加的特性将减少其光能的吸收和激子的传递, 因而有利于减少强光对植物产生的光伤害。     

光合作用对光和CO2响应模型的研究进展

光合作用对光和CO₂响应模型是研究植物生理和植物生态学的重要工具, 可为植物光合特性对主要环境因子的响应提供科学依据。该文综述了当前光合作用对光和CO₂响应模型的研究进展和存在的问题, 并在此基础上探讨了这些模型的可能发展趋势。光合作用涉及光能的吸收、能量转换、电子传递、ATP合成、CO₂固定等一系列复杂的物理和化学反应过程。光合作用由原初反应、同化力形成和碳同化3个基本过程构成, 任一个过程均可对光合作用速率产生直接的影响。光合作用对光响应模型只涉及光能的转换, 而光合作用的生化模型包含了同化力形成和碳同化这两个基本过程。把光合作用的原初反应, 即把参与光能吸收、传递和转换的捕光色素分子的物理参数(如捕光色素分子数、捕光色素分子光能吸收截面、捕光色素分子处于激发态的平均寿命等)结合到生化模型中, 可能是今后光合作用对光响应机理模型的发展方向。     

不同环境条件下光合作用对光响应模型的研究进展

光合作用对光的响应模型是研究植物在不同环境条件下光合特性的有力数学工具，可为定量描述植物光合速率对光合有效辐射的响应提供理论依据。本文基于植物光合作用对光响应经验模型的常用数学表达式特征，综述了这些模型的优势及其在实际应用中可能遇到的问题。在此基础上探讨了光合作用对光响应机理模型在描述植物的原初光反应以及光合生理生态方面的优势，并对该模型的发展进行了展望。光合作用主要由原初反应、同化力形成和碳同化构成，任何一个过程的变化均可直接影响植物的光化学效率和碳同化能力。原初反应主要涉及光能吸收、激子共振传递、量子能级跃迁和退激发等与光能吸收传递相联系的、纯粹的物理过程。光合作用对光响应经验模型难以解释植物的非光化学淬灭(NPQ)随光强的增加一直非线性增加，也难以回答植物的捕光色素分子吸收过量的光能且不能及时地用于光化学反应时，单线态叶绿素分子的寿命将延长等现象。与此同时，光合作用对光响应机理模型拟合得到的参数不仅可以反映植物的原初光反应特征，还可以描述植物捕光色素分子的物理特性，如处于激发态的捕光色素分子数(N_k)、捕光色素分子的有效光能吸收截面(σ_ik     

烯效唑对淹水胁迫下大豆光合生理及表型的影响

以大豆"垦丰14"为试验材料,采用盆栽方法研究叶面喷施烯效唑对淹水胁迫下大豆叶片光合速率、内禀特性、荧光参数以及表型的影响,探讨烯效唑作为植物生长调节剂对逆境的缓解效应。结果表明:始花期(R1期)淹水显著降低了鼓粒期(R6期)大豆的最大净光合速率(P_(nmax)),但对叶绿素含量(Chl)、最大电子传递速率(J_(max))、本征光能吸收截面(σ_(ik))、捕光色素分子处于激发态的最小平均寿命(τmin)等参数无显著影响;喷施烯效唑显著提高大豆叶片叶绿素含量,增加叶片有效光能吸收截面(σ'_(ik)),降低捕光色素分子处于激发态的最小平均寿命,使得捕光色素分子更多处于基态;而且应用烯效唑可增加淹水胁迫下大豆叶片电子利用效率、最大净光合速率以及电子传递速率,并分别较淹水处理高35.3%、79.0%和39.2%;淹水胁迫会降低PSⅡ的潜在光化学效率Fv/Fo以及PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm,喷施烯效唑可提高光化学效率;淹水和烯效唑处理均会降低株高、叶面积以及数字生物量,喷施烯效唑可以提高大豆叶片色调值以及归一化植被指数,改善淹水胁迫下大豆的生长状况。综上所述,烯效唑可以有效缓解淹水对大豆的不利影响,提高其耐涝性。     

