光合作用 (3)講稿

1、關于光合作用 (3)第一張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 光合作用一、光合作用的概念CO2+H2O （CH2O）+O2光葉綠體綠色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有機物質并釋放氧氣的過程。光合作用合成的有機物質是糖類。第二張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、光合作用的意義(一)合成有機物質 (二)蓄積太陽能量 (三)調節(jié)大氣成份第三張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月溫室效應溫室氣體CO2及甲烷。能透過太陽短波輻射，不能透過長波輻射。由于溫室氣體不能透過長波輻射，把一部分地球上輻射出去的能量又反射到地球，使地球散熱下降，因這種效應類似溫室，故稱溫室效應。第四

2、張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Section2 Chloroplast and its pigments 第二節(jié) 葉綠體及其色素第五張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、葉綠體的形態(tài)結構葉綠體的形態(tài)結構 高等植物的葉綠體多呈扁平的橢圓形, 20200/cell。第六張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月葉綠體的超微結構模式圖第七張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月葉綠體的結構和功能 葉綠體膜類囊體 葉綠體 外膜內膜膜光合色素、光合鏈原初反應、電子傳遞和光合磷酸化腔光合放O2 基質光合碳循環(huán)酶（Rubisco), CO2固定(同化)第八張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2

3、022年6月光合色素葉綠素類：葉綠素a、葉綠素b類胡蘿卜素類：胡蘿卜素、葉黃素藻膽素：僅存藻類植物中二、光合色素（一）光合色素的種類第九張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Chl aChl b1、葉綠素： 不溶于水，溶于有機溶劑（乙醇、丙酮、石油醚）。葉綠素a藍綠色，葉綠素b黃綠色。第十張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月CCCCNCCCCNCCCCNCCCCNMgCCHHCCCH2CHCH3H3CH2CH2CH3CCH3O=CCHH3C-O-C=OCH2CH2C=OOHCH2CH2CHCCH3 HC HC HC HC HC H2CH2C H2C H2C H2C H2C H2CCH

4、3 CH3 CH312345678910鎂卟啉親水的“頭部”顏色來源葉醇基（雙萜）親脂的“尾部”HCOChlbIIIIIIIVV第十一張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（）皂化反應分離葉綠類和類胡蘿卜素C32H30ON4MgCOOCH3COOC20H39+ 2KOHC32H30ON4MgCOOCOO+ 2K+ +CH3OH +C20H39OH第十二張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（）取代反應 H+取代Mg2+, Cu2+ (Zn2+)取代H+ 。CCCCNCCCCNCCCCNCCCCNHHCCHHCCCH2CHCH3R1H2CH3CCH3CCCCNCCCCNCCCCNCCCC

5、NCuCCHHCCCH2CHCH3R1H2CH3CCH3褐色綠色第十三張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2、類胡蘿卜素 類胡蘿卜素都不溶于水,而溶于有機溶劑。胡蘿卜素呈橙黃色,葉黃素呈鮮黃色。吸收和傳遞光能。第十四張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）光合色素的光學特性1、吸收光譜ab400 500 600 700 Waverlength(nm)Relative absorbtanceChl吸收光區(qū): 紅光區(qū)(640-660 nm), 藍紫光區(qū)(410-470nm)。第十五張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月類胡蘿卜素的吸收光區(qū)：藍紫光部分。類胡蘿卜素除吸收和傳遞光能以

6、外,還可穩(wěn)定質體中的葉綠素分子,防止其自身氧化或被陽光破壞。 Waverlength(nm)Relative absorbtance第十六張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2、熒光現(xiàn)象和磷光現(xiàn)象葉綠素溶液在透射光下呈綠色,而在反射光下呈紅色的現(xiàn)象稱為熒光現(xiàn)象。熒光的壽命很短,約為10-9s。光照停止,熒光也隨之消失。在進行光合作用的葉片很少發(fā)出熒光。當葉綠素溶液停止光照后，仍能在一定時間放出暗紅色的光，這就是磷光。磷光的壽命為10-210-3秒,強度僅為熒光的1%。第十七張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二單線態(tài)(E2)第一單線態(tài)(E1)基態(tài)（E0）hh三線態(tài)吸收蘭紫光吸收紅

