光合速率的测定方法.doc

光合速率的测定方法湖南邵东三中 杨连进光合作用是高考的重点内容，如何提高光合作用总产量，是科研人员一直要解决的与人类社会和生活息息相关的生物学问题，而提高光合作用总产量的关键是提高光合作用速率(简称光合速率)。光合速率指单位时间、单位叶面积的CO2的吸收量或者是O2的释放量；也可以用单位时间、单位叶面积干物质积累数表示。通常以每小时每平方分米叶面积吸收二氧化碳毫克数表示（mg/ dm2h），一般测定光合速率的方法都没有考虑叶子的呼吸作用，所以测定的结果实际是光合作用速率减去呼吸作用速率的差数，叫做表观光合速率或净光合速率。若能测出其呼吸速率,把它加到表观光合速率上去,则可测得真正光合速率，真正光合速率=表观光合速率+呼吸速率。光合速率常见的测定方法有哪些呢？光合速率又是如何计算的呢？请看以下几种光合速率的测定方法。1.“改良半叶法”-测光合作用有机物的生产量，即单位时间、单位叶面积干物质产生总量植物进行光合作用形成有机物，而有机物的积累可使叶片单位面积的干物重增加，但是，叶片在光下积累光合产物的同时，还会通过输导组织将同化物运出，从而使测得的干重积累值偏低。为了消除这一偏差，必须将待测叶片的一半遮黑，测量相同时间内叶片被遮黑的一侧单位面积干重的减少值，作为同化物输出量（和呼吸消耗量）的估测值。这就是经典的“半叶法”测定光合速率的基本原理。测定时须选择对称性良好、厚薄均匀一致的两组叶片，一组叶片用于测量干重的初始值，另一组（半叶遮黑的）叶片用于测定干重的终了值，不但手续烦琐，而且误差较大。“改良半叶法”采用烫伤、环割或化学试剂处理等方法来损伤叶柄韧皮部活细胞，以防止光合产物从叶中输出（这些处理几乎不影响木质部中水和无机盐向叶片的输送），仅用一组叶片，且无须将一半叶片遮黑，既简化了手续，又提高了测定的准确性。实验可在晴天上午78点钟开始。预先在田间选定有代表性的叶片（如叶片在植株上的部位、年龄、受光条件等应尽量一致）10张，挂牌编号。叶片基部处理 根据材料的形态解剖特点可任选以下1种： （1） 对于叶柄木质化较好且韧皮部和木质部易分开的双子叶植物，可用刀片将叶柄的外皮环割0.5cm左右宽，切断韧皮部运输。（2） 对于韧皮部和木质部难以分开的小麦、水稻等单子叶植物，可用刚在开水（水温90以上）中浸过的用纱布包裹的试管夹，夹住叶鞘及其中的茎秆烫20秒左右，以伤害韧皮部。2个夹子可交替使用。如玉米等叶片中脉较粗壮，开水烫不彻底的，可用毛笔蘸烧至110120的石蜡烫其叶基部。 （3） 对叶柄较细且维管束散生，环剥法不易掌握或环割后叶柄容易折断的一些植物如棉花，可采用化学环割。即用毛笔蘸三氯乙酸（蛋白质沉淀剂）点涂叶柄，以杀伤筛管活细胞。 为了使经以上处理的叶片不致下垂，可用锡纸、橡皮管或塑料管包绕，使叶片保持原来的着生角度。 剪取样品 叶基部处理完毕后，即可剪取样品，记录时间，开始进行光合速率测定。一般按编号次序分别剪下对称叶片的一半（中脉不剪下），并按编号顺序将叶片夹于湿润的纱布中，放入带盖的搪瓷盘内，保持黑暗，带回室内。带有中脉的另一半叶片则留在植株上进行光合作用。过45h后（光照好，叶片大的样品，可缩短处理时间），再依次剪下另外半叶。同样按编号包入湿润纱布中带回。两次剪叶的次序与所化时间应尽量保持一致，使各叶片经历相同的光照时数。 称重比较 将各同号叶片之两半对应部位叠在一起，用适当大小的模板和单面刀片（或打孔器），在半叶的中部切（打）下同样大小的叶面积，将光暗处理的叶块分别放在两个称量皿（或铝盒）中（必要时放在20个称量皿中，每一样品放入一个称量皿）。先在105下杀青10min,然后在80下烘至恒重（约5h），在分析天平上分别称重，将测定的数据填入表21-1中，并计算结果。 