大学精品课件：植物生理学3.ppt

1、第一节 光合作用的重要性 第二节 叶绿体及叶绿体色素 第三节 光合作用的机理 第四节 光呼吸 第五节 影响光合作用的因素 第六节 植物对光能的利用,第三章 光合作用 Photosynthesis of plant,第一节光合作用的重要性 Importances of photosynthesis,（一）是无机物转变成有机物的主要途径。 每年地球光合作用合成51011t有机物 （二）是太阳能转变成稳定的化学能的主要途径。 将51011J日光能转化为化学能 （三）维持大气中氧气和CO2的平衡，保护环境。 释放出5.351011t 氧气 (四) 作物产量构成的主要因素。 作物产量 =光合速率 光合面

2、积光合时间经济系数,二、光合作用的意义,第二节 叶绿体及叶绿体色素 chloroplast and chloroplast pigments,（一）叶绿体的形态结构（图3-1） 被膜、间质、类囊体（光合膜） （二）叶绿体的成分 叶绿体的化学成分：75%的水、蛋白质、脂类、色素和无机盐。,一、叶绿体的结构和成分,二、光合色素的化学特性,（4）卟啉环中的镁可被H+或Cu2+所置换。 （5）容易被光分解,2.叶绿素的理化性质,（1）叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色 （2）不溶于水，溶于有机溶剂 （3）皂化反应,1.类胡萝卜素结构：含胡萝卜素和叶黄素，前者分子式为C40H56；后者分子式是C40H5

3、6O2，分子结构如（图3-3） 2.溶解性：不溶于水，易溶于有机溶剂。 3.颜色：胡萝卜素呈橙黄色，叶黄素呈黄色。 4.在光合中的作用：可吸收和传递光能；还可保护叶绿素分子，使其在强光下不致被光氧化而破坏。,主目录,本章目录,退 出,（二）类胡萝卜素,1.辐射能量 E=Nh=Nhc/ 光子的能量与波长成反比。 2.吸收光谱（图3-6） 叶绿素吸收光谱的两个最强区：红光区640-660nm蓝紫光区430-450nm。 类胡萝卜素的最大吸收带在蓝紫光部分。 3.荧光现象和磷光现象(图3-7),三、光合色素的光学特性,1.叶绿素的生物合成（图3-8） 2.影响叶绿素形成的条件 光：原叶绿酸酯转变为叶

4、绿酸酯需要光照；但强光下 叶绿素会被氧化. 温：最低温2 、最适温30 、最高温40 ，高 温下叶绿素分解大于合成。 营养物：（N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等）。 氧：缺氧引起Mg-原卟啉或Mg-原卟啉甲酯积累，影响 叶绿素合成。 水：影响叶绿素的合成,缺水使叶绿素分解加剧。 3.植物的叶色 叶绿素:类胡萝卜素=3:1 叶绿素a:叶绿素b=3:1 叶黄素:胡萝卜素=2:1；阴生植物叶绿素a:叶绿素b3:1,主目录,本章目录,退 出,四、叶绿素的形成,一、原初反应（primary reaction） 指光能的吸收、传递和转换的过程，是光合色素吸收光能后所引起的光物理和光化学过程。 （一）光能

5、的吸收和色素分子激发态的形成 光合单位(photosynthetic unit)是指结合在类囊体膜上能进行光合作用的最小结构单位。光合单位=聚光色素系统+反应中心,每个光合单位约含250-300个叶绿体色素分子。 聚光色素(light-harvesting pigment)：只起吸收和传递光能的色素分子。 反应中心色素(reaction centre pigment)：少数的特殊状态的叶绿素a分子，有捕获和聚集光能，并将光能转换为电动势的功能。,第三节 光合作用的机理 Mechanisms of photosynthesis,（二）激发能的传递和作用中心对激发能的捕获 （图3-9） （三）光化

6、学反应 指作用中心色素分子吸收光能后所引起的氧化还原反应，也就是电荷分离，将光能转换为电能的过程,主目录,本章目录,退 出,D.P.A,D.P*.A,D.P+.A-,D+.P.A-,光合作用的最终电子供体是水，最终电子受体为NADP+。,P-作用中心色素、A-原初电子受体、D-原初电子供体,（一）两个光系统 红降（red drop）：在大于680nm的红光照射下，光合作用的量子产额急剧下降，这种现象称为红降。 量子产额（量子效率）：指每吸收一个光量子所合成的光合产物的量或释放的氧气的量。 量子需要量：指释放一分子氧或还原一分子二氧化碳所需要的光量子数。一般为8个光量子。 双光增益效应或爱默生效

