完整叶片降低光照强度后的CO_2猝发现象和光呼吸强度的数量关系

当进行光合作用的烟草叶片从照光转变到黑暗时,Decker发现了CO_2的猝发现象(Post Illumination CO_2 Burst或PIB),从而证明了高等植物中光呼吸的存在。由于光呼吸在植物生理基础理论研究及农业应用研究方面都具有重大的理论意义和实践意义,对光呼吸及其相关问题的研究在植物生理研究史上进入了一个“文艺复兴”新时期。但至今尚没有一个     

一种烟草突变型二磷酸核酮糖(RuBP)羧化酶/加氧酶的性质

烟草黄化突变型是 Nicotiana tabacum(var. John Wi11iams Broadleaf)的一种核突变体。在适中的光照条件及空气二氧化碳浓度下,这种黄色突变型的生长速度比野生型要缓慢得多。Zelitch曾报道:烟草黄色突变型的光呼吸作用比深绿色的野生型要高2至3倍,而突变型的净光合作用却比野生型的要低。RuBP羧化酶是光合作用及光呼吸过程中起关键作用的酶,其小亚基是由细胞核DNA所编码的。因此,阐明这种核基因突变是否影响到RuBP羧化酶的结构及性质将是重要而有趣的问题。     

小麦和大豆叶片荧光参数对强光响应的差异

自然条件下高等植物的上层叶片经常受到强光的胁迫,尤其在晴天中午,光照强度远远超过叶片光合作用的饱和光强.为避免其光合器官被破坏,植物在漫长的进化过程中形成了一系列的保护机制,如改变叶片角度以减少所接受的光能,依赖叶黄素循环、光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心失活和PSⅡ循环电子传递的热耗散等.近年来,人们对于依赖叶黄素循环耗散掉过多激发能的保护机制研究得较多、较深入.但是,这种保护机制是否在所有植物中都能够发挥主要的作用呢?我们通过比较小麦和大豆叶片荧光参数对强光响应的异同,对这个问题进行了探讨.     

二氧化碳对农作物生长有利因素的得与失

二氧化碳除能在大气圈中产生温室效应外,还可以起很多其它作用,其中它对植物能起很直接很有效的作用。CO_2是光合作用的原料之一,所谓光合作用就是绿色植物利用光能把CO_2、H_2O和其它矿物营养素转化成有机化合物的过程。然而,许多植物,其中包括那些生活在气候适宜地区的大多数农作物,消耗掉了它们通过被称作光呼吸过程所固结的碳量的1/4—1/2之多,且区域温度越高,这种失碳量也越多。一些科学家指出增加大气层中CO_2的浓度必定     

水稻幼苗根对碳素的吸收

关于高等植物能由根系吸收CO_2是已知的事实。但在水稻中是否有此过程,以及环境条件如何影响这个步驟,則尚无报导。本文初步报告水稻幼苗根系吸收CO_2的作用及光对这个活动的影响。試驗用的水稻幼苗用水培法培育,苗龄約十五天左右;黄化幼苗是在黑暗条件下培育的。     

实验室模拟卫星热红外增温机制的研究

我们在前人关于岩石加载破裂的电磁波辐射研究基础上,把震前孕震区大范围出现CH_4,CO_2等气体浓度增加及低空大气电场异常联系起来,提出卫星热红外增温震兆的一种机制,即震前大气中CH_4,CO_2等气体浓度增加,它们在变化的电场和太阳辐射作用下引起温度升高.为此,我们在实验室中作模拟研究.     