7、光發(fā)射熒光發(fā)射磷光葉綠素電子云能級及激發(fā)和發(fā)射光示意圖激發(fā)能的傳遞或光化學反應第十八張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）葉綠素生物合成及其與環(huán)境條件的關系1、光 : 缺光黃化。2、溫度 : 約2-40,最適為30。喜溫植物10。3、礦質元素: 缺N、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu時出現(xiàn)缺綠病。4、O2: 5、H2O: 缺水時,Chl形成受阻,分解加速。第十九張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Section 3 Mechanism of photosynthesis第三節(jié) 光合作用的機理第二十張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十一張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022

8、年6月原初反應： 光能電能電子傳遞和光合磷酸化： 電能活躍的化學能碳同化：活躍的化學能穩(wěn)定的化學能第二十二張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、原初反應 原初反應包括光能的吸收,傳遞和光化學反應。（一）光能的吸收和傳遞光子的能量與其波長成反比。因此藍紫光能量比紅光高。 h基態(tài) 激發(fā)態(tài) h 第二十三張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1、集光色素或天線色素只起吸收和傳遞光能,不進行光化學反應的光合色素，指葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素a(大量）。2、作用中心色素吸收光或由集光色素傳遞而來的激發(fā)能后,生發(fā)光化學反應引起電荷分離的光合色素，指葉綠素a（少量）。第二十四張，PPT共七十一頁

9、，創(chuàng)作于2022年6月（二）光化學反應光化學反應是指反應中心色素分子受光激發(fā)引起的氧化還原反應。由 (P,中心色素), (A,受體),(D,供體)組成。 h DPA DP*A DP+A- D+PA-第二十五張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、光合電子傳遞和光合磷酸化 電能變?yōu)榛钴S的化學能（ATP和NADPH）（一） 光系統(tǒng) 小球藻紅降現(xiàn)象和雙光增益效應（愛默生效應） 相對量子產額第二十六張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月紅降現(xiàn)象：僅用波長長于685nm的長波紅光照射時，其量子效率大為下降的現(xiàn)象。愛默生效應（雙光增益效應）：在長波紅光照射的同時，補以短波紅光照射，則其量子效率比

10、單一的短波紅光或長波紅光照射時的總和還要高的現(xiàn)象。第二十七張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2、光系統(tǒng)（ PS）較大PS的作用中心色素是P680。1、光系統(tǒng)（ PSI）較小PSI的作用中心色素是P700;第二十八張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）電子傳遞1、光合鏈 光合鏈是類囊體膜上由兩個光系統(tǒng)(PS和PS)和若干電子傳遞體,按一定的氧化還原電位依次排列而成的體系。 第二十九張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Fig 12-22-1 The current Z-scheme, showing Em values of electron carries第三十張，PPT

11、共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在“Z”鏈的起點,H2O是最終的電子供體;在“Z”鏈的終點,NADP+是電子的最終受體。在整個鏈只有兩處(P680P680*,P700P700*)是逆氧化還原電位梯度,需光能推動的需能反應。第三十一張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2、光合電子傳遞 (1)非環(huán)式光合電子傳遞 H2OPSII PSI NADP +涉及兩個光系統(tǒng)；產生O2, NADPH和ATP；占總電子傳遞的70%以上。第三十二張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 (2) 環(huán)式光合電子傳遞PSI PSI 只涉及PSI；能產生ATP, 是ATP的補充形式；占總電子傳遞的30%左右。 第三

12、十三張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 (3) 假環(huán)式電子傳遞涉及兩個光系統(tǒng)，形成超氧自由基O2對植物體造成危害。在強光下，CO2不足，NADPH過剩下發(fā)生。第三十四張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(三)光合磷酸化(PSP )光下葉綠體在光合電子傳遞的同時,使ADP和Pi形成ATP的過程稱為光合磷酸化。非環(huán)式PSP,環(huán)式PSP和假環(huán)式PSP。通過電子傳遞和光合磷酸化，形成活躍的化學能ATP和NADPH，兩者將用于CO2同化，因此，把ATP和NADPH合稱為“同化力” 。第三十五張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十六張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、碳同