计算 （1）按干物质计算 光合速率（mgdm-2h-1）=（光-暗）干重增量（mg）叶片切块面积（dm-2）光合时间（h） （2）按CO2同化量计算 由于叶片内光合产物主要为蔗糖与淀粉等碳水化合物，而1mol的CO2可形成1mol的碳水化物，故将干物质重量乘系数1.47（44/30=1.47），便得单位时间内单位叶面积的CO2同化量（mgdm-2h-1）。 上述是总光合速率的测定与计算，如果需要测定净光合速率，只需将前半叶取回后，立即切块，烘干即可，其他步骤和计算方法同上。例1某研究小组用番茄进行光合作用实验，采用“半叶法”对番茄叶片的光合作用强度进行测定。其原理是：将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法（可先在叶柄基部用热水、或热石蜡液烫伤或用呼吸抑制剂处理）阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6小时后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合作用强度，其单位是mg/(dm2h)。问题：若M=MB-MA，则M表示。解析： 本方法又叫半叶称重法，常用于大田农作物的光合速率测定。如图1所示，A部分遮光，这半片叶片虽不能进行光合作用，但仍可照常进行呼吸作用。另一半B部分叶片既能进行光合作用，又可以进行呼吸作用。题中：MB表示6小时后叶片初始质量+光合作用有机物的总产量-呼吸作用有机物的消耗量，MA表示6小时后初始质量-呼吸作用有机物的消耗量，所以，M=MB-MA，就是光合作用有机物的经过6小时干物质的积累数（B叶片被截取部分在6小时内光合作用合成的有机物总量）。这样，真正光合速率（ 单位：mg /dm2h）就是M值除以时间再除以面积就可测得。答案B叶片被截取部分在6小时内光合作用合成的有机物总量变式训练1某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合作用速率，做了如图所示实验。在叶柄基部作环剥处理(仅限制叶片有机物的输入和输出)，于不同时间分别在同一叶片上陆续取下面积为1cm2的叶圆片烘干后称其重量，测得叶片的叶绿体光合作用速率=(3y一2zx)6 gcm-2h-1(不考虑取叶圆片后对叶生理活动的影响和温度微小变化对叶生理活动的影响)。则M处的实验条件是()A下午4时后将整个实验装置遮光3小时B下午4时后将整个实验装置遮光6小时C下午4时后在阳光下照射1小时D晚上8时后在无光下放置3小时解析起始干重为上午10时移走时的叶圆片干重x克，从上午10时到下午4时，叶片在这6小时内既进行光合作用，又进行呼吸作用，所以下午4时移走的叶圆片干重y 克减去上午10时移走时的叶圆片干重x克的差值，就等于该叶圆片净光合作用干物质量：（y一x）克。若要求出呼吸作用干物质量，应将叶片遮光处理，先假设叶片遮光处理为M小时后干重为z克， 下午4时移走的叶圆片干重y 克减去叶片遮光处理M小时后的干重z克差值，就是呼吸作用干物质量：（y一x）克。已知：测得叶片的叶绿体光合作用速率=(3y一2zx)6 gcm-2h-1，据真正光合速率=表观光合速率+呼吸速率，得出：（3y一2zx)6 = （y一x）/ 6 + （y一x）/ M ，计算出M = 3小时 ，A选项正确。2.气体体积变化法测量细胞呼吸和净光合作用速率如下图所示(忽略温度对气体膨胀的影响): （1） 植物细胞呼吸速率 装置：装置的烧杯中放入适宜浓度的NaOH溶液；将玻璃钟罩遮光处理，放在适宜温度的环境中；一段时间后记录红墨水滴移动的方向和刻度，得X值 红墨水滴移动方向：向左移动X，X可表示植物细胞呼吸速率 原因分析：将玻璃钟罩遮光处理，绿色植物只进行细胞呼吸，植物进行有氧呼吸消耗O2，而释放的CO2气体被装置烧杯中的NaOH溶液吸收，导致装置内气体量减小，压强减小，红墨水滴向左移动（2） 植物净光合作用强度 装置：装置的烧杯中放入NaHCO3缓冲溶液；将装置放在光照充足、温度适宜的环境中；一段时间后记录红墨水滴移动的方向和刻度，得Y值 红墨水滴移动方向：向右移动Y，Y值可表示植物净光合作用强度 原因分析：将玻璃钟罩遮光处理，绿色植物只进行细胞呼吸，植物进行有氧呼吸消耗O2，而释放的CO2气体被装置烧杯中的NaOH溶液吸收，导致装置内气体量减小，压强减小，红墨水滴向左移动例2 2013黄冈模拟 在CO2浓度为0.03%和适宜的恒定温度条件下，测定植物甲和植物乙在不同光照条件下的光合速率，结果如图1所示。 