植物生理学整理

高级植物生理学

第一讲、植物生理学发展动向及前沿简介

一、研究内容及结构体系

（1）代谢

（2）生长发育

（3）感应性与整体性

从分子-细胞-组织-器官-个体-群体-生态系统不同层次研究植物生命活动规律

关系：课程内；课程间

是微观的分子生物学与宏观的生态学之间的桥梁

二、发展动向及前沿

1、从研究生物大分子到阐明复杂的生命活动(组学，系统生物学）

（1）微观研究不断深化

（2）系统、动态、交叉、整（合）体

（3）与生产实际的结合

2、实现整体性的重要环节---信号传递（传导）

中心法则；

植物对环境感应；(SA,JA;BRs,PA,Ca,NO,VOCs,糖)

网络式特征

3、生命活动基础---代谢及其调节

光合作用机理（CO2倍增，低碳）；固氮机理；水分循环与运输机理；植物次生代谢等(医药、农药、化感作用）。

4、植物与环境

生理生态学与生态生理学：植物生理学与生态学的交叉。

生物因子；非生物因子

生理生态学发展动向：从生理机制上探讨植物与环境的关系、物质代谢和能量传递规律以及植物对不同环境条件的适应性。

60年代：国际地圈与生物圈计划(ＩＧＢＰ)启动；

70年启动国际生物圈计划(ＩＢＰ)的计划,后来该计划发展成为“人与生物圈计划”(ＭＡＢ)。

80年代：群落结构与功能的研究；

90年代以来，发展迅速：

（1）生态环境问题

●全球气候变化；

●环境污染；

●生态系统退化

●生物多样性丧失；

●粮食问题等

（2）仪器及技术的更新

我国生态学问题：人类活动引起的退化生态系统的恢复；湿地恢复；青藏高原的特殊生境；

全球变化下的中国陆地生态系统响应；植物对环境污染的修复作用等。低碳。

植物生理信息无损检测技术：

●光谱分析技术（紫外；可见；红外发射；吸收；反射）

例：叶片的光谱反射率随叶片含水量的下降而增加；1450nm和1930nm波段的反射率与叶片的相对含水量显著相关。

●图像处理技术

例：利用图像分割方法提取植物的形态特征，判断作物的生长健康状况、缺素情况等。对作物的根系利用图像处理的方法进行识别，从而判断播种的成活率。

●植物电信号分析技术

植物电信号:能够记录到的植物细胞或组织电位发生波动以及相应的电流、电阻、电容等信号。破译植物电信号特征对于深入解读植物生命信息，为构建植物电信号自适应智能化控制系统，实现“节能减排”式农作物、蔬菜等的工厂化生产智能化自动控制研究奠定基础。

●非损伤微测技术

是一种选择性微电极技术,可以不损伤样品而获得进出样品的离子和分子信息,具有非损伤性,长时间、多电极、多角度测量等优势。该技术不仅能够测量离子及分子静止状态下的绝对浓度，而且还可以测量它们进出生物样品的运动速率及运动方向。在代谢、生长发育、信号转导、抗逆生理中广泛应用。

5、植物发育机理

成花机理：花色表现机理；

激素作用机理；

木材形成机理；

衰老（细胞程序性死亡PCD）等。

三、蛋白质组学概述

●蛋白质组学---功能基因组学的核心内容

随着人类基因组草图2001年的正式发表和2003年4月的最终完成,科学家们又进一步提出了后基因组计划,蛋白质组(Proteome)研究便是其中一个很重要的内容。蛋白质组学(Proteomics)也正是作为功能基因组学的重要支柱在20世纪90年代应运而生,并已成为新世纪生命科学研究的前沿和热门领域。最早是由澳大利亚学者Wilkins和Williams于1994年提出的,并首次于1995年7月在“Electrophoresis”上发表。蛋白质组：即细胞或组织或机体或基因组表达的所有蛋白质。

蛋白质组学是研究蛋白质或应用大规模蛋白质分离和识别技术研究蛋白质组的一门学科,主要分为3个领域:

(1) 对蛋白质的大规模识别和翻译后加工修饰的细微特征分析；

(2) 蛋白质表达谱及差异分析；

(3) 蛋白质之间的相互作用。

“小鼠与蒙娜丽莎在基因组上的差别只有1％，而它与她之间差别的本质在于蛋白质组的千差万别。蛋白质组造就了生命的纷繁多姿。”（国际人类肝脏蛋白质组计划负责人、中国人类蛋白质组组织主席、中科院院士贺福初语）

基因组图只有一张，但是蛋白质组图却是每个器官就有一张。

基因组核苷酸序列的测定是一种“有限”的工作，而对蛋白质组蛋白质种类的确定则是一种“无限”的工作。

●蛋白质组学的特点与难点

同一性与多样性、有限与无限、静态与动态、时间与空间、孤立行为与相互作用、单一手段与多种技术、互助与互补

●蛋白质组研究技术

分离技术：基于凝胶的技术平台（双向电泳）；基于色谱的技术平台（多维色谱）

鉴定技术：质谱（核心）；蛋白质芯片；噬菌体显示技术；大规模双杂交技术等

分析技术：生物信息学。数据的加工、储存、检索、分析等。

双向电泳、生物质谱和生物信息学被称为蛋白质组学研究的三大核心技术。

●蛋白质组研究技术（2D-MS）

样品制备—蛋白质定量—双向凝胶电泳—染色：考染；银染；荧光染色—图象采集与图谱分析—切点、酶解—质谱分析—数据库检索与鉴定

[ 1 ]样品制备

植物样品处理的困难：细胞壁的韧性；次生代谢物使蛋白质沉淀；大量的盐、有机酸、色素干扰IEF；膜蛋白、强疏水性蛋白、极端PI蛋白、低丰度蛋白；蛋白酶的降解作用等。

[ 2 ]非凝胶技术

（1）色-质联用（多维色谱与质谱）

离子交换色谱（电荷）--反相液相色谱（疏水性）

体积排阻色谱（分子大小）--反相液相色谱

反相液相色谱--反相液相色谱

亲和（特异亲和如免疫）液相色谱--反相液相色谱

离子交换--亲和--反相液相

（2）毛细管电泳—色谱--质谱

（3）蛋白质芯片

（4）酵母双杂交技术

（5）噬菌体展示技术等

[ 3 ]蛋白质芯片技术

蛋白质芯片技术可诠释为离体的“高通量的微量蛋白质识别技术”。实现的基础是探针分子的大规模集成和探针分子与样品中靶蛋白分子的特异性结合。探针可以是抗原、抗体，受体、酶、核酸、糖等。