13、化活躍的化學能轉化為穩(wěn)定的化學能 C3途徑、C4途徑和CAM途徑。其中C3途徑是最基本和最普遍的。（一）C3途徑 C3途徑是指光合作用中CO2固定后的最初產物是三碳化合物的CO2同化途徑。 只具有C3途徑的植物稱C3植物。如水稻、棉花、菠菜、青菜,木本植物幾乎全為C3植物。第三十七張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、羧化階段RuBP+CO2RuBPCaseMg2+, H2O(2) 3-PGA核酮糖二磷酸3-磷酸甘油酸第三十八張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.還原階段 利用“同化力”把3-PGA還原為GAPPGA KinaseATP ADPGAP dehydrogena

14、seNADPH NADP3-PGA1,3-PGAGAP磷酸甘油醛Pi3. RuBP再生 C3植物固定1分子CO2實際上消耗3分子ATP和2分子NADPH.第三十九張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（二） C4途徑 指固定CO2后的初產物是OAA四碳二羧酸的CO2同化途徑,又稱C4二羧酸途徑,或Hatch-Slack pathway。具有C4途徑加C3途徑固定CO2的植物叫C4植物。第四十張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1、CO2固定葉肉細胞PEP磷酸烯醇式丙酮酸OAA草酰乙酸PEPCase第四十一張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2、CO2轉移（ CO2 transf

15、er) PEPCO2HCO3-OAAOAAMalNADPH NADPPyrPyrPPDKMalNADPNADPHCO2RuBP3PGAC3途徑ATP AMPATP 2ADP葉肉細胞維管束鞘細胞PiPEPCPEP：磷酸烯醇式丙酮酸； OAA：草酰乙酸; Mal:蘋果酸; Pyr:丙酮酸; PPDK:丙酮酸磷酸雙激酶第四十二張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 PEPCase對HCO3-的親和力很強,有把外界低濃度CO2濃縮到維管束鞘細胞中的作用“CO2泵”。第四十三張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3、PEP再生PEPPyrPPDKATP AMP+PPiATP 2ADPC4植物固定

16、1分子CO2為磷酸丙糖,實際消耗5分子ATP。第四十四張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Section 4 Photorespiration (C2 cycle)第四節(jié) 光呼吸（C2循環(huán)）第四十五張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、光呼吸的概念及意義（一）光呼吸的概念光呼吸是指高等植物的綠色細胞在光下吸收O2放出CO2的過程。呼吸基質：乙醇酸完成全過程依次涉及到葉綠體、過氧化物體和線粒體三種細胞器。第四十六張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）光呼吸的生理意義(1)防止高光強對光合器的破壞 (2)防止O2對光合碳同化的抑制作用 (3)消除乙醇酸毒害和補充部分氨基酸

17、第四十七張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、 光呼吸的過程乙醇酸代謝(一)乙醇酸的生物合成RuBP羧化酶-加氧酶 (Rubisco)具有雙重功能。其羧化反應是催化RuBP羧化CO2形成2分子3PGA,進行光合碳循環(huán)；其加氧反應是催化RuBP加氧形成1分子3PGA和1分子磷酸乙醇酸,進行光呼吸。第四十八張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月當空氣中CO2/O2比值較高時,有利羧化反應,比值較低時有利加氧反應。大氣CO2(350l/L)和O2(21%)的條件下,羧化強于加氧。第四十九張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 葉綠體 過氧化體 線粒體糖 O2 O2 NH3RuBP