图1 图2请回答下列问题： (1)a点时，植物乙叶肉细胞中产生ATP的场所有_。若在c点时突然停止CO2的供应，则短时间内植物甲的叶绿体中_(填“C3”或“C5”)的含量会增加，d点时限制植物乙的光合速率增大的主要环境因素是_。 (2)当光照强度为3 klx时，植物乙的总光合速率是_mg/(100 cm2叶小时)。 (3)如果用图2所示的装置来探究光照强度和光合作用速率的关系，且测量指标为装置中O2含量的变化，为排除环境等因素对实验的影响，则该装置需要进行适当修改，具体修改措施是_。为使测得的O2的变化量更精确，还应再设置对照，设计方法为_。解析 (1)a点植物乙既进行光合作用又进行呼吸作用，产生ATP的场所是细胞质基质、线粒体、叶绿体。c点停止CO2供应，细胞内C5转化成C3的反应停止，而C3还原生成C5和糖类等有机物的反应依然在进行，故C3含量减少，C5增加。d点限制光合作用的主要环境因素是CO2浓度(排除光照强度和温度，因为题干中描述实验时的温度为适宜的恒定温度条件)。(2)光照强度为3 klx时，植物乙净光合速率为零，故总光合速率呼吸速率20 mg/(100 cm2叶小时)。(3)用图2所示的装置来探究光照强度和光合作用速率的关系，且测量指标为装置中O2含量的变化，应该排除CO2对装置内气压的影响，故将小烧杯中的蒸馏水换成CO2缓冲液或碳酸氢钠溶液，以保证装置内CO2浓度的相对稳定。为使测得的O2的变化量更精确，排除非生物因素对实验结果的干扰，还应再设置对照，对照组采用相同的装置，该装置的容器和小烧杯中应分别放入死的植物幼苗和CO2缓冲液。参考答案(1)细胞质基质、线粒体、叶绿体C5CO2的浓度 (2)20(3)将小烧杯中的蒸馏水换成CO2缓冲液或碳酸氢钠溶液该装置的容器和小烧杯中应分别放入死的植物幼苗和CO2缓冲液练习1：(1)影响绿色植物光合作用的因素是多方面的，其外界因素有光照强度、CO2含量、温度等，其内部因素有酶的活性、色素数量、五碳化合物含量等，请据图甲分析回答问题： 如果x代表光照强度，光照强度影响光合作用强度，主要是影响_阶段，当光合作用强度达到最大值时，此时限制因素最可能是内部因素中的_。 如果x代表温度，温度主要通过影响_来影响光合作用强度。 如果x代表CO2的含量，CO2的含量影响光合作用强度，主要是影响_的产生。甲 乙(2)图乙为探究CO2对绿色植物光合作用影响的测量装置，将M叶片密封在一个玻璃器皿中，其中放置一个小烧杯。实验如下(温度和其他条件不变)： 步骤一：在一定光照强度下，A液体为NaHCO3溶液，30 min后观察红色液滴的移动。 步骤二：在相同光照强度下，将A液体换为NaOH溶液，调节红色液滴回到原点，30 min后观察红色液滴的移动。 步骤三：在相同光照强度下，将A液体换为蒸馏水，调节红色液滴回到原点，30 min后观察红色液滴的移动。步骤四：用N叶片重复步骤一、二、三。 在步骤一中红色液滴应向_移动，步骤二中红色液滴应向_移动。 步骤一和步骤二互为_，可观测的因变量是_。 步骤四的目的是_。解析 (1)光照强度影响光反应阶段，当光合作用强度达到最大值时，此时限制因素最可能是内部因素中的色素数量。温度主要通过影响酶的活性影响光合作用的进行。CO2的含量影响CO2的固定，影响C3的合成。(2)在光照条件下，NaHCO3溶液提供CO2，维持CO2浓度相对稳定，光合作用释放氧气使压强增大，导致液滴右移；NaOH吸收CO2，使植物无法进行光合作用，而细胞呼吸消耗氧气使气体压强减小，液滴左移，步骤一和步骤二相互对照，步骤四的目的是避免因偶然因素产生的误差，使实验结果更真实可靠。