蛋白质芯片根据相互作用原理可分为抗原-抗体芯片，受体-配体芯片,酶-底物芯片和蛋白质-核酸芯片等。

检测芯片根据方法可分为正向和反向芯片。

[ 4 ]酵母双杂交技术，用于蛋白质相互作用分析。

用于蛋白质相互作用分析。

其原理是当靶蛋白和诱饵蛋白特异结合后,诱饵蛋白结合于报道基因的启动子,启动报道基因在酵母细胞内的表达,如果检测到报道基因的表达产物,则说明两者之间有相互作用,反之则两者之间没有相互。

[ 5 ]噬菌体展示技术

噬菌体展示技术是一种将外源肽或蛋白质与特定噬菌体衣壳蛋白融合并展示于噬菌体表面的技术。

例：在编码噬菌体外壳蛋白基因上连接一单克隆抗体的DNA序列，当噬菌体生长时,表面就表达出相应的单抗，再将噬菌体过柱,柱上若含目的蛋白(抗原)，就会与相应抗体特异性结合。

[ 6 ]蛋白质质谱分析

质谱技术的基本原理是样品离子化后，根据不同离子间的质荷比(ｍ/ｚ)的差异来分离和确定分子量。根据离子化源的不同,主要可以分为电喷雾(ESI)质谱和基质辅助激光解析(MALDI)质谱两大类。

●蛋白质组生物信息学

生物信息学是指生物学与计算机科学以及应用数学等学科相互交叉而形成的一门新学科。

可用于寻找蛋白质家族保守序列和对蛋白质高级结构进行预测。

蛋白质组数据库是蛋白质组研究水平的标志和基础,瑞士的SWISS PROT拥有目前世界最大、种类最多的蛋白质数据库。

蛋白质分离与质谱鉴定技术路线图

●蛋白质组学应用：免疫学；疾病诊断（肿瘤）；遗传（多样性；作图）；药物开发；植物生理

（发育；抗性；信号传递）等

●林木蛋白质组学

林木的特点（生长周期长,高度杂合,基因组较大,遗传转化困难等）严重限制其基因组和蛋白质组学的发展,起步较迟,进展较慢。

问题：稳定性；重复性；分辨率；高费用

四、代谢组学概述

代谢组：指的是“一个细胞、组织或器官中，所有代谢组分的集合，尤其指小分子（Mr≤1 000）物质”。

代谢组学：则是一门“在新陈代谢的动态进程中，系统研究代谢产物的变化规律，揭示机体生命活动代谢本质”的科学。

与转录组学、蛋白质组学相比，具有以下优点：

( 1 ) 基因和蛋白表达的微小变化会在代谢物水平得到放大;

( 2 ) 不需进行全基因组测序；

( 3 ) 代谢物的种类远少于基因和蛋白的数目;

( 4 ) 研究对象为基因表达的终产物（现实性）。

代谢组学研究过程包括：样品制备、代谢产物分离、检测与鉴定以及数据分析与模型建立三个部分。

应用：代谢生理（次生代谢，基因功能,抗性生理等）；药物开发（药靶，新药）；毒理学（药物副作用）；疾病诊断等

第二讲光合作用

热点：

(1)放O2机理。

(2)光合作用运转及调节。

(3)光抑制。

(4)叶绿素荧光及其应用。

(5)对光、CO2响应模型及机制。

第一节叶绿体

●一、结构与成分

被膜：外膜；内膜

间质：(含可溶性蛋白质，酶类，DNA，RNA核糖体等)

类囊体(基粒)：基粒片层；间质片层

●二、化学组成

【1】叶绿体色素

种类及光化学特性

叶绿素叶绿素a，兰绿色

叶绿素b，黄绿色

类胡萝卜素胡萝卜素(α、β、γ)橙黄色

叶黄素黄色

藻胆素藻红蛋白

(仅存在于红藻、蓝藻中)

藻蓝蛋白

思考：

为何阴生植物叶绿素b/a比值高？为何b/a可作为植物耐阴性指标？

b喜吸收林下光，a喜直射光；b更喜欢蓝紫光，a喜红光。

为何定量叶绿素时用红光区吸收波长？叶绿素分子在蓝紫光区时有类胡萝卜素干扰

计算叶绿素时用以下公式：

Ca=13.95A663-6.88A645

Cb=24.96A645-7.32A663

Ct=(A652/34.5)V/G

【2】核酸:叶绿体基因组（120多个基因）

1.与光合作用有关基因：光系统Ⅰ作用中心A1,A2蛋白；光系统ⅡD1,D2蛋白；细胞色素

Cytb6/f复合物；ATP合酶;Rubisco大亚基等。

2.叶绿体基因表达所需基因：rRNA,tRNA,RNA聚合酶,DNA聚合酶,等。

3.其他基因：如，NADH脱氢酶的各个亚基

【3】蛋白质

1.色素(脂,核酸)蛋白复合体

2.电子载体

3.酶

4.转运体（膜蛋白分布不均衡）

类囊体膜上的蛋白复合体：类囊体膜上含有由多种亚基、多种成分组成的蛋白复合体，主要有四类，即光系统Ⅰ（PSI）、光系统Ⅱ（PSⅡ）、Cytb６/f复合体和ATP酶复合体（ATPase）。