18、乙醇酸 乙醇酸 乙醛酸 甘氨酸 甘氨酸 C3PGA 甘油酸 甘油酸 羥基丙酮酸 絲氨酸 絲氨酸 ATP NADH CO2、NH3、NADH（二）乙醇酸代謝第五十張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、光呼吸的控制(1)提高CO2濃度 溫室或大棚干冰(固體CO2) 大田行向,增施有機肥，深施NH4HCO3。(2)應用光呼吸抑制劑 (3)篩選低光呼吸品種 “同室效應法”。(4)改良Rubisco第五十一張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月四、C4植物葉片的特征及其光合效率：花環(huán)型結構 四碳植物比三碳植物的光合效率高光呼吸低。(1)C4途徑起CO2泵的作用，使C3途徑可在CO2濃度高于大

19、氣的微環(huán)境中進行，因此提高了合成有機物的速度。(2)由于維管束鞘細胞中CO2濃度的提高，抑制了光呼吸基質乙醇酸的形成，因此降低了光呼吸，減少了消耗。(3)在維管束鞘細胞內伴隨著C3途徑雖然也進行光呼吸，放出CO2 ，但由于葉肉細胞排列緊密，放出的CO2很少或不放出。第五十二張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月C3 - Wheat has no chloroplasts in bundle sheath cellsC4 - Maize has chloroplasts in bundle sheath cells維管束鞘細胞第五十三張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Section

20、5 Factors affecting photosynthetic rate第五節(jié) 影響光合作用的因素第五十四張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月光合作用指標光合速率，通常是指單位時間、單位葉面積的CO2吸收量或O2的釋放量，也可用單位時間、單位葉面積上的干物質積累量來表示。 單位：(molCO2 ( O2 ) /m2s)測定：改良半葉法,紅外線CO2分析法和氧極譜法。凈光合速率(Pn) =總(真)光合速率呼吸速率。第五十五張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、影響光合作用的內部因素(一) 葉齡：低高低(二)葉的結構：C4C3CAM植物；腹面背面；陽葉陰葉。(三)光合產物供求關

21、系 源庫關系。開花結實(塊根、塊莖、膨大)-葉片光合速率提高。去除穗、花果等光合速率立即下降。去除部分葉片,剩余葉片的光合速會由于需求的增加而上升。第五十六張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、影響光合作用的主要外界因素(一)光能量來源光促進葉綠體發(fā)育和葉綠素合成。 光調節(jié)光合碳循環(huán)某些酶的活性。 強光導致光抑制。第五十七張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1、光強光合有效輻射 PAR (Wm-2 ) ：單位面積、單位時間的輻射能。光合光子通量(密度) PPF(D) (molm-2s-1：單位面積、單位時間的量子數(shù)。第五十八張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月LSP：凈光合

22、速率開始達到最大值時的光強,叫光飽和點。LCP：凈光合速率等于零時的光強,叫做光補償點。3、光抑制(Photoinhibition)： 當光合機構接受的光能超過它所能利用的量時，光會引起光合效率的降低，這種現(xiàn)象就叫做光合作用的光抑制。2、光飽和點和光補償點第五十九張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）CO2光合作用的原料。 1、 CO2飽和點和CO2補償點( CO2 CO2飽和點：再增加CO2濃度,光合速率不再增加,這時的環(huán)境CO2濃度稱為CO2飽和點。 CO2補償點：凈光合速率等于0時的環(huán)境CO2濃度稱CO2補償點。2、長期的高CO2對光合的影響。 第六十張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作

23、于2022年6月（三）溫度 光合作用溫度三基點C4植物：5-1035-4550-60C3植物：（中生植物）-2-520-3535-50 （寒生植物）-7-35-2525-35Pn,Rd (molm-2s-1)Temperature ()Total photosynthetic ratePnRespiration rate第六十一張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）水分 水分虧缺光合下降,幼葉光合降低受缺水影響更大。 1、氣孔導度下降。 2、光合產物輸出變慢。 3、光合機構受損。 4、光合面積擴展受抑。第六十二張，PPT共七十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(五)礦質營養(yǎng)(1)光合器官的組成成分。 N、Mg葉綠素，F(xiàn)e、Cu光合鏈電子遞體 , Zn碳酸酐酶。(2)參與酶活性的調節(jié)。MgRuBPCase和PEPCase等， Mn、Cl和Ca與放O2有關。(3