参考答案(1)光反应色素的数量酶的活性 三碳化合物(或C3或糖类)(2)右左对照(对比)红色液滴的移动情况 避免因偶然因素产生的误差 练习2图4是探究绿色植物光合作用速率的实验示意图，装置中的碳酸氢钠溶液可维持瓶内的二氧化碳浓度，该装置置于20环境中。实验开始时，针筒的读数是0.2mL，毛细管内的水滴在位置X。20min后，针筒的容量需要调至0.6mL的读数，才能使水滴仍维持在位置X处。据此回答下列问题：（1）若将图中的碳酸氢钠溶液换成等量清水，重复上述实验，20min后，要使水滴维持在位置X处，针筒的容量（需向左/需向右/不需要）调节。（2）若以释放出的氧气量来代表净光合作用速率，该植物的净光合作用速率是mL/h。（3）若将图中的碳酸氢钠溶液换成等量浓氢氧化钠溶液，在20、无光条件下，30min后，针筒的容量需要调至0.1mL的读数，才能使水滴仍维持在X处。则在有光条件下该植物的实际光合速率是mL/h。解析：（1）由光合作用的总反应式6CO2+12H2OC6H12O6+6O2+6H2O，可知反应前后气体体积不变，所以不需要调节针筒容量就可使水滴维持在X处。（2）光照条件下，由于光合作用吸收的CO2由缓冲液补充，缓冲液能维持CO2浓度，同时释放出O2导致密闭装置内气体压强增大，若使水滴X不移动，其针筒中单位时间内O2气体容量的增加就代表表观光合速率的大小。由题可知，若以释放出的氧气量来代表表观光合速率，该植物的表观光合作用速率是（0.6-0.2）3=1.2(mL/h)。（3）瓶中液体改放为NaOH溶液，则装置内CO2完全被吸收，植物体不能进行光合作用，只能进行呼吸作用，瓶中气体的变化即呼吸消耗的O2的变化。则在有光条件下该植物的真正光合速率 = 表观光合速率 + 呼吸速率，既1.2+0.12=1.4（mL/h）。答案：（1）不需要 （2）1.2(mL/h) （3）1.4（mL/h）3.黑白瓶法-测溶氧量的变化测定原理将几只注满水样的白瓶和黑瓶悬挂在采水深度处，曝光24小时，黑瓶中的浮游植物由于得不到光照只能进行呼吸作用，因此黑瓶中的溶解氧就会减少。而白瓶完全曝露在光下，瓶中的浮游植物可进行光合作用，因此白瓶中的溶解氧一般会增加。所以，通过黑白瓶间溶解氧的变化，就可估算出水体的生产力。主题内容和适用范围本标准规定了在水体中不同深度悬挂可曝光和不可曝光溶氧装置，经过24h曝光，以测定的溶解氧计算出单位时间、单位水柱日生产力的评价水体富营养化水平的方法。本标准适用于湖泊、水库、池塘等静水水体以及水流缓和的河流水域中初级生产力的测定。实验步骤采水与挂瓶（1）采水与挂瓶深度确定：采集水样之前先用照度计或透明度盘测定水体透光深度，采水与挂瓶深度确定在表面照度1001之间，可按照表面照度的100、50、25、10、1选择采水与挂瓶的深度和分层。浅水湖泊（水深3m）可按0.0m、0.5m、1m、2m、3m的深度分层。（2）采水：根据确定的采水分层和深度，采集不同深度的水样。每天采水至少同时用虹吸管（或采水器下部出水管）注满三个试验瓶，即一个白瓶、一个黑瓶、一个初始瓶。每个试验瓶注满后先溢出三倍体积的水，以保证所有试验瓶中的溶解氧与采样器中的溶解氧完全一致。灌瓶完毕，将瓶盖盖好，立即对其中一个试验瓶（初始瓶）进行氧的固定，测定其溶解氧，该瓶溶解氧为“初始溶解氧”。（3）挂瓶与嚗光：将灌满水的白瓶和黑瓶悬挂在原采水处，曝光培养24h。挂瓶深度和分层应与采水深度和分层完全相同。各水层所挂的黑、白瓶以及测定初始溶解氧的玻璃瓶应统一编号，做好记录。计算方法（1）各水层日生产力mg（o2）/m2d计算方法：总生产力=白瓶溶解氧-黑瓶溶解氧净生产力=白瓶溶解氧-初始瓶溶解氧呼吸作用量=初始瓶溶解氧-黑瓶溶解氧（2 ）每平方米水柱日生产力g（O2）/m2d计算方法：可用算术平均值累计法计算。