蛋白复合体在类囊体膜上的分布特点

PSⅡ:主要基粒片层的堆叠区

PSⅠ与ATPase:非堆叠区

Cytb6/f复合体分布较均匀。意义：利于电子传递、H+的转移和ATP合成

叶绿体蛋白质形成特点

1.大部分多肽由核基因编码,质中合成,运入叶绿体后被加工。

2.叶绿体基因组编码的多肽仅在叶绿体起作用。

3.光对蛋白质的合成积累具有调节作用。

【4】脂类：膜脂：1.糖脂（单（双）半乳糖基甘油二酯MGDG(DGDG)）2.磷脂

类囊体(膜)脂特点:

1.糖脂含量高,而磷脂相对少。

2.不饱和脂肪酸含量高,尤其亚麻酸,使膜富于流动性。

3.非双层结构,具不对称性。意义：有利于光反应进行，参与光合反应。

●三、功能（不仅仅合成碳水化合物）

1.光合作用全过程

2.其他：A、被固定碳的储存,转运；B、亚硝酸盐硫酸盐的还原,蛋白质氨基酸的合成；C、

DNA,RNA的合成；D、脂类,萜类,酚类的合成.

●四、光合单位

位于类囊体膜上能进行完整光反应的最小结构单位。包括捕光天线系统(聚光色素蛋白复合体,LHC)包括外、内周天线；反应中心（中心色素分子P680,P700、原初电子供体、原初电子受体）。

“天线移动”假说：LHCⅡ磷酸化后，可在类囊体膜上移动，从堆叠的基粒(富含PSⅡ)区域横向移动至非堆叠的基质(富含PSⅠ)区域，并成为PSⅠ的聚光色素系统，扩大PSⅠ的捕光面积。

状态转换：

State2:激发能从PSⅡ向PSⅠ分配比例增加的状态,低荧光态。

PSⅡ还原侧 PQ还原态---蛋白磷酸激酶活性增加---LHCⅡ蛋白磷酸化---蛋白质解聚---横向迁移至PSⅠ间质膜区---扩大PSⅠ捕光面积。

State1:激发能向PSⅡ分配比例增加的状态，高荧光态。

影响状态的因素：

1.光强（质）的变化

2.电子传递体PQ及Cytb６/f复合体等氧化还原状态

状态转换的意义：

1.平衡激发能在光系统间的分配；

2.提高光能利用率；

3.防御光破坏。

第二节原初反应与叶绿素荧光

●光能的吸收与传递

(一) 激发态的形成

Chl（基态）+hυ 10－15S Chl*（激发态）

(二)激发态的命运

【1】激发态不稳定，易发生能量的转变，转变的方式：

1.放热：为何在能量利用上蓝光没有红光高？——由于叶绿素是以第一单线态参加光合作

用的。所以一个蓝光光子所引起的光合作用与一个红光光子所引起的光合作用是相同的，多余的能量在降级过程中也是以热能释放。

2.发射荧光与磷光

3.色素分子间的能量传递(光化学反应)

Chl*1＋ Chl2 Chl1＋Chl*2

供体分子受体分子

【2】传递方式

激子传递：（激子指电子激发的量子）一个色素分子受光激发后，高能电子在返回原来轨道时也会发出激子，此激子能使相邻色素分子(电子)激发。适用于分子间距离小于2nm的相同色素分子间.

共振传递：色素分子被激发后，高能电子的振动引起相邻分子中某个电子的振动(共振)，当第二个分子电子振动被诱导，变为激发态。分子间距大于2nm的色素分子间。

【3】传递方向：

总方向：反应中心，且不可逆。

问:接近反应中心的色素分子光谱吸收峰偏向红端？叶绿素b 叶绿素a？这是因为光合色素距离反应中心越远，其激发态能就越高，这样就保证了能量向反应中心的传递。【4】思考：离体色素溶液为什么易发荧光？

这是因为溶液中缺少能量受体或电子受体的缘故。在色素溶液中，如加入某种受体分子，能使荧光消失，这种受体分子就称为荧光猝灭剂，用Q表示，光反应中，Q即为电子受体。【5】猝灭：由于某种原因引起荧光水平的降低。光化学猝灭:光化学反应引起；非光化学猝灭:热耗散等

【6】叶绿素荧光分析

色素发射荧光的能量与用于光合作用的能量是相互竞争的，这就是叶绿素荧光常常被认作光合作用效能指标的依据,被认为是光合作用的内探针(无损伤)。

叶绿素荧光分析具有直观、简便，获得结果迅速，反应灵敏，可定量，对植物无破坏、干扰少的特点。可用于叶绿体、叶片，也可以遥感用于群体、群落。它既是室内光合基础研究的先进工具，也是室外自然条件下诊断植物体内光合机构运转状况、分析植物对逆境响应机理的重要方法。

【7】叶绿素(a)荧光及其应用

1.活体叶绿素荧光的起源

2.荧光产率(PSⅡ量子产率) Φf=Kf/(Kf+ Kh+ Kp×A)

Kp比其他常数大, Φf的变化主要取决于A,而A又决定于Q的氧化还原状态:

氧化态:A≈1,荧光猝灭

还原态:A≈0, Φf最大

3.活体荧光诱导动力学：叶片经过适当时间(充分)的黑暗,重新照光过程中观察到的荧光强度随时间变化曲线,又称Kautsky反应.

活体荧光诱导曲线（欧洲云杉针叶的荧光诱导曲线示意图）Ｏ→Ｐ:快反应 P→T:慢反应

O点:称死荧光,暗荧光,它是由光系统(PSII)捕光叶绿素蛋白质复合物发出的,与光合作用中的光反应无关,与激发光的强度、叶绿素含量及传能效应等有关.

Ｏ→Ｉ:表示ＰＳⅡ内发生电荷分离,证明ＰＳⅡ是有功能的.

Ｄ→Ｐ:的变化是由于照光后随着PＱ的被还原以及继续不断地被从水的裂解系统方面传送来的电子所还原.上升速率与光合放Ｏ2速率有关.