7、应（Emerson effect） 红降和双光增益效应证明：光合作用存在两个光系统；并且可以独立或者接力完成光反应过程。,退 出,二、电子传递和光合放氧,光系统I（photosystemI，简称PSI）：在类囊体膜的外侧， PSI的作用中心色素分子是P700。是长波光反应，其主要特征是NADP的还原。 光系统II（photosystemII，简称PSII）：在类囊体膜内侧。 PSII的作用中心色素分子是P680。是短波光反应，其主要特征是H2O的光解和放氧。 （二）光合电子传递链 连接两个光系统以及H2O和NADP之间的传递电子的物质。叫光合电子传递链，简称光合链（图3-10，）。光合链在类囊

8、体上的排列和电子与质子的传递（ 3-11）。 1.非环式电子传递链（Z方案） 2.环式电子传递链 3.假环式电子传递链,(二)光合磷酸化的机理 米切尔(P.Mitchell)提出的化学渗透学说（图3-14） 同化力:ATP.NADPH。,三、光合磷酸化,概念：叶绿体在光下把无机磷和ADP转化成ATP。 （一）光合磷酸化的类型,1.非循环式光合磷酸化,2.循环式光合磷酸化,3.ATP合成酶：头部（CF1）和柄部（CF0）组成，CF1在类囊体表面， CF0伸入类囊体内部。 CF1有（33） 5种多肽; CF0有a、b、b、c12 4种多肽，横跨类囊体膜组成质子通道（图3-13）,（一）C3途径 光

9、合作用最先生成的有机物是含有三个碳的3-PGA，称为C3途径。又称卡尔文循环、卡尔文-本生循环或光合环。它是所有植物光合作用碳同化的基本的和共同具有的途径。,主目录,本章目录,退 出,四、二氧化碳同化,主目录,本章目录,退 出,主目录,本章目录,退 出,3.RuBP的再生(图3-14),4.C3途径的计量关系,总反应式,自身催化：中间产物的浓度增加会调节卡尔文循环的 速率。 光调节：指光调节酶的活性。如：RuBPCase、NADP- DPGA-DHase、1,6-P-F酶、1,7-P-S酶、Ru5P激酶。 光合产物运转的调节 磷酸转运体 在细胞质中合成蔗糖后释放出Pi，Pi进入叶绿体促进磷酸丙

10、糖运出叶绿体，光合速率加快。,主目录,本章目录,退 出,5.C3途径的调节,主目录,本章目录,退 出,(二)C4途径,3.C4途径的调节 光调节酶 丙酮酸磷酸双激酶和NADP-苹果酸脱氢酶 反馈调节 PEP羧化酶 金属离子的调节 Mg2+、Mn2+或Mg2+加Mn2+,2. C4途径的类型,4.C4植物的光合特征,C4植物比C3植物光合速率高的原因在于： 光合生理差异 PEPCase对CO2的亲和能力高于C3植物的RuBPCase 叶片解剖结构差异（图3-19） C4鞘细胞大 C4鞘细胞与叶肉细胞排列紧密 C4鞘细胞与叶肉细胞富含胞间连丝 C4鞘细胞中有叶绿体 其光合作用在空间上分隔，有积累C

11、O2的作用,CAM途径的生化历程（图3-20） C4途径CO2固定和还原在空间上分开,CAM途径则在时间上分开。 五、光合产物的形成 磷酸丙糖在叶绿体内形成淀粉，运到细胞质内形成蔗糖（图3-21）。 在晚上光合磷酸化停止，叶绿体内的Pi浓度升高，抑制淀粉的合成，蔗糖合成增加；在白天Pi低，促进淀粉合成。 在较好的光照下，F-1,6-P，G-1,6-P的合成增加，促进蔗糖的增加。,主目录,本章目录,退 出,（三）景天科酸代谢途径,光呼吸的概念：植物绿色细胞依赖光照，吸收O2和放出CO2的过程。 一、光呼吸的途径 1.乙醇酸的形成：RuBP加氧酶催化RuBP分解成磷酸乙醇酸和磷酸甘油酸 2.乙醇酸