例3 某研究小组从当地一湖泊的某一深度取得一桶水样，分装于六对黑白瓶中，剩余的水样测得原初溶解氧的含量为10mg/L，白瓶为透明玻璃瓶，黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下，分别在起始和24小时后以温克碘量法测定各组培养瓶中的氧含量，记录数据如下：表2光照强度（klx）0（黑暗）abcde白瓶溶氧量(mg/L)31016243030黑瓶溶氧量(mg/L)333333（1）黑瓶中溶解氧的含量降低为3mg/L的原因是；该瓶中所有生物细胞呼吸消耗的O2量为mg/L24h。（2）当光照强度为c时，白瓶中植物光合作用产生的氧气量为mg/L24h。（3）光照强度至少为（填字母）时，该水层产氧量才能维持生物正常生活耗氧量所需。解析 黑白瓶法常用于水中生物光合速率的测定。白瓶就是透光瓶，里面可进行光合作用和呼吸作用。黑瓶就是不透光瓶，只能进行呼吸作用。在相同条件下培养一定时间，黑瓶中所测得的数据可以得知正常的呼吸耗氧量，白瓶中含氧量的变化可以确定表观光合作用量，然后就可以计算出总光合作用量。（1）黑瓶中溶解氧的含量降低为3mg/L的原因是：黑瓶没有光照，植物不能进行光合作用产生氧，其中的生物呼吸消耗氧气，该瓶中所有生物细胞呼吸消耗的O2量为：原初溶解氧-24小时后氧含量，即10-3=7 （mg/L24h）。（2）当光照强度为c时，表观光合速率的大小为：24小时后氧含量-原初溶解氧，即24-10=14（mg/L24h）。呼吸速率为10-3=7（mg/L24h）。真正光合速率为14+7=21（mg/L24h）.（3）黑暗时，黑白瓶都是3 mg/L24h，说明水体生物呼吸速率为10-3=7（mg/L24h），所以光照强度至少为a时，净光合速率为10-3=7（mg/L24h），才能维持水中生物正常生活耗氧量所需。参考答案（1）黑瓶中植物不能进行光合作用产生氧，生物呼吸消耗氧气7 （2）21（3） a练习采用黑白瓶法（黑瓶瓶外包黑胶布和铝箔，以模拟黑暗条件；白瓶为透光瓶。）测定池塘群落各深度24小时内的平均氧浓度变化，结果如下表：水深（米）瓶中氧浓度变化（克/立方米）白瓶瓶中氧浓度变化（克/立方米）黑瓶1+7-22+5-23+2-240-25-2-2水底-3-3则该池塘一昼夜产生氧气的量是()A8 g/m3B14 g/m3C22 g/m3D32 g/m3答案C4： 小叶片浮起数量法-定性比较光合作用强度的大小例4：探究光照强弱对光合作用强度的影响，操作过程如下：表3步骤操作方法说明材料处理打孔取生长旺盛的菠菜叶片绿叶，用直径为1cm的打孔器打出小圆形叶片30片。注意避开大的叶脉。抽气将小圆形叶片置于注射器内，并让注射器吸入清水，待排出注射器内残留的空气后，用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞，使小圆形叶片内的气体逸出。这一步骤可重复几次。沉底将内部气体逸出的小圆形叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。叶片细胞间隙充满水而全都沉到水底。分组取3只小烧杯，标记为A、B、C，分别倒入20mL富含CO2的清水。分别向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片。事先可用口通过玻璃管向清水内吹气。对照用3盏40 W台灯分别向A、B、C 3个实验装置进行强、中、弱三种光照。光照强弱（自变量）可通过调节来决定。观察观察并记录叶片浮起的数量（因变量）。实验预期：_烧杯中的小叶片浮起的数目最多。本实验除通过观察相同时间内，叶片上浮数量的多少来反映光合作用速率的大小；还可以通过三个烧杯中上浮相同叶片数量所用时间的长短来描述。但该实验方法只能比较大小，无法测出具体的量变。答案：台灯与实验装置间的距离A