P→S:暗反应激活,消耗ＰＳⅠ还原侧电子,使PＱ重新氧化.

S→M→T:暗反应滞后,‘光合诱导’原因？思考:不经过暗适应,诱导曲线?

【8】叶绿素荧光应用领域：(1) 是研究光合作用的必须手段；(2) 逆境生理；(3) 检测农药毒害，揭示作用机理；(4) 检测营养盐缺乏（与光合有关）；(5) 植物遗传育种：品质差异，筛选良种；(6)水域生态学；(7)环境检测与监测等

活体荧光诱导曲线应用：（Fv=Fm–F0 Ｆｓ稳态荧光）

Ｆｖ/Ｆｍ：反映了ＰＳⅡ最大光化学效率(潜在)。

Ｆｖ/Ｆｏ：ＰＳⅡ的潜在活性。

Ｆｖ/Ｆｓ：的比值是叶片活力的指标，它反映了叶片的潜在光合活力.

第三节电子传递和光合磷酸化

一、电子传递：

【1】.光合链：

图光合膜上的电子与质子传递

图中经非环式电子传递途径传递4个e-产生2个NADPH和3个ATP是根据光合作用总方程式推算出的。在光反应中吸收8个光量子(PSⅠ与PSⅡ各吸收4个)，传递4个e－能分解2个H2O，释放1个O2，同时使类囊体膜腔增加8个H＋，又因为吸收8个光量子能同化1个CO2，而在暗反应中同化1个CO2需消耗3个ATP 和2个NADPH，也即传递4个e-，可还原2个NADPH，经ATP酶流出8个H+要合成3个ATP。

【2】.电子传递的类型：

1)非环式电子传递：H２O→ PSⅡ→PQ→Cyt b６/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→ NADP＋

按非环式电子传递，每传递4个e-，分解2个H2O，释放1个O2，还原2个NADP+，需吸收8个光量子，量子产额为1/8，同时转运8个H+进类囊体腔。

2)环式电子传递：

(1) PSⅠ中环式电子传递：PSⅠ→Fd→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ

环式电子传递不发生H2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜运输，可产生ATP，每传递一个电子需要吸收一个光量子。

(2) PSⅡ中环式电子传递：P680→Pheo→Q A→Q B→Cytb559→P680

3)假环式电子传递：H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→ PSⅠ→Fd →O２

Fd为单电子传递体，其氧化时把电子交给O2，使O2生成超氧阴离子自由基。

Fd还原 + O2 →Fd氧化 + O2 -

叶绿体中有超氧化物歧化酶(SOD)，能消除O2-

O2 - + O2 - + 2H2 SOD 2H2O2 + O2

假环式电子传递实际上也是非环式电子传递，也有H+的跨膜运输。

【3】.光合磷酸化机理(photophosphorylation)

类型：1)非环式；2)环式；3)假环式

机理：1)化学渗透学说；2)变构学说

酸-碱磷酸化实验：贾格道夫等(1963)在暗中把叶绿体的类囊体放在pＨ4的弱酸性溶液中平衡，让类囊体膜腔的pH下降至4，然后加进pH8和含有ADP和Pi的缓冲溶液，这样瞬间的pH变化使得类囊体膜内外之间产生一个H+梯度。

ATP合成酶也称偶联因子(coupling factor)或CF1-CFo复合体，由两个蛋白复合体组成CF1 ：含有α,β,γ,δ和ε5种亚基。

CFo ：有四个亚基Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。

叶绿体进行光合磷酸化

必须：(1)类囊体膜上进行电子传递；（2)类囊体膜内外有质子梯度；(3)有活性的ATP酶。

抑制剂——电子传递抑制剂：如阿特拉津(atrazine)、DCMU、KCN

解偶联剂：DNP(dinitrophenol,二硝基酚)

ATP酶抑制剂：寡霉素（oligomycin）

第四节核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco) Rubisco是调节光合和光呼吸，决定净光合作用的一个关键酶，酶活性的高低直接影响植物的净光合产量；也是植物可溶性蛋白质中含量最高的蛋白质，是植物体内重要的储藏蛋白。

●一、分布，合成，含量，特性，结构：Rubisco包含16个蛋白亚基：8个小亚基（SSU）和

8个大亚基（LSU）。SSU的基因rbcS存在于核中，而LSU的 rbcL基因是由质编码的。需要两个基因组的表达并需要三个亚细胞参与：细胞核，细胞溶质和叶绿体。

●二、功能

羧化：碳还原－－Ｃ3循环氧化：碳氧化－－Ｃ2循环（光呼吸）

●三、光呼吸的生理意义：

1.回收碳素；

2.维持C3光合碳还原循环的运转；

3.防止强光对光合机构的破坏作用；

4.消除乙醇酸毒害；

5.作为糖及氨基酸代谢的补充途径

●四．Rubisco活性及调节

酶活调节：

１）氨基甲酰化作用

Rubisco有活化与钝化两种形态，钝化型酶可被CO2和Mg2+激活，这种激活依赖于与酶活性中心有关的赖氨酸(Lys)的ε-NH2基与CO2(起活化的CO2不是底物CO2)的结合。

钝化型酶的与CO2作用，形成氨基甲酰化合物(E-NH·COO－)，它与Mg2+作用形成活化型的酶(E-NH·COO·Mg2+,也称三元复合体ECM)，然后底物RuBP和CO2再依次结合到活化型酶上进行羧化反应：

Rubisco只有先与CO2、Mg2+作用才能成为活化型的ECM，如果先与RuBP(或RuBP类似物)结合，就会成为非活化型的E-RuBP。

２）．Rubisco活化酶RCA(Rubisco activase)——调节Rubisco活性的酶。

在光下，活化酶由ATP活化，让RuBP与Rubisco解离，使Rubisco发生氨甲酰化，然后与CO2和、Mg2+结合形成ECM三元复合物，促进RuBP的羧化。

活化酶作用条件：生理浓度CO２，Mg2+；高浓度RuBP ；光照（ATP）。

３）．Rubisco催化机理及调节

Rubisco的羧化、氧化初速度之比可用方程表示：

ＶＣＯ２／ＶＯ２＝[ＶＣＯ２max/ＶＯ２max] ×[Ｋｍ(Ｏ2)/Ｋｍ(ＣＯ2)]×[(CO2/(O2)]