12、途径（图3-24,图3-25） 二、光呼吸的生理功能 1.防止高光强对光合作用的破坏 2.防止O2对光合碳同化的抑制 3.磷酸丙糖和氨基酸合成的补充途径,第四节 光呼吸 photorespiration,一、外界条件对光合速率的影响 光合速率：是指单位时间单位植物叶面积通过光合作用吸收的二氧化碳或放出的氧气或合成的干物质的量。 通常测得的光合速率已经减去了呼吸消耗，所以称为表观光合速率。真光合速率=表观光合速率+呼吸速率 （一）光 1.光强(图3-26) 光饱和现象、光饱和点、光补偿点。 植物所需的最低光照强度，必须高于光补偿点， 才能正常生长。 2.光质,主目录,本章目录,退 出,第五节 影

13、响光合作用的因素,（二）CO2 CO2饱和点、CO2补偿点 C4植物的CO2补偿点低于C3植物。 （三）温度：最适温25-30 （四）矿质元素 N、Mg、Fe、Mn、Cu、S、Cl、K、P （五）水分：水分是光合作用的原料；影响气孔开度；影响光合产物输出。 （六）光合速率的日变化 二、内部因素 （一）叶龄 （三）不同生育期 （二）不同部位 （四）源库关系,主目录,本章目录,退 出,一、植物的光能利用效率 （一）光能利用率 指植物光合作用所累积有机物中含的化学能量占同一期间照射在单位地面上的日光能的比率。一般为1-5%，理论值大约10%。 （二）光能利用率不高的原因 1.漏光损失 2.光饱和及反

14、射和透射的损失 3.环境状况和作物生理状况造成的损失,主目录,本章目录,退 出,第六节 植物对光能的利用 Efficiency for solar energy utilization,二、提高光能利用率的途径 （一）延长光合时间 1.提高复种指数 2.补充人工光照 （二）增加光合面积 1.合理密植 2.改变株型 （三）提高光合效率 1.增加CO2浓度 2.降低光呼吸 3.高光效育种 三、三种类型植物的光合特性比较（表3-4，P81）,主目录,本章目录,退 出,光合作用的机理 影响光合作用的外部因素 提高作物光能利用率的途径,本章重点与难点,主目录,本章目录,退 出,1.何谓光合作用?光合作用

15、有何重要意义? 2.试述叶绿体的结构与功能。 3.叶绿体色素的性质与特点是什么? 4.写出光系统I和光系统II的原初反应过程。 5.原初过程中的同化力是怎样形成的？ 6.希尔反应的发现有何意义？ 7.卡尔文循环可分为几个阶段？每一阶段的特点是什么？ 8.C3植物和C4植物有何不同之处？ 9.试分析下列生态条件下，C3植物和C4植物的光合效率： （1）在较弱的光照、较低的温度，较高的相对湿度条件下。 （2）在较强的光照、较高的温度，较低的相对湿度条件下。,思 考 题,10.从植物生理和作物高产角度试述你对光呼吸的评价。 11.试述光对光合作用的影响。 12.哪些矿质元素影响光合作用速率？ 13.

16、从提高作物产量出发，是否叶面积指数愈高愈好？你认为可以通过哪些措施来提高叶面积指数。 14.解释下列名词： 光合速率 原初反应 聚光色素 同化力 反应中心 红降现象 荧光现象 C3植物 C4植物 CAM植物 光饱和点 光补偿点 CO2饱和点 CO2补偿点 量子效率 光合链 光合磷酸化 Rubisco 光能利用率,思 考 题,叶绿体的结构,叶绿素a和b的结构式,叶绿醇,叶绿素a和b的结构式,类胡萝卜素的分子结构,叶绿体色素的吸收光谱,色素分子吸收光后能量转变图,叶绿素的生物合成,激发能的传递和作用中心对激发能的捕获,光合电子传递链,氧化还原中点电势,光合链在类囊体上的排列和电子与质子的传递,ATP合成酶的结构,化学渗透学说,光合碳循环,C4途径,C3和C4植物叶片解剖结构比较,CAM途径的生化历程,C3植物光合细胞中淀粉和蔗糖的合成,光呼吸代谢途径,光呼吸的过程,1.磷酸乙醇酸磷酸(酯)酶，2.乙醇酸氧化酶，3.谷氨酸-乙醛酸转氨酶，4.甘氨酸脱羧酶和丝氨酸羟甲基转移酶, 5.丝氨酸-谷氨酸转氨酶，6.羟基丙酮酸还原酶，7. 甘油酸激酶 ,8.过氧化氢酶,RuBP,光强光合曲线,三种类型植物的光合特性比较,