高等植物环式电子传递的生理作用

环式电子传递做为一种可供选择的电子传递途径之一,近几年被证实它对于许多高等植物的生长是必需的。环式电子传递通过促进跨类囊体膜质子梯度的建立一方面激发ATP合成酶合成ATP,另一方面加强了光系统Ⅱ处的热耗散,稳定了放氧复合体,从而保护光系统Ⅱ免受光抑制。同时,它还可以缓解光系统Ⅰ处电子受体的过度还原,减少超氧阴离子在光系统Ⅰ处的合成,防止光系统Ⅰ受到光抑制。本文简要地综述了环式电子传递的途径、其参与ATP合成的作用、对光系统Ⅱ和光系统Ⅰ光保护作用及其对环境胁迫的响应和调节,并对环式电子传递的研究提出了展望。

PGR5/PGRL1介导的环式电子传递研究进展

环式电子传递(CEF)是光合作用光反应中仅次于线性电子传递(LEF)的另一条重要的电子传递途径。CEF包括NAD(P)H脱氢酶复合体(NDH)和PGR5 (Proton Gradient Regulation 5)/PGRL1 (Proton Gradient Regulation Like 1)两条途径,其中PGR5/PGRL1被认为是高等植物CEF中的主要途径。本文综述了PGR5/PGRL1介导的CEF的主要作用机理,以及在逆境胁迫下该途径通过保护光系统Ⅱ和光系统Ⅰ、维持ATP/NADPH比例、调节LEF和CEF的转换来缓解光抑制中的生理作用,以期为今后的相关研究提供参考。

生长温度对烟草叶片环式电子传递活性的影响（英文）

高等植物的光合机构在环境胁迫条件下非常容易产生光抑制,环式电子传递在光合机构的光保护中发挥着重要的作用。但是,生长温度对环式电子传递的影响并不清楚。本研究测定了在24/18℃和32/26℃条件下生长40天的烟草(K326)叶片的气体交换、叶绿素荧光和P700氧化还原态的光响应曲线。结果表明,烟草叶片在两种生长温度下的的光合能力、光化学淬灭、非光化学淬灭和通过光系统II的电子传递速率(ETR II)均没有差异。但是,在强光条件下,生长在24/18℃的叶片比生长在32/26℃的具有更高的通过光系统I的电子传递速率(ETR I)和ETR I/ETR II比值。短时间的强光处理后,生长在24/18℃的叶片具有较高的光系统II最大量子产额(Fv/Fm),表明环式电子传递活性的上调有助于缓解生长在24/18℃的叶片光系统II受到的光损伤。综上所述,环式电子传递活性的增强是植物适应较低生长温度的重要策略。

生物物理所植物光合作用环式电子传递的结构基础研究获进展

光合电子传递主要分为线性电子传递和环式电子传递两种。线性电子传递过程中,电子经光系统Ⅱ(PSⅡ)、细胞色素b6f(Cytb6f)和光系统Ⅰ(PSⅠ)最终传递到NADP+产生NADPH,同时形成跨类囊体膜的质子梯度驱动ATP合酶生成ATP。环式电子传递是围绕PSⅠ进行的,没有PSⅡ的参与,传递到PSⅠ的电子最终传回Cytb6f,该过程中没有NADPH的生成,只产生跨膜的质子梯度用于合成ATP。环式电子传递对光合生物的适应调节具有重要作用。

绿色植物光系统Ⅰ及其光合作用调控的结构基础

光系统Ⅰ被认为是自然界中最高效的纳米光化学机器,其复杂的结构和精细的调控机制确保了光合作用的高效进行。绿色植物光系统Ⅰ由核心复合物和多样的外周捕光天线构成,并参与包括状态转换、环式电子传递等多种光合作用调节过程。本文主要以笔者所在实验室在绿色植物光系统Ⅰ及其参与光合作用调控的结构生物学方面取得的进展进行综述,使人们对这一领域有更深入的理解。