其中[ＶＣＯ２max/ＶＯ２max] ×[Ｋｍ(Ｏ2)/Ｋｍ(ＣＯ2)] 称特征因子，对一定的酶来说是个常数．因此羧化氧化速率之比决定于空气中ＣＯ２与Ｏ２浓度的相对比值。正常空气中，Rubisco同化一个Ｏ2，同时同化3～4个CO2．

第五节光抑制

●定义：植物光合机构吸收的光能超过其利用的量时，引起光合活性下降的现象，是目前高等

植物光合作用研究中的热点。它包括了光保护和光破坏两方面，主要表现为ＰＳＩＩ的光化学效率和碳同化量子效率的降低．

●原因：能量耗散增加（热耗散等）；光合机构破坏（反应中心复合体，色素等）

●部位：ＰＳII是光抑制发生的主要部位。

受体侧（还原侧）光抑制：ＱＡ还原积累等。

例：还原型Q A的积累促使三线态P680(P680T)的形成，而P680T可以与氧作用(P680T+O2→P680+1O2)形成单线态氧(1O2)；

供体侧（氧化侧）：水氧化受阻等。

例：由于放氧复合体不能很快把电子传递给反应中心，从而延长了氧化型P680(P680+)的存在时间。

Ｐ680+和1O2都是强氧化剂，如不及时消除，它们都可以氧化破坏附近的叶绿素和D1蛋白，从而使光合器官损伤。

●恢复：快恢复（与热耗散相关）；慢恢复（与光合机构破坏相关）

●植物对光破坏的保护防御机制

1、通过叶片（叶绿体）运动或表面覆盖蜡质、着生毛等减少光吸收；

2、增加电子传递体和光合关键酶含量及活化水平，提高光合能力，增加光的吸收；

3、加强非光合的耗能代谢，如光呼吸；

4、加强热耗散：

（1）捕光天线色素

（2）叶黄素循环：叶黄素循环是指叶黄素的三个组分依照光照条件的改变而相互转化。

（3）依赖ＰＳII反应中心可逆失活；

（4）依赖ＰＳII循环电子流的热耗散

(5) 状态转换（ＰＳII-----ＰＳI）

(6) 增强有害物质（如活性氧）清除系统活力；

(7) 加强ＰＳII修复循环（D1蛋白快速修复周转）

●思考题

1.光对光合作用的影响(作用)？——促进；抑制（光抑制）

(1)提供同化力所需的能量;

(2)活化光合作用关键酶及促使气孔开放;

(3)调节光合机构的发育.

2.形成光合作用诱导期的原因？

(1)C3循环中间产物的积累需要一个过程;

(2)酶系统的活化需要一个过程;

(3)气孔开放需要一定的时间.

3.轻度水分胁迫引起叶片光合作用下降的主要因素？——气孔导度下降

4.严重水分胁迫引起叶片光合作用下降的主要因素?

酶的失活；光合器官的破坏;叶绿体间质离子浓度上升，酸化。光抑制。

5.在一般条件(大田，晴)下，引起光合作用的限制因子是什么?

6.冬季一些常绿木本植物如松，竹冠层上部部分叶片变黄变白枯死的原因?

第六节影响光合速率的外界条件

光照；2.CO2；3.温度；4.水分：；5.矿质等

●与光合作用有关的常见参数或指标：

1、光合作用光响应曲线

2、光饱和点;光补偿点

3、光合作用CO2响应曲线

4、CO2补偿点；饱和点

5、光合作用的日变化，包括Pn、Gs、Tr和Ci

6、光合作用相关环境因子的日变化，如PFD、TL (叶温)、Ca(大气CO2浓度)和RH

7、光呼吸速率：2％O2、340μmol.mol-1 CO2低氧与正常大气条件下Pn之差；CO2响应曲线。

8、暗呼吸速率：无光照条件下的CO2浓度变化

9、表观量子效率（AQY）：指200 mol.m-2.s-1低光强下光—光合作用最初直线方程的斜率。

10、羧化效率（CE）：在CO2浓度低于250 mol.m-2.s-1以下时测算出CO2 －光合直线方程

的斜率。RUBPCO

11、气孔限制值（Ls）：Ls＝1－Ci/Ca 2011-10-20

12、CO2利用率（CUE）：CUE＝（Pnet×Tl－Rdark×Td）/（Pgross×Tl）

Tl和Td分别为光期和暗期（以小时计），Pgross和Pnet分别为粗、净Pn ，Rdark代表暗呼吸速率

13、RuBP最大再生速率（Vrubsico）：指CO2达到饱和点后的最大Pn。

14、温合补偿点：指Pn为0时的Tl，可反映植物对高、低温的响应。

15、水合补偿点：指Pn为0时的叶片水势，反映植物对水分胁迫的响应。

第三讲、植物的氧代谢

氧的双重性:植物的需氧性；氧潜在的危害性

氧代谢研究涉及植物生理的各领域,如光合作用、呼吸作用、衰老，逆境、细胞凋亡、信号转导等，且辐射到植物分类与演化、遗传育种、生态环境等学科的研究。

第一节活性氧的产生与转化

一、活性氧种类与特性

1、自由基：带有未成对电子的分子、原子或离子。

特点：（1）性质活泼，具有很强的氧化能力；

（2）不稳定，只能短时存在；

（3）能持续进行连锁反应。

生物自由基：生物体代谢过程产生，主要指活性氧。

2、活性氧：化学性质活泼、氧化能力很强的含氧物质的总称。

在植物体内，由于各种复杂酶类及电子载体的存在，可以使分子氧不受电子自旋限制，进行单价、双价、三价的还原，如：

O2+e----O2.-

O2+2e+2H+----H2O2

O2+3e+3H+----H2O+.OH

活性氧性质活泼，既可以植物强氧化剂，又可以作为还原剂参与许多生化过程，例:

2O2.-+2H+----O2+H2O2

二、植物体活性氧的产生的途径与部位

物质氧化：酶所催化的反应，如胞壁木质化及解体过程。

例：脂质的自动氧化

嘌呤的分解代谢

电子传递链：1、叶绿体(思考:什么情况下O2.-增加?)；2、线粒体

电子漏：呼吸链电子传递过程中部分电子在途中发生泄露，并使O2以单价形式还原成O2.-的现象。电子漏减少了ATP的产生.