光系统Ⅱ实际光化学量子效率对光的响应模型的比较

为了比较光系统Ⅱ实际光化学量子效率(FPSⅡ)对光的响应机理模型(简称机理模型)、负指数模型和指数模型的优缺点,用LI-6400-40B光合作用测定仪控制CO2浓度和温度,测量了剑叶金鸡菊(Coreopsis lanceolata)、黄荆(Vitex negundo)和大狼杷草(Bidens frondosa)的电子传递速率(ETR)对光的响应曲线(ETR-I)和FPSⅡ对光的响应曲线(FPSⅡ-I),然后用这3个模型分别拟合了这些数据。拟合结果表明:3个模型都可以较好地拟合这3种植物的ETR-I的响应数据和FPSⅡ-I的响应数据,但由指数模型拟合ETR-I和FPSⅡ-I的响应数据得到相应的饱和光强(PARsat)和光系统Ⅱ最大光能利用效率(Fv/Fm)之间存在显著差异,且估算的饱和光强远低于实测值。由机理模型可知,FPSⅡ不仅与光强的函数有关,还与植物的内禀特性有关,即与天线色素分子的本征光能吸收截面、激子的传递效率、能级的简并度、光化学反应常数、热耗散常数和处于最低激发态的平均寿命等参数有关。此外,由机理模型还可知,FPSⅡ随光强的增加而下降的原因是捕光色素分子的有效光能吸收截面随光强增加而降低。     

油茶叶片捕光色素分子内禀特性和光能利用效率对光照强度的响应北大核心CSCD

以油茶品种‘长林4号’2年生幼苗为材料,在人工气候箱内设置盆栽实验,研究不同光照强度(10%、40%、70%光照和全光照)对油茶光能利用特性的影响。结果显示:(1)油茶叶片净光合速率(P_(n))、电子传递效率(ETR)、光补偿点(I_(c))、CO_(2)补偿点(Γ)、饱和光强(I_(sat))、饱和胞间CO_(2)浓度(C_(isat))、光呼吸速率(R_(p))、暗呼吸速率(R_(d))以及在叶片水平与植株水平上的光能利用效率均随光照强度的增强而提高。(2)在弱光条件下,油茶叶片光化学淬灭系数(qP)提高,非光化学淬灭系数(NPQ)降低,所吸收的光能被更多地分配向光化学耗散和过剩激发能,使_(PSⅡ)光化学效率(F_(v)/F_(m)、Φ_(PSⅡ))提高。(3)油茶通过提高叶片叶绿素含量、捕光色素分子数(N_(0))和本征光能吸收截面(σ_(ik))来增强对光的捕获能力,但随光照强度降低,其捕光色素分子的有效光能吸收截面(σ_(ik)')减小,捕光色素分子处于最低激发态的最小平均寿命(τ_(min))变长,累积在最低激发态的天线色素分子数(N_(k))增多。研究表明,在低光照强度环境下,电子在捕光色素分子之间的传递和光合电子流的产生受到限制,油茶叶片光能捕获与光合电子传递效率无法同时提高,最终导致其光合碳同化能力和光能利用效率下降。     

不同CO2浓度下大豆叶片的光合生理生态特性

CO₂是光合作用的原料和底物,影响着光合作用的进程和光合产物的数量.利用Li-6400-40B同时测量大豆叶片在不同CO₂浓度(300、400、500和600 μmol·mol^-1)下的光合电子传递速率和光合作用对光的响应曲线,并用构建的光合作用对光响应机理模型拟合这些光响应曲线,获得大豆叶片一系列的光合参数、生理生态参数和捕光色素分子的物理参数.结果表明: 电子利用效率、最大电子传递速率和最大净光合速率随CO₂浓度的升高而增加;光补偿点和暗呼吸速率随CO₂浓度的升高而下降;光能利用效率和内禀(瞬时)水分利用效率随CO₂浓度的升高而增加,不同CO₂浓度下的最大光能利用效率和最大内禀(瞬时)水分利用效率之间存在显著差异,但不同CO₂浓度下的最大羧化效率的差异不显著.CO₂浓度的大小对光合作用中原初光反应存在一定程度的影响,即高CO₂浓度有利于减小捕光色素分子处于最低激发态的最小平均寿命,以提高光能传递的速度及增加大豆光合电子流的利用效率.     