光合作用光抑制的研究进展

概述了植物光合作用光抑制的研究进展 ,包括造成光抑制和光氧化的活性氧的产生和作用机理 ,光抑制的作用部位 ,以及光保护机制等 ,着重从三个方面讨论了植物抗光抑制的保护机理 :与光系统Ⅱ天线以及叶黄素循环相关的热耗散途径 ,包括光呼吸、H2 O_H2 O循环和环式电子传递在内的电子传递途径 。

季节性干旱对白皮乌口树(Tarenna depauperata Hutchins)水分状况、叶片光谱特征和荧光参数的影响

干热河谷稀树灌丛常绿植物能够忍受长达半年以上的季节性干旱胁迫,但对这些常绿植物响应干旱胁迫的生理生态机制研究很少。本研究以干热河谷稀树灌丛优势常绿植物白皮乌口树(Tarenna depauperata Hutchins)为研究对象,分别在雨季和干季测定其叶片的水势、压力-体积曲线、气体交换参数、叶片光谱特征以及叶绿素荧光和P700的光能分配。结果显示:受严重季节性干旱胁迫的影响,与雨季相比,干季的凌晨叶片水势(Ψpd)下降至-4.5 MPa,水分传导的叶比导率(KL)下降了49.5%,叶绿素反射指数(NDVI)下降了40.6%,花青素反射指数(ARI)上升至0.074(约为雨季的12.3倍),并且雨季和干季的叶片水势、水分传导效率、叶绿素含量和花青素含量均差异显著(P<0.05)。与雨季相比,干旱导致光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光化学量子效率(Fv/Fm)显著下降至0.72(P<0.05),即PSⅡ发生光抑制,而光系统Ⅰ(PSⅠ)的活性(Pm)未发生明显变化;干季叶片的最大非光化学淬灭(NPQ)增加了31%,而激发的最大环式电子传递速率(CEF)下降了66%。表明长期干旱胁迫使CEF的激发受到强烈抑制,即光能捕获效率的降低和NPQ的增强促进了白皮乌口树在长期干旱胁迫下的光保护。

棉花花铃期低温对叶片PSI和PSII光抑制的影响

选用陆地棉(Gossypium hirsutum L.)品种新陆早45号,在室外盆栽至开花结铃期后,移至人工气候室,模拟新疆棉花花铃期易出现的低温逆境条件,设置处理T(16℃/10℃,昼/夜),以常温(30℃/18℃,昼/夜)处理作为对照,采用叶绿素荧光和P700同步测定技术,研究低温对棉花花铃期叶片光合机构PSII能量分配、PSI氧化还原状态及环式电子传递流的影响。结果表明,与对照相比,低温处理显著降低了棉花叶片PSII光适应状态下最大光化学量子产量(F_v'/F_m')、光化学猝灭系数(qP)和PSII有效光化学量子产量[Y(II)],并使PSII非调节性能量耗散[Y(NO)]和调节性能量耗散[Y(NPQ)]量子产量显著升高,诱导PSII发生光抑制。低温引起棉花叶片光合机构PSI受体侧限制[Y(NA)]显著下降和供体侧限制[Y(ND)]显著升高,但未引起有效的PSI复合体含量(P_m)显著降低,表明与PSII相比,棉花叶片PSI对低温不敏感。此外,低温引起环式电子传递量子产量[Y(CEF)]以及与PSII实际量子产量比率的[Y(CEF)/Y(II)]显著升高,进一步表明在低温下,光破坏防御机制中环式电子传递流对棉花PSI、PSII起着重要的保护作用,是主要的光破坏防御机制。非光化学热耗散(NPQ)和调节性非光化学热耗散[Y(NPQ)]与[Y(CEF)]具有显著的正相关关系,表明低温引起棉花花铃期叶片PSII反应中心过度关闭产生过剩的激发能,造成了PSII可逆的光抑制,环式电子传递流的响应及较高的调节性能量耗散共同保护了棉花叶片PSI和PSII免受光抑制的损伤,这可能是棉花叶片PSI对低温不敏感的重要原因。