三、体内活性氧的转化

植物体内的氧自由基可进行多价还原直接形成O2.-，.OH，H2O2等，也可以在体内相互转化。Fenton反应：Fe2+ + H2O2——Fe3++ .OH+ OH-

Haber-Weiss 反应：O 2.- + H 2O 2——O 2 + .OH+ OH -

通过上述反应生成比O 2.-氧化能力更强的.OH ，正常情况下，不易发生Fenton 反应，但当体

内O 2.-浓度增大或其他刺激因素存在时，会促进.OH 的产生。

如：Fe 3+ + O 2.-——O 2+ Fe 2+

Fe 3+ + AH 2——.AH+H ++ Fe 2+

.OH 是化学性质最活泼的活性氧，其作用特点是无专一性，几乎与生物体内所有物质反应，且反应快，使非自由基成为自由基，反应类型有氢抽提、加成与电子转移。

线粒体活性氧产生的途径与部位

第二节 活性氧对植物的伤害

衰老的自由基学说认为，衰老是氧伤害积累的结果，在正常情况下，植物生命过程潜伏氧伤害的累积，达一定程度即导致衰老死亡。逆境会加速活性氧的产生和积累，加速衰老。

一、高浓度氧对幼苗生长的毒害：伤害作用不是O2直接引起，而是O 2.-引起。

例：百草枯（除草剂， O 2.-源）处理花生胚轴生长情况。

百草枯——抑制

百草枯+SOD 抑制剂DDC ——加重抑制（DDC:二乙基二硫代氨基甲酸钠）

百草枯+ O 2.-清除剂——减轻抑制

二、氧自由基对细胞结构与功能的伤害

主要部位：叶绿体、线粒体 高氧环境

1、叶绿体：叶绿素降解，叶绿体发育受抑，结构破坏，光合能力下降。

2、线粒体：线粒体肿胀，嵴破坏，P/O 比下降。

三、 活性氧启动膜脂过氧化作用

1、膜脂过氧化的自由基链式反应

.OH 是启动此反应的直接因子,而O 2.- 和H 2O 2可以通过Fenton 和Haber-Weiss 反应转化成.OH 而诱发膜脂过氧化.

2、膜流动性：液晶态——凝胶态——相变温度提高——流动性下降

3、产物毒性：MDA 等直接引起细胞毒害，攻击蛋白质分子的氨基、游离氨基酸、核酸，使之发生交联、凝聚，变性，如形成脂褐色素（人体老年斑）。

四、 氧自由基对生物大分子的损伤

1、蛋白质：氨基酸侧基的修饰；肽键断裂；蛋白质交联；高级结构的破坏等。

2、酶活性

（1）使酶分子发生交联聚合；

（2）攻击巯基；

（3）修饰酶的不饱和性氨基酸；

（4）氧自由基与酶分子的金属离子起反应

例： H2O2使CuZn-SOD的Cu2+还原成Cu+，使酶失活。

3、DNA：剪切、降解、修饰。碱基修饰和单双链的断裂。降解产物可发生TBA显色反应。

思考:为何加Fe2+ 可以加剧DNA的降解?

第三节活性氧的清除系统

一、酶类

1、SOD：氧代谢的关键酶, 1938年Mann和Keitin在进行牛血红细胞分级分离时发现的,为淡蓝色含铜蛋白.1969年Mcord和Friidovich弄清了它催化发生歧化反应的性质,正式将其命名为超氧化物歧化酶。对热、酸、碱的稳定性是目前酶类中最好的一种，能抑制肾上腺素、邻苯二酚的自动氧化和氮蓝四唑的光下还原。

O2.-+2H+ ——O2+H2O2

分布，类型：

CuZn-SOD：胞质，叶绿体。（3种SOD中含量最丰富，H2O2可使Cu/Zn-SOD失活）

Mn-SOD：线粒体，细菌等原核生物

Fe-SOD：叶绿体，细菌等原核生物

属于诱导酶，在胁迫条件下ＳＯＤ基因转录水平大幅提高，酶活性增加。常用抑制剂为DDC （Cu的螯合剂）。

SOD基因工程进展：几种SODcDNA已从植物中得到克隆并用来转化不同的植物,最终获得SOD活性增强的转基因植株。

SOD基因工程：在转基因烟草、苜蓿、土豆和棉花中,叶绿体SOD的过量表达,提高了它们对氧化胁迫的耐受性; SOD在苜蓿线粒体和土豆细胞质中的过量表达,也具有同样的效果。然而转基因烟草Fe-SOD的过量表达并未提高其对冷害和盐胁迫的耐受性；用矮牵牛叶绿体CuZn-SOD cDNA转化烟草得到的转基因植株CuZn-SOD cDNA活性提高了30～50倍,但植株并未提高对百草枯或臭氧引起的氧化损伤的耐受性？以上情况说明？（思考）

2、CAT：主要存在于过氧化物酶体与乙醛酸循环体，清除光呼吸中产生的H2O2，是C3植物中H2O2清除的关键酶, 而且是C3植物耐受胁迫所必需的，对H2O2的亲和性较POX低。

HO-OH + HO-OH——2H2O + O=O

3、POD：种类较多, 主要包括GPX 和APX两种酶。位于叶绿体、胞质和线粒体，对H2O2亲和性要比CAT 高得多,能专一的清除叶绿体内的H2O2，重要的叶绿体保护酶。