不同CO2浓度下大豆叶片的光合生理生态特性

CO₂是光合作用的原料和底物,影响着光合作用的进程和光合产物的数量.利用Li-6400-40B同时测量大豆叶片在不同CO₂浓度(300、400、500和600 μmol·mol^-1)下的光合电子传递速率和光合作用对光的响应曲线,并用构建的光合作用对光响应机理模型拟合这些光响应曲线,获得大豆叶片一系列的光合参数、生理生态参数和捕光色素分子的物理参数.结果表明: 电子利用效率、最大电子传递速率和最大净光合速率随CO₂浓度的升高而增加;光补偿点和暗呼吸速率随CO₂浓度的升高而下降;光能利用效率和内禀(瞬时)水分利用效率随CO₂浓度的升高而增加,不同CO₂浓度下的最大光能利用效率和最大内禀(瞬时)水分利用效率之间存在显著差异,但不同CO₂浓度下的最大羧化效率的差异不显著.CO₂浓度的大小对光合作用中原初光反应存在一定程度的影响,即高CO₂浓度有利于减小捕光色素分子处于最低激发态的最小平均寿命,以提高光能传递的速度及增加大豆光合电子流的利用效率.     

植物电子传递速率光响应模型的研究进展

电子传递速率光响应模型是研究植物光合生理和生态学的重要工具,可为量化原初反应光能的吸收和传递对光的响应提供理论依据。该文综述了目前常用的电子传递速率光响应模型的数学特征,分析了不同模型的优势及其在实际应用中的潜在问题,并在此基础上对这些模型可能的发展趋势进行了展望。原初反应包括光能的吸收、光合色素分子的激发和退激发(包括光化学反应、荧光发射和热耗散)、激子共振传递以及光系统Ⅱ (PSⅡ)反应中心发生电荷分离产生电子传递速率等一系列复杂的物理和生化反应过程。电子传递速率光响应经验模型和半机理模型因不涉及或只涉及部分原初反应过程而难以解释藻类和高等植物的PSⅡ动力学下调、光适应和光保护等现象。电子传递速率光响应机理模型综合考虑了光合色素分子的物理参数(如本征光能吸收截面(σ_ik)、分子处于最低激发态的平均寿命(τ_min)、分子的能级简并度和处于激发态的光合色素分子数(N_k))在整个原初反应过程中的重要作用,不仅可以获得藻类和高等植物叶片的最大电子传递速率以及对应的饱和光强等光合参数,还可以获得σ_ik和τ...     

一个番茄EMS叶色黄化突变体的叶绿素含量及光合作用

本试验以测序番茄品种‘Heinz 1706’的甲基磺酸乙酯(EMS)诱变所获得的叶色黄化突变体(Y55)为试材,分析了突变体的植株生长、叶片叶绿素含量及光合参数.结果表明: Y55的株高、茎粗、鲜质量均显著降低;叶绿素 a、叶绿素 b 、类胡萝卜素、总叶绿素含量以及叶绿素 a/b均显著降低,Y55叶绿素合成的前体物质含量均显著低于野生型,尤其是粪卟啉原Ⅲ及其后前体物质;且Y55叶片净光合速率、蒸腾速率、胞间CO₂浓度、气孔导度均显著低于野生型,最大光合速率、CO₂饱和点与补偿点、光饱和点与补偿点也显著下降;Y55的PSII最大量子效率显著降低,F_o显著升高,PSII与PSI的光合电子产量和电子传递速率显著降低;Y55处于基态的捕光色素分子、捕光色素分子处于最低激发态的平均寿命均显著降低.表明粪卟啉原Ⅲ的合成受阻可能是黄化突变体Y55叶绿素含量下降的主要原因,黄化突变降低了叶片捕光色素分子数量,影响了叶片的光合作用,进而抑制了植株的生长发育.     