墨兰对氮营养和波动光强复合胁迫的光合调控响应

墨兰(Cymbidium sinense)是我国的传统名花,具有悠久的栽培历史,该物种为林下荫生植物,生境破坏和森林冠层结构的改变都会导致其遭受氮素和光照波动的双重影响。为了探究墨兰的光合作用响应这种复合胁迫的机制,该文研究了不同氮浓度处理下墨兰叶片的氮含量、叶绿素含量、光系统I(PS I)和光系统Ⅱ(PSⅡ)对波动光强的影响。结果表明:(1)0 mmol·L^(-1)氮处理下,墨兰叶片的氮含量、叶绿素含量、PSⅡ最大量子效率(Fv/Fm)和PS I最大可氧化的P700信号(Pm)降低,而非光化学猝灭和PSⅡ非调节性能量耗散被大量激发。(2)1.25、5、10 mmol·L^(-1)氮处理下,光强突然增加使墨兰叶片的PS I反应中心表现为先过度还原,随后过度还原态被逐渐解除;环式电子传递的激发表现为先增加后逐渐下降,说明环式电子传递的动态调节和PS I的氧化还原态密切相关。(3)波动光下,0 mmol·L^(-1)氮处理的墨兰叶片没有表现出PS I的过度还原,主要是因为其PSⅡ释放的电子很少,避免了过量电子被传递到PS I。综上认为,氮素的波动会显著影响墨兰对波动光强的光合生理响应,这为墨兰的人工栽培和保护提供了科学依据,并有助于探究林下植物光合作用响应氮素和波动光复合胁迫的机制。

棉花花青素能量耗散过程维持光合机构稳定性分析

【目的】研究棉花花青素能量耗散过程维持光合机构稳定性。【方法】选取花青素含量差异较大的棉花为材料,测定花青素含量、光合色素含量、气体交换参数、叶绿素荧光参数、NDH介导的环式电子流活性、ATP合成酶活性、玉米黄质的合成速率等。【结果】随花青素含量升高,吸光能力逐渐增强,而净光合速率逐渐减弱,将面临较多的过剩激发能;NDH介导的环式电子流活性均逐渐增强,并且环式电子调控的ATP合成也逐渐增强;相对于无花青素的棉花,花青素存在的条件下,叶黄素循环的热耗散明显较弱,并且随花青素含量的增多,叶黄素循环的过程逐渐减弱,可能花青素的耗散能力逐渐增强。【结论】花青素能够作为一种光保护机制起到耗散过剩光能有效保护PSI和PSII。

叶绿体NAD(P)H脱氢酶复合体调控光合作用的研究进展

植物叶绿体NAD(P)H脱氢酶(NDH)复合体位于类囊体膜上,是一个由多亚基组成的大蛋白复合体,其所介导的环式电子传递是可供选择的电子传递途径之一,近年来证实它对于许多高等植物的生长是必不可少的。NDH介导的环式电子传递和叶绿体呼吸能够缓解基质侧过度还原,维持电子传递链氧化还原系统的平衡,为其它生物化学反应提供所需ATP。本文综述了NDH的研究历史和亚基组成,着重从植物进化以及NDH的生理功能等角度进一步分析了NDH介导的环式电子传递的形成与意义,并对未来研究方向进行展望。

几内亚格木和降香黄檀对热带北缘地区冬季低温的光合适应(英文)