HO-OH + HO-R-OH——2H2O + O=R=O

二、非酶：AsA， GSH， VE， Car，甘露醇。

次生物质：（多酚、黄酮、单宁）等。

第四节活性氧的生理意义

●细胞代谢

（1）许多酶促反应，往往以自由基的形式作为电子转移的中间产物。

如：黄酶催化反应时，电子从黄素转移时先形成黄素半醌自由基（必要的中间产物）。

底物——黄素——黄素自由基——生成物+黄素

（2）促进物质的合成与分解

如：木质素生物合成的最后一步由结合在细胞壁上的过氧化氢酶和过氧化氢使木质素单体发生聚合反应完成。

●2、抗病

[ 1 ]植物抗病.植物和病原物的互作分为：

亲和性：反应强度小，时间短。

非亲和性（１）诱发感染处的细胞发生过敏反应(ＨＲ)；

（２）局部获得抗性(ＬＡＲ)或系统获得抗性(ＳＡＲ)．

活性氧迸发被认为是植物对病原菌应答的最早期反应之一。

[ 2 ]抗病过程活性氧产生的机制

(１)ＮＡＤＰＨ氧化酶（主要）

(２)活性氧产生的其他可能机制

过氧化物酶：除了作为Ｈ2Ｏ2的清除剂之外，在特定的情况下,也能与ＮＡＤＨ等反应产生O2.-/Ｈ2Ｏ2，生成的Ｈ2Ｏ2则用于细胞壁的木质化或蛋白质的交联。

脂肪氧化酶(ＬＯＸ)；黄嘌呤氧化酶等

[ 3 ]活性氧的功能

病原体——激发子——O2.-/Ｈ2Ｏ2

直接杀死病原体

胞壁蛋白交联、木质化

信号传导 PCD

抗病基因表达病程相关蛋白

植保素

自由基介导胞调亡机理：损伤DNA引起；干扰能量代谢（线粒体）；调节凋亡通路

●3、调节光能耗散

●4、乙烯形成

(1) O2.-：Met——SAM——ACC——ETH

(2) .OH：Met-Pyp + .OH——OH-+ ETH + 其他产物

●5、调节发育：管状细胞（导管）、胚发育、胚乳细胞解体等。

第四讲植物细胞跨膜离子运转

生理意义:1.维持细胞内环境的稳定; 2.物质交换; 3.能量转换; 4.信号传递。

第一节生物膜的基本特性

一、膜的化学组成及特性

1、化学组成:膜脂、膜蛋白(酶)、糖类、无机盐、金属离子、水。

膜脂：磷脂（主要）、糖脂、甾醇。

磷脂：甘油磷脂(主要)、鞘磷脂。甘油磷脂是两性分子，分子中既有亲水部分又有疏水部分。磷酸化的头部呈亲水性，两条较长的碳氢脂酰链为尾部，呈疏水性。

2、膜的基本特性：

（1）流动性（2）不对称性（3）‘两亲性’和‘绝缘性’

疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单的扩散方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助，因此称为简单扩散（simple diffusion)。

物质跨膜运输要解决问题

1.途径：简单扩散；协助扩散

2.动力：主动运输；被动运输

二、跨膜电化学势梯度和膜电位

跨膜运输不仅取决于阻力，其速率和方向还取决于膜两侧的电化学势梯度。

电化学势=电势+化学势

某体系某种离子n的电化学势：μn= μn°+RTlnan+ZnFE μn°为标准状态下电化学势 A、B两点间的电化学势差：△μn = μnA - μnB =RTln（anA/ anB）+ZnF（EA-EB）

当△μn > 0, A→B ；△μn < 0, B→A ；△μn = 0,达动态平衡

三、Nernst方程与跨膜电位

△μn = 0,达动态平衡时:△E(跨膜电位)=-[RTln（anA/ anB）]/ZnF

该方程称 Nernst方程,表示膜电势差和膜内外离子活度(浓度)间的关系，也就是说膜电势差与膜内外离子活度比的对数成正比。△E又叫静息电位.

膜的‘超极化’：膜电势差（膜电位绝对值）增大的现象，反之称去极化。

膜电位产生原因: 带电离子在膜内外的不均匀分布.跨膜电位是细胞生理活动的重要指标或参数。膜片钳技术(patch clamp，PC)：是指使用微电极从一小片细胞膜上获取电子学信息的技术，即将跨膜电压保持恒定(电压钳位)，测量通过膜的离子电流大小的技术。PC技术主要被用来分析膜上的离子通道，借此还可用来研究细胞器间的离子运输、气孔运动、光受体、激素受体以及信号分子等的作用机理，应用范围十分广泛。

第二节膜结构中的跨膜运输蛋白（传递蛋白）及其运输机理

一、种类1离子通道蛋白；2离子泵；3离子载体；4氧化还原蛋白

离子通道蛋白(ion channel)：是细胞膜中一类内在蛋白构成的孔道。

种类：内向离子通道；外向离子通道

特点：选择性（专一性， K+、Cl－、Ｃa2+等通道）；高效快速；被动运输

通道活性调控方式：化学方式：激素，cAMP,Ｃa2+等.