光系统II实际光化学量子效率对光的响应模型的比较

为了比较光系统II实际光化学量子效率(Φ_PSII)对光的响应机理模型(简称机理模型)、负指数模型和指数模型的优缺点, 用LI-6400-40B光合作用测定仪控制CO₂浓度和温度, 测量了剑叶金鸡菊(Coreopsis lanceolata)、黄荆(Vitex negundo)和大狼杷草(Bidens frondosa)的电子传递速率(ETR)对光的响应曲线(ETR-I)和Φ_PSII对光的响应曲线(Φ_PSII-I), 然后用这3个模型分别拟合了这些数据。拟合结果表明: 3个模型都可以较好地拟合这3种植物的ETR-I的响应数据和Φ_PSII-I的响应数据, 但由指数模型拟合ETR-I和Φ_PSII-I的响应数据得到相应的饱和光强(PAR_sat)和光系统II最大光能利用效率(F_v/F_m)之间存在显著差异, 且估算的饱和光强远低于实测值。由机理模型可知, Φ_PSII不仅与光强的函数有关, 还与植物的内禀特性有关, 即与天线色素分子的本征光能吸收截面、激子的传递效率、能级的简并度、光化学反应常数、热耗散常数和处于最低激发态的平均寿命等参数有关。此外, 由机理模型还可知, Φ_PSII随光强的增加而下降的原因是捕光色素分子的有效光能吸收截面随光强增加而降低。     

越冬期广玉兰阳生叶和阴生叶PSⅡ功能及捕光色素分子内禀特性的比较研究

捕光色素分子的内禀特性不仅决定了光能的吸收与传递,也将影响到激发能向光化学反应、热耗散和叶绿素荧光的分配。本文采用叶绿素荧光技术和光合电子流对光响应机理模型,研究了越冬期广玉兰（Magnolia grandiflora）阳生叶和阴生叶两种不同光环境下叶片PSⅡ功能及其捕光色素分子内禀特性的差异,以探索广玉兰越冬的光保护策略。结果表明：越冬期低温导致叶片轻微光抑制的发生,全光照加剧了阳生叶光抑制程度,而弱光环境有利于阴生叶光抑制的恢复。阳生叶可通过降低叶绿素含量和捕光色素分子数量以减少对光能的吸收,并且具有较强的光化学和热耗散能力以保护光合机构免受低温强光伤害。而阴生叶虽然其光化学反应能力相对较弱,但具有较强的热耗散能力,可有效地保护其免受短时曝露在强光下的伤害。     

遮阴对闽楠一年生和三年生幼树叶绿素荧光特性及能量分配的影响

为探讨闽楠幼树对不同光环境的光合生理响应,本研究分析了不同光照条件(全光和88.3%遮光率)对闽楠1年生和3年生幼树叶绿素含量、叶绿素荧光参数、捕光色素分子内禀特性和光能分配的影响。结果表明:88.3%遮光率条件下生长的闽楠1年生和3年生幼树叶绿素a、叶绿素b、类葫芦卜素含量均显著大于全光照。遮阴导致闽楠1、3年生幼树初始荧光(Fo)、PSII最大光化学量子产量(Fv/Fm)和PSII有效光化学量子产量(Fv’/Fm’)增加,光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(NPQ)下降。88.3%遮光率条件下生长的闽楠1年生和3年生幼树捕光色素分子有效光能吸收截面(σik’)和天线热耗散(D)显著低于全光照,处于最低激发态的捕光色素分子数(Nk)和非光化学能量耗散(E)高于全光照。在全光照或88.3%遮光率条件下,闽楠1年生幼树叶绿素含量、类葫芦卜素含量、Fv/Fm、Fv’/Fm’、NPQ与3年生幼树无显著差异。在全光照条件下,闽楠1年生幼树qP、电子传递速率(ETR)、σik’、光化学耗散(P)显著小于3年生幼树,Nk和E高于3年生幼树。这说明闽楠1年生和3年生幼树适宜在遮阴条件下生长,全...     