CO2浓度对中肋骨条藻的光合无机碳吸收和胞外碳酸酐酶活性的影响

为探讨低光照(30 μmol·m-2·s-1)和高光照(210μmol·m-2·s-1)条件下海水CO2浓度变化对海产硅藻中肋骨条藻(Skeletonema costatum)的生理影响,对该藻生长及其光合CO2吸收和胞外碳酸酐酶(CAext)活性进行了测定,结果表明,在低光条件下,CO2浓度变化(4～31 μmol/L CO2)对该藻的生长和净光合速率的影响比高光条件大.CAext在12和31 μmol/L CO2时没有检测出活性;但在4 μmol/L CO2时则有明显活性,且其高光条件下的活性是低光条件下的2.5倍.细胞光合作用对CO2的亲和力随着培养液中CO2浓度升高而下降.另外,高光条件下细胞的光合CO2亲和力明显高于低光条件.这些结果表明,CAext的活性和光合CO2亲和力不仅受CO2浓度而且受到光照强度的调节;在高光照条件下,即使CO2浓度较低,细胞的高CAext活性和光合CO2亲和力也能够提供充足的CO2供其光合固碳所需.     

植物叶片最大羧化速率对多因子响应的模拟

植物叶片最大羧化速率是表征植物光合能力的重要参数,建立植物叶片最大羧化速率的模拟模型将有助于准确预测植物的光合作用和陆地生态系统生产力.植物叶片最大羧化速率与环境因子之间存在诸多相关性,分析植物叶片最大羧化速率与环境因子的相关关系是建立植物叶片最大羧化速率模拟模型的有效途径.对来自104篇文献的植物叶片最大羧化速率数据及其对应的环境因子进行整理和分析发现,植物叶片最大羧化速率受温度、土壤含水量、CO2浓度以及土壤含氮量的显著影响.其中,温度、土壤含水量和CO2浓度均与植物叶片最大羧化速率呈单峰型曲线关系,土壤含氮量与植物叶片最大羧化速率呈显著的线性关系.据此,建立了温度、土壤含水量、CO2浓度以及土壤含氮量综合影响的植物叶片最大羧化速率模型.验证表明,该模型能较好地模拟不同环境条件下植物叶片的最大羧化速率,为陆地生态系统模型准确模拟植物光合作用提供了参数依据.     

粮食作物产量对气候变暖的响应

玉米、小麦和水稻是主要粮食作物,总收获面积和总产量分别占全球禾谷类作物的79%和90%.气候变暖导致主要粮食作物减产.玉米对气候变暖的敏感性高于小麦,温度升高1℃导致全球玉米减产3%~12%,小麦减产3%~9%;温度升高有利于中、高纬度地区水稻生产,但导致低纬度地区水稻减产.作物产量对气候变暖的响应呈非线性,当温度高于作物生长的适宜温度时,产量对气候变暖的敏感性随温度升高的幅度进一步增强.热带地区作物产量对气候变暖的敏感性高于温带地区;雨养农业区作物产量对气候变暖的敏感性高于灌溉农业区,灌溉可有效降低高温对作物产量的负面影响.大气CO_2浓度升高促进作物生长,CO_2施肥效应能在一定程度上补偿由于气候变暖导致的粮食作物减产.气候变暖导致粮食作物减产以及CO_2浓度升高促进作物生长已有共识,但对气候变暖下CO_2施肥效应的认知存在极大的不足,其主要原因是自然状态下CO_2浓度升高和增温对作物生长的交互作用的实验研究太少.未来研究重点应拓展FACE(free-air CO_2 enrichment)条件下的增温实验,通过不同CO_2浓度梯度下的增温实验,结合其他因子(水分、氮素等)的调控,精细量化不同条件下的CO_2施肥效应,并据此发展和完善作物模型,进而客观评估未来气候变暖情景下CO_2的施肥效应及其对作物减产的补偿作用.     

CO2电化学还原过程中电解质研究现状及趋势

随着工业化的迅速发展,大气中CO_2含量逐步增加并造成日益严重的环境问题.合理利用CO_2并将其转变为有用的燃料或化学品,成为国际学术界和工业界共同关注的热点.电化学还原CO_2因反应条件温和、反应产物可调,且利用可再生或分布式电能,而受到研究者青睐.在CO_2电化学还原体系中,电解质为CO_2分子的传输及电化学还原提供了重要的环境,且作为导电介质,构成了闭合电路.研究表明,电解质种类、浓度和pH等均会改变电极表面反应环境的性质,影响产物的电流密度和选择性,在CO_2电化学还原过程中起到重要的作用.本文针对国内外CO_2电化学还原过程中各类电解质的研究现状及性能等进行了论述,重点总结了碱金属盐和离子液体两类电解质对电化学还原CO_2反应的电流密度、产物选择性和过电势等的影响,分析了CO_2还原生成不同产物的机理,展望了CO_2电化学还原电解质体系的研究和发展趋势.     