在热带北缘地区,冬季气温较夏季下降10℃左右,虽然热带植物对零上低温敏感,但是大部分热带树木能够适应热带北缘地区的冬季气温,其光合生理机制并不清楚。我们通过测定种植在热带北缘地区(21°54'N,101°46'E)的两种热带树木(几内亚格木和降香黄檀)的光系统I和II活性以及光系统I和II的能量分配的季节变化,发现这两个树种的光系统I和II活性在冬季并没有下降。两个树种的光系统II的有效量子产额在冬季明显下降,同时伴随着热耗散激发。在冬季,环式电子传递的激发与热耗散的激发呈现显著的正相关。环式电子传递的激发使得氧化态P700比例的上升,从而避免了光系统I受体端的过度还原。化学试剂抗霉素A(PGR5途径环式电子传递的一种特异性抑制剂)处理过的叶片较对照组表现出更强光损伤程度。这些结果表明环式电子传递的激发是热带树木适应热带北缘地区冬季低温的一个重要的光合生理机制。

干旱胁迫及复水处理对玉米苗期叶片光化学活性的影响

该研究以陕北旱区主要推广的2个玉米(Zea mays)品种‘陕科9号’和‘大丰30’为材料,采用盆栽控水方式,通过叶绿素荧光技术测定中度干旱及复水3 d后对其苗期叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)和光系统Ⅰ(PSⅠ)光能分配及电子传递速率的影响。结果表明,中度干旱诱导快速荧光动力学(OJIP)曲线上的I点和J点上升,且OJIP参数最大光化学效率(TR0/ABS)、单位面积反应中心的数量(RC/ABS)、PSⅡ捕获的电子从QA-转移到PQ的效率(ET0/TR0)、以吸收光能为基础的性能指数(PⅠabs)显著减少;能量转换分析显示干旱胁迫降低了PSⅡ和PSⅠ的电子传递速率,而叶片中环式电子传递流明显增加。2个品种的变化趋势相同,但‘陕科9号’光合电子传递参数变化幅度较‘大丰30’小;复水后‘陕科9号’叶片PSⅡ和PSⅠ活性及环式电子流恢复到对照水平,而‘大丰30’的未能完全恢复。可见,‘陕科9号’的光合机构抗旱能力强于‘大丰30’,且与‘大丰30’相比,在中度干旱下‘陕科9号’较低地下调PSⅡ和PSⅠ活性及较高地诱导环式电子传递流共同促进了其光合作用的恢复,这是‘陕科9号’品种能适应干旱的光合生理基础。

西藏虎头兰和墨兰对强光的生理响应

兰属植物(Cymbidium)是重要的观赏花卉。该属大多数种类生长在适度荫蔽的环境中,但附生型的西藏虎头兰(C.tracyanum)却能在阳光直射的环境下良好生长。为了探究西藏虎头兰适应强光的生理机制,研究选取同属的地生型墨兰(C.sinense)与其进行对照实验,测定了这两种植物在不同光照强度下的叶绿素荧光参数和P700氧化还原态。结果表明,在强光下,西藏虎头兰光系统I和II活性的下降程度比墨兰小,而环式电子传递的激发程度更高。环式电子传递的激发有助于增强西藏虎头兰在强光下的光保护,而墨兰因环式电子激发程度较低,使其不能适应强光。由于附生环境更容易出现间歇性的直射光,西藏虎头兰的这种适应强光的能力可能有助于它更充分地利用附生环境中的光照资源。

P515的测量原理、方法和应用

光谱技术已广泛应用于光合研究领域,如光吸收信号P515和P700氧化还原动力学以及叶绿素荧光等,可快速、准确地检测植物的光合活性。P515信号广泛存在于高等植物和藻类中,是类囊体膜上的色素分子吸收光能后,其吸收光谱发生位移造成。利用光诱导的P515快速和慢速动力学,可检测PSI和PSII反应中心的比值、ATP合酶的质子传导性、围绕PSI的环式电子传递速率、质子动力势及其组分,还可通过同步检测叶绿素荧光和P515信号研究光保护机制。该文总结了P515的主要测量原理、方法及其应用,旨在为深入研究光合作用机理提供技术支持。