飞机草和兰花菊三七光合作用对生长光强的适应

测定了干季不同光强下生长的飞机草和兰花菊三七叶片最大净光合速率(Pmax)、荧光动力学参数、叶绿素含量和比叶重(LMA),研究了两种植物适应光环境的策略,探讨了其与入侵性的关系.100%光强下,两种植物主要通过降低捕光色素复合体Ⅱ的含量减少光能吸收,提高Pmax增加光能利用维持叶片能量平衡,而它们的热耗散能力并不强,均显著低于其它光强下的值.100%光强下,提高类胡萝卜素含量是飞机草耗散过剩能量的有效策略,而兰花菊三七可能有其它耗散途径.4.5%光强下仅飞机草能够存活,它通过降低LMA、维持很低的日间热耗散和较高的光合系统Ⅱ非环式电子传递效率适应了弱光环境.推测对强光环境较强的适应能力是入侵植物的共性之一,但这种能力强不一定入侵性大.     

Determination of maximum electron transport rate and its impact on allocation of electron flow

非直角双曲线模型(简称模型I)是Farquhar、von Caemmerer和Berry提出的生物化学光合模型(简称FvCB生化模型)的主要子模型。在植物光合作用对光响应曲线的拟合中, 模型I得到广泛的应用和验证。同时, 模型I也可用于估算植物叶片的最大电子传递速率(J_max)。然而, 由模型I估算植物叶片的J_max是否与实测值相符, 尚未得到严格的验证。该文应用LI-6400-40光合测定仪测定了遮阴和全日照条件下大豆(Glycine max)叶片的光合速率和电子传递速率对光的响应曲线, 然后分别用模型I和电子传递速率对光响应机理模型(简称模型II)进行了拟合。结果表明, 由模型I估算遮阴和全日照条件下大豆叶片的J_max与观测值之间存在显著差异; 由模型II计算得到的J_max与实测值之间不存在显著差异。此外, 用模型I估算的J_max将高估光合电子流分配到光呼吸的量, 从而高估光呼吸对植物的光保护作用。因此, 在估算植物叶片J_max和准确评估光呼吸对植物光保护作用方面, 模型II更合理。     

最大电子传递速率的确定及其对电子流分配的影响

非直角双曲线模型(简称模型I)是Farquhar、von Caemmerer和Berry提出的生物化学光合模型(简称FvCB生化模型)的主要子模型。在植物光合作用对光响应曲线的拟合中, 模型I得到广泛的应用和验证。同时, 模型I也可用于估算植物叶片的最大电子传递速率(J_max)。然而, 由模型I估算植物叶片的J_max是否与实测值相符, 尚未得到严格的验证。该文应用LI-6400-40光合测定仪测定了遮阴和全日照条件下大豆(Glycine max)叶片的光合速率和电子传递速率对光的响应曲线, 然后分别用模型I和电子传递速率对光响应机理模型(简称模型II)进行了拟合。结果表明, 由模型I估算遮阴和全日照条件下大豆叶片的J_max与观测值之间存在显著差异; 由模型II计算得到的J_max与实测值之间不存在显著差异。此外, 用模型I估算的J_max将高估光合电子流分配到光呼吸的量, 从而高估光呼吸对植物的光保护作用。因此, 在估算植物叶片J_max和准确评估光呼吸对植物光保护作用方面, 模型II更合理。     