光敏色素B介导光信号影响水稻的脱落酸途径

研究表明,拟南芥中光敏色素介导的光信号与植物激素脱落酸(abscisic acid,ABA)途径相互作用.但水稻光敏色素与ABA途径之间是否相互影响仍不清楚.利用野生型和phyB突变体水稻作为研究材料,分析phyB介导的光信号对ABA生物代谢和ABA反应的影响.结果表明,ABA合成代谢相关基因OsNCED1,OsNCED2,OsNCED3和OsNCED4在phyB突变体中的表达水平明显高于野生型,而ABA降解代谢基因OsABAOX1则相反,这可能解释了phyB突变体积累较多内源ABA的原因.外源ABA处理明显抑制黑暗和光照下生长的水稻种子的萌发,但光照条件下ABA对phyB突变体种子萌发的抑制效果更明显.据此推测,phyB感受的光信号消弱了ABA对种子萌发的抑制效果.通过分析部分已报道的种子萌发相关基因在正常或ABA处理的野生型和phyB突变体中的表达水平,结果表明,phyB介导的光信号对水稻种子萌发的调控作用可能与这些基因无关.此外,在红光条件下,ABA处理能够抑制水稻幼苗地上部分的生长,野生型和phyB突变体对ABA处理的反应基本相同;但是ABA对phyB突变体主根生长的抑制效果显著高于野生型,这个结果表明phyB介导的光信号不影响ABA对水稻幼苗地上部分生长的抑制效果,但负调控ABA对主根生长的抑制效果.上述研究结果表明,phyB介导的光信号负调控水稻ABA的积累和ABA反应.本研究揭示了水稻光敏色素对ABA途径的影响,为深入研究光信号途径和ABA途径之间协同调控水稻发育的分子机制奠定了基础.     

OH胁迫下稻苗体内脯氨酸积累及其抗氧化作用

脯氨酸(Pro)是植物蛋白质的组分之一,并可以游离状态广泛存在于植物体中.在干旱、盐渍等胁迫条件下,许多植物体内脯氨酸大量积累.积累的脯氨酸除了作为植物细胞质内渗透调节物质外,还在稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解除氨毒以及作为能量库调节细胞氧化还原势等方面起重要作用最近,Smirnoff等根据体外脯氨酸抑制OH作用下的水杨酸羟基化速率及外源脯氨酸降低强光下芥菜子叶类囊体膜脂过氧化作用而增强其光化学活性的实验,认为脯氨酸具有清除OH的作用 然而,植物内源脯氨酸是否具有清除OH的作用,尚缺乏证据.本文以Fenton 反应(Fe~(2 ) H_2O_2)作为OH源,研究了不同浓度OH源对杂交稻内源脯氨酸含量的影响,同时研究了外源脯氨酸对OH启动的稻苗膜脂过氧化作用的抑制效应,旨在为氧化胁迫下脯氨酸作为植物内源OH清除剂的论点提供实验证据     

转PEPC基因水稻的光合CO_2同化和叶绿素荧光特性

以转PEPC, PPDK, NADP-ME, PEPC + PPDK酶基因水稻及原种为材料, 比较C4途径有关光合酶活性、叶绿素荧光参数、CO2交换等生理指标, 重点研究了转PEPC基因水稻的生理特性, 结果如下: (1) 转PEPC基因水稻PEPC活性比原种高20倍; 光饱和光合速率比原种高55%, 羧化效率提高50%, CO2补偿点降低27%. (2) 在高光强(3 h)或光氧化剂甲基紫精(MV)处理后, 与原种相比, 转PEPC基因水稻的PSⅡ光化学效率(Fv/Fm), 光化学猝灭(qP)下降较少, 证明其耐光抑制和耐光氧化能力增强. (3) 在高光强条件下, 转PEPC基因水稻中RuBPCase活性变化不明显, 但碳酸酐酶(CA)诱导活性增加1.8倍. 这些结果为揭示高光合效率机理和高光合效率育种提供了有益的启示.     