电学方式:跨膜电位。

离子泵：本质上是一种离子载体，转运离子能量直接来源于ATP水解。

种类：H+-ATPase，Ｃa2+-ATPase，Mg2+-ATPase等. 其中H+-ATPase最重要。

H+ -ATPase类型：（1）P型（质膜型），主宰酶，专一的抑制剂为钒酸盐。

（2）F型（叶绿体和线粒体型），被寡酶素抑制。

（3）V型（液泡膜型），硝酸盐抑制。

特点：主动运输（初级）；选择性

ATP酶逆电化学势梯度运送阳离子

到膜外的模型

A.B.ATP酶与细胞内的阳离子M+结

合并被磷酸化；

C.磷酸化导致酶的构象改变，将离

子暴露于外侧并释放出去；

D.释放Pi恢复原构象

离子载体特点：专一性，主动（或被动）运输，具有饱和和竞争效应。

思考：如何区分溶质是经通道还是经载体进行转运？

与离子通道区别：（1）载体不形成孔道结构；（2）运输方式（动力学符合米氏方程）

膜氧化还原蛋白

膜氧化还原系统:位于膜中的电子传递链(电子供体氧化酶、电子载体、电子受体还原酶），通过氧化还原酶的作用和电子载体的传递作用，将电子（质子）从供体物质传到受体物质。例：α-磷酸甘油穿梭；类囊体膜上PQ穿梭将膜外质子传入囊腔。

第三节质膜传递蛋白的生理功能（举例说明）

1、控制细胞内环境

2、营养物质吸收

3、控制细胞伸长生长

4、植物运动

5、极性生长

6、渗透调节

7、逆境反应

8、信号传导

例：气孔运动的机理

“淀粉—糖转化学说”，即淀粉转化为葡萄糖时开孔，葡萄糖转化为淀粉时闭孔。以后的实验证明，保卫细胞的水势变化是由K+及苹果酸等渗透调节物质进出保卫细胞引起的（表2-5）。

第五讲植物生长物质

第一节植物生长物质的种类与特征

●一、特征

植物激素：内生的；能移动的；低浓度（1μmol/L以下）有调节作用；非结构及能源物质。

植物生长调节剂：人工合成的(或外施)。

●二、种类

按合成途径及来源:

1、氨基酸衍生物：生长素，乙烯，多胺，水杨酸，系统素等；

2、萜类：赤霉素，脱落酸，细胞分裂素，油菜素内酯，玉米赤霉烯酮，三十烷醇，膨压素，

独角金内酯等；

3、脂类及其衍生物：茉莉酸；油菜素内酯。

4、糖类：寡糖素。

第二节生长素极性运输及作用机理

●生长素作用机理

植物激素生理作用：1、信使(信号转导)；2、基因表达调控

激素信号的感受、信号的转导、最终的生理反应。

生长素受体位置：

1、膜系统：质膜（主要），内质网或液泡膜

2、细胞质(或细胞核)：可溶性

思考：生长旺盛季节（春夏）激素处理效果好，而冬天一般效果差？

生长素作用机理：酸生长理论（解释快反应）；

基因激活说—促进核酸和蛋白质的合成

●问题

1、生长素所引起伸长的滞后期(10～15min)比酸所引起伸长的滞后期(1min)长？

由于生长素与H+-ATP酶的结合和随之带来的H+的主动分泌都需要一定的时间。

2、生长素所诱导的细胞壁可塑性的增加只有对活细胞才有效，对死细胞不起作用；而H+所引起的这种效

应对死、活细胞都有效？

质子泵是一种蛋白质，只有活细胞并在ATP的参与下才具活性，使得H+泵出细胞进入细胞壁，酸生长反应才可进行。激素与受体的结合也需要ATP。

●二、生长素极性运输与植物的许多生长发育过程相关，如向光性、向地性、顶端优势、根形

成、花发育、胚胎的形态建成和微管组织的模式形成等。

（1）极性运输：生长素的极性运输是指生长素在植物体内由形态学的一端向形态学的另一端单向运输的现象。

茎：茎尖——茎基（通过微管形成层及其分化薄壁细胞）

根：中柱细胞：根基——根尖表皮细胞：根尖——根基

（2）生长素极性运输方向：近来发现生长素也可以从根深长区表皮层重新流入中柱, 然后向下流动, 如此循环(Blilou et al.,2005)。生长素还会从中柱向茎或根侧面分布, 这可能也是植物两侧不对称生长的基础。只有活性形式的生长素可以进行极性运输。极性运输速度慢，可被TIBA、NPA(萘基邻氨甲酰苯甲酸)抑制剂抑制。生长素活性愈强，极性运输愈强。

非极性运输：被动、快速，通过韧皮部，可上下双向，不受TIBA、NPA抑制。

●极性运输机理：化学渗透扩散假说

被动扩散：以IAA方式。

输入载体：IAA-与质子协同运输。

输出载体：能与TIBA、NPA结合。

导致极性运输的关键：

（1）IAA输出载体蛋白在质膜上的不均匀（极性）分布；

（2） IAA-不易透过膜。

●影响极性运输因素

1、IAA自身调节：豌豆除顶后，极性运输下降甚至消失？

2、氧

3、抑制剂：抗生长素类化合物如2，3，5三碘苯甲酸（TIBA）和萘基邻氨甲酰苯甲酸（NPA）。

4、矿质元素：Ca,B,Zn

●极性运输输出载体

植物极性运输控制依赖于输入载体和输出载体分布、活性及其调控与平衡。

生长素极性运输的方向是由输出载体决定。

如：拟南芥中PIN家族蛋白是最重要的一类。它包括8个成员, 是目前研究得最多的PAT 输出载体。不同的PIN 家族成员在不同类型的细胞中分布, 对于植物生长发育具有不同的功能。

第三节赤霉素

●结构与活性：四环双萜羧酸类化合物,种类较多,其基本结构为赤霉烷.

结构与活性关系

（1）A环有无内酯：C19羧酸与C10形成内酯桥，活性高。

（2）羟基位置与数目(OH)：3、13位有羟基，活性高。

（3）A环不饱和程度（是否有双键），C1=C2有，活性大（GA3、7）.

（4）羧基：有活性赤霉素C7位都有羧基.

（5）存在状态：自由态,活性高；束缚态活性低.

GA极性:取决于羟基,羧基,主要取决于羟基.GA1/3>GA4/7。极性大,水溶性高,运输快.

●二、GA生物合成及代谢调控

前体:甲瓦龙酸

合成历程:3个阶段

（1）从异戊烯焦磷酸到贝壳杉烯阶段；

（2）从贝壳杉烯到GA12醛阶段；

（3）由GA12醛转化成其它GA的阶段。