入侵植物喜旱莲子草和本地种接骨草光合生理特征对增温响应的差异

利用红外加热器模拟增温,比较入侵植物喜旱莲子草和本地种接骨草的光合特性对增温响应的差异,以预测气候变暖背景下入侵植物的入侵潜力,并为筛选替代控制植物提供依据。结果表明:增温导致喜旱莲子草和接骨草的叶绿素a/b值分别比对照显著提高6.21%和降低5.55%。无论增温与否,接骨草的叶绿素b含量显著高于喜旱莲子草,而叶绿素a/b值则相反。增温导致喜旱莲子草净光合速率显著提高9.23%,由于气孔导度增大引起蒸腾速率大幅度增加,使得其水分利用效率比对照显著降低10.64%。增温仅导致接骨草的气孔导度显著增加10.95%,而对其他气体交换特征无显著影响。对照条件下,尽管接骨草的气孔导度和胞间CO_2浓度分别显著低于喜旱莲子草7.03%和4.57%,但是前者的净光合速率和水分利用效率分别显著高于后者10.30%和11.92%。增温条件下,两种植物的净光合速率和气孔导度无显著差异,由于接骨草的蒸腾速率显著低于喜旱莲子草18.02%,故其水分利用效率显著高于后者26.45%。增温、物种及其两者的交互作用对光补偿点、光饱和点、最大净光合速率、暗呼吸速率和初始量子效率等光响应参数影响均不显著。总之,对照条件下,接骨草凭借较高的叶绿素b含量、净光合速率和水分利用效率,比喜旱莲子草具有更强的光合能力。但增温后,接骨草的光合优势被削弱。研究从光合生理角度证明接骨草有望作为喜旱莲子草的替代控制植物,但是未来气候变化背景下喜旱莲子草的入侵潜力可能增强。     

不同CO2浓度下番茄幼苗叶片的光能利用效率

光能利用效率(LUE)是评价植物叶片光能利用能力的重要参数,更是影响生态系统生产力大小和质量的主要因素.本文基于植物光合作用对光响应的机理模型推导出植物叶片的光能利用效率模型以及叶片的最大光能利用效率(LUE_max)和对应的饱和光强(I_L-sat)的数学表达式,并用光能利用效率模型研究了番茄幼苗叶片在CO₂浓度分别为350、450、550和650 μmol·mol^-1下的光能利用效率.拟合结果表明: 所推导的叶片光能利用效率模型可以很好地描述4种CO₂浓度条件下番茄幼苗叶片的光能利用效率;在这4种CO₂浓度条件下,番茄的LUE_max在光合有效辐射(I)为70～90 μmol·m^-2·s^-1时就可以达到;番茄在CO₂浓度为550和650 μmol·mol^-1时叶片的LUE_max和I_L-sat没有差异.产生这种现象的原因可能是由于番茄幼苗长时间处于较低光强下,番茄幼苗叶片的光合功能已经适应了低光强环境,以致于高CO₂浓度难以改变它的捕光色素分子的内秉特性,如有效光能吸收截面以及处于激发态和基态色素的比例等.     

不同CO2浓度下番茄幼苗叶片的光能利用效率

光能利用效率(LUE)是评价植物叶片光能利用能力的重要参数,更是影响生态系统生产力大小和质量的主要因素.本文基于植物光合作用对光响应的机理模型推导出植物叶片的光能利用效率模型以及叶片的最大光能利用效率(LUE_max)和对应的饱和光强(I_L-sat)的数学表达式,并用光能利用效率模型研究了番茄幼苗叶片在CO₂浓度分别为350、450、550和650 μmol·mol^-1下的光能利用效率.拟合结果表明: 所推导的叶片光能利用效率模型可以很好地描述4种CO₂浓度条件下番茄幼苗叶片的光能利用效率;在这4种CO₂浓度条件下,番茄的LUE_max在光合有效辐射(I)为70～90 μmol·m^-2·s^-1时就可以达到;番茄在CO₂浓度为550和650 μmol·mol^-1时叶片的LUE_max和I_L-sat没有差异.产生这种现象的原因可能是由于番茄幼苗长时间处于较低光强下,番茄幼苗叶片的光合功能已经适应了低光强环境,以致于高CO₂浓度难以改变它的捕光色素分子的内秉特性,如有效光能吸收截面以及处于激发态和基态色素的比例等.     

光合作用对光响应新模型及其应用

讨论了光合作用对光响应新模型的一些特性．用新模型拟合超级杂交水稻新组合-II优明86和丹参的光响应数据,并与用非直角双曲线模型、直角双曲线模型和二项式回归方法拟合结果进行了比较．结果比较表明：该模型不仅能处理植物在光抑制条件下的光响应问题,而且还能处理植物在低光强条件下的光响应问题．在光补偿点附近这两种植物的光合速率对光强的响应是非线性的．