氯乙酸盐对PSII氧化侧电子传递抑制机理的研究

近年来,由于物理、化学及生物多学科间的交叉渗透,人们在本质上加深了对光合作用反应中心结构和功能的了解,同时推动了人工模拟光合作用的研究.尽管人们对绿色植物光系统II反应中心(PSII)的认识已相当深刻,但在反应机制上仍有许多问题有待探索.在关于负离子抑制PSII电子传递的研究中,我们曾发现一卤乙酸盐抑制电子传递的程度与分子的疏水性有关.本文进一步报道氯乙酸盐在PSII氧化侧有一重要抑制位置.它们对PSII电子传递的抑制程度与乙酸分子上氢被氯替代的数目、分子的疏水性及分子几何模型具有相关性.本工作有助于光合放氧机理的进一步研究.     

紫外线B(UVB) 对中国南部海湾浮游植物光合作用速率的影响

紫外线B(UVB)能抑制浮游植物的光合作用. 但紫外线在水中会较快的衰减, 因此在水柱中UVB抑制浮游植物光合作用的程度也不同. 此研究的目的是: 定量研究UVB对水柱中浮游植物的光合速率和光量子产额垂直分布的影响, 以及在浮游植物有不同光暴露历史的情况下UVB对浮游植物的抑制率. 在亚热带的广东沿岸海湾(澳头的一个半封闭水域)的实验表明: 在自然光(有UVB)照射下时, 水柱的光合作用速率(P)和光量子产额(Φ_max)比在无UVB照射下更小, 其中最大光合作用速率(P_max)比在无UVB照射下减少了11% ~ 22%, 最大光量子产额Φ_max减少了17% ~ 49%. 文中用了简化的模型(指数衰减曲线函数)来描述水柱中UVB光合作用的抑制率的垂直分布, 并计算出UVB对整个水柱的光合抑制率. 光变换实验中, 表层和底层(4 m)的水分装到几个平行瓶中进行有UVB和没UVB的培养; 实验表明在相同的UVB照射下, 相对于表层浮游植物的光合作用速率, 底层(4 m)浮游植物将更容易受UVB的抑制.     

光合作用机制研究的目前情况和存在问题

光合作用的基本过程是植物通过叶绿素和酶活动,利用日光能将 CO_2和水同化为碳水化合物,如葡萄糖和淀粉。这个过程的简单表达方式是:6CO_2 6H_2O 光(hv)(?)叶绿素(chl)C_6H_(12)O_6 6O_2     

快速融冰背景下北冰洋夏季表层海水CO_2分压的变异假设

近几年来,夏季北冰洋融冰出现明显加快的态势.融冰过程引起了表层海水CO_2浓度的变化,在2008年中国国家北极科学考察(CHINARE)航次通过深入到88°N的北冰洋中心区的170°W断面观测,发现表层海水中CO_2在冰覆盖下,融冰区和融冰后开阔水域等不同状况下出现了明显的变异性.针对所观测到的表层海水二氧化碳分压(pCO_2)变异性现象,我们提出了北冰洋快速融冰情景下的表层海水pCO_2变异的"低-低-高"假设,即海冰覆盖下的海水是"低"p CO_2,刚融冰的海水是"低"pCO_2,而融冰后的开阔海水会出现"高"pCO_2.出现这种"低-低-高"pCO_2变异现象是由不同驱动过程引起的.冰覆盖下海水低pCO_2,控制因素可能是水体受到不同水团的混合过程、温度变化、冰-水CO_2交换和生物冰藻微吸收CO_2过程控制,其主要诱因还需要进一步探索;现场观测表明刚融冰时海水的低pCO_2主控因素可能是生物的CO_2吸收,以及CaCO3溶解共同作用;而融冰后开阔海水的高CO_2已被论证为由于大气中CO_2快速进入海水和水体增温引起的.     

开放式空气CO2浓度增加条件下水稻对土壤微污染铜胁迫响应

在开放式空气CO₂浓度增加(FACE)平台下, 采用盆栽试验, 初步研究了CO₂浓度升高至570 μmol·mol^-1时, 水稻叶片对土壤二级Cu污染胁迫的响应. 结果表明: 当CO₂浓度升高至570 μmol·mol^-1时, 水稻叶片中Cu含量与对照圈(Ambience)相比有降低的趋势, 尤其当土壤受到二级Cu污染时, 降低趋势更明显; 在FACE条件下, 二级Cu污染引起水稻叶片超氧化物歧化酶(SOD酶)活性在水稻整个生长阶段受到诱导, 而还原型谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量没有显著变化. 在自然CO₂浓度下, 二级Cu污染造成了SOD酶活性在水稻整个生长阶段受到抑制; 而GSH和GSSG含量受到诱导, 在拔节期诱导率最大, 后期恢复到对照水平. 随着水稻生长发育, 丙二醛(MDA)的含量不断上升, 但是在同一生长阶段FACE圈和Ambience圈各处理组之间没有显著差异. 高浓度CO₂下, 水稻对二级Cu污染胁迫响应部分指标发生变化的机制有待于进一步的研究.     

生物圈二号内生长在很高CO2浓度下的几种植物光合能力的变化

植物对CO_2浓度升高的响应表现在短期反应和长期适应两个方面。在短期反应方面:(1)光合作用起初随CO_2浓度升高而得到促进;(2)但随时间的延长表现为光合强度下降。这种现象主要与实验控制条件如光照、水分、养分及植物的生长空间受限有关。因而在对全球变化引起的植物适应研究方面,进行长期反应即适应(Acclimation)实验研究更有意义。但目前所进行的有关研究,植物生长的空间仍很小,且对幼苗处理为主,不能进行较大植株(尤其是高大树木)的实验。生物圈二号建于1991年,占地面积1.28hm~2,植物生长空间12.9×10~(14)m~3。原设计目的是为今后太空探险作准备,试图寻找适应人类生存的人工生态系统。但住人封闭实验后,CO_2浓度升高很快。1991年6月为500μmol·mol~(-1),到1992年2月即达到2500μmol·mol(-1);1993年2月升至4000μmol·mol~(-1);以后CO_2浓度维持在1000(夏季)～4000μmol·mol~(-1)(春季)之间。封闭实验2.5年后即不再继续住人实验。但是,生物圈二号却提供了世界上独一无二的全球变化研究的理想场所。里面的植物生长在很高的CO_2浓度里(平均>2200μmol·mol~(-1)约4.5年,且大多从种子或幼苗开始生长。生物圈二号内有热带雨林、沙漠、萨王纳群落、红树林、海洋、农田等多种类型的生态系统,约1000     

跨膜Ca2+梯度的消失影响红细胞膜脂的不对称性分布

正常生理条件下,红细胞内Ca~(2+)浓度为10~(-6)mol/L,而血液中的Ca~(2+)浓度则约10~(-3)mol/L,因此红细胞膜两侧存在着1000倍的跨膜Ca~(2+)梯度.有报道在贫血病人的红细胞或老化的红细胞中,红细胞内的Ca~(2+)浓度大幅度上升,导致了跨膜Ca~(2+)梯度的下降.我们曾报道过一个合适的跨膜Ca~(2+)梯度可通过膜脂调节质膜腺苷酸环化酶、肌质网Ca~(2+)-ATP酶的构象和活力.最近,我们又初步报道了一个合适的跨膜Ca~(2+)梯度是红细胞带3蛋白(Band-3)表现较高阴离子转运活力所必须的.那么这种调节作用是否也是通过膜脂进行的呢?众所周