中国农业大学植物生理学本科课件 第七章 光合作用II

第七章光合作用II碳同化（CarbonAssimilation）The

Calvin

CycleWhere

does

the

Calvin

Cycle

occur?What

goes

into

the

Calvin

Cycle?What

comes

out

of

the

Calvin

Cycle?-----In

the

stroma-----ATP,

NADPH,

CO2-----Sugar,

ADP,

NADP+Discovery

of

the

Calvin

Cycle

研究方法：14C同位素标记与测定技术

双向纸层析技术1961年，卡尔文因研究光合作用的重大成就荣获该年度诺贝尔化学奖。(UC，Berkely)10年工作!CO2固定还原再生14步反应，均在叶绿体基质中进行。CO2固定(羧化)阶段3CO2+3RuBPRubisco6

3-PGA3CO2moleculesenterthecycle

RubiscoattachestheCO2toRuBP

A6-Cmoleculeresults

6-Cmoleculeimmediatelysplitsinto2moleculesof3-PGA3-PGA1，3-PGAGAP（G3P）6ATP6ADP6NADPH6NADP＋6Pi

还原阶段ATP和NADPH携带能量于GAP中，成为稳定化学能，以GAP的形式输送出叶绿体。AnyremainingGAP（G3P）moleculesareusedtoregenerateRuBPtobeusedintheCalvinCycle.3CO2+9ATP+6NADPH+5H2O→GAP+9ADP+8Pi+6NADP++3H+

能量转化率=2804/(12*217+18*29)=89.7%

每还原3个CO2可输出1个磷酸丙糖(3-P-甘油醛)，需消耗6个NADPH和和9个ATP。所以每还原1个CO2需消耗2个NADPH和3个ATP。固定6个CO2可形成1个磷酸己糖(G6P或F6P)。Rubisco(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶)Rubisco(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶)Ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylaseoxygenaseLaterbecomesglucose!CO2RuBPRubiscoO2Photorespiration–theseCO2’sdidnotgetincorporatedintoglucosethistime!RubiscoCO2RuBPP

G

AP

G

AP

G

AphosphoglycolateL8S88个大亚基（56kDa，476aa），8个小亚基（14kDa,123aa），构成L8S8，每个大亚基上都有活性位点。大亚基－叶绿体基因编码小亚基－核基因编码Rubisco结构Rubisco活性调节Rubiscoisslow,beingabletofixonly3-10carbondioxidemoleculeseachsecondpermoleculeofenzyme.Ions,

Rubisco

activase,

lightThekineticsofRubiscoinvolvesatwo-step

mechanismFirst,

forming

enzyme–CO2–Mg2+(E–C–M)ternarycomplex.Second,

catalysiswithRuBPbinding

andproductsformedby

reactionwitheitherCO2

orO2.Regulating

factors:Ions---H+

and

Mg2+Rubisco位于叶绿体基质中。光下、叶绿体基质中的pH值由7.0升至8.0，是进行催化反应最适pH值。与此偶联，Mg2+从类囊体腔进入基质，与Rubisco酶结合而使之活化。Rubisco

activase核基因编码。暗中与RuBP紧密结合，非活性。光下，活化酶先由硫氧还蛋白激活，水解ATP后与Ruubisco结合，松动了与RuBP结合能力，RuBP

撤离。CO2结合到Rubisco活性位点上后，

Mg2＋迅速结合上，改变酶构象而使之具催化功能。光下JensenRGPNAS2000,

97:12937-12938光Ruubisco是光调节酶光对其转录水平的影响：大、小亚基的转录都受光的调节（红光促进，远红光抑制）；小亚基上游有光调节启动子。光对酶活性的调节，有昼夜节奏特性。RuBP3-PGA3RuBP+3CO2+3H2OPGA+6H+RubiscoRubisco-羧化活性Photorespiration

photo-respiration概念：植物的绿色细胞在光照下有吸收氧气,释放CO2的反应，由于这种反应仅在光下发生，需叶绿体参与，并与光合作用同时发生，称作为光呼吸(photorespiration)。发现WarburgeffectchloroplastperoxisomemitochondrionC2-Cycle光呼吸的过程叶绿体过氧化物体线粒体甘氨酸丝氨酸甘油酸乙醇酸C3循环磷酸乙醇酸乙醛酸O22RuBP+3O2+2ATP+2Fdred→3PGA+CO2+2ADP+3Pi+2Fdox

光呼吸的特点三个紧密相连的细胞器chloroplastperoxisomemitochondrion吸收O2?，放出CO2？

C2循环和C3循环的相对速度取决于如下三因子：Rubisco的动力学特性CO2/O2

比值温度光呼吸的意义①减少损失：75%乙醇酸进入碳回收，降低其对细胞的伤害。②保护叶绿体:干旱、高光强下，可消耗过多的ATP，避免光抑制、保护光合机构。③高光强、低CO2因光呼吸产生CO2，进入C3循环。④光呼吸途径产生的甘氨酸、丝氨酸进入蛋白质的合成。⑤促进P的循环利用，缓解P不足对光合作用的限制。光合碳同化的C4代谢途径C4植物C4途径的发现1954年，澳大利亚的哈奇(M.D.Hatch)等人的甘蔗叶实验。未引起重视！1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所科思谢克(H.P.Kortschak)等人的甘蔗叶中14C标记物首先出现C4二羧酸。1966-1970年，哈奇和斯莱克(C.R.Slack)重复上述实验，并追踪14C去向。发现C4途径！C4-双羧酸途径(C4-dicarboxylicacidpathway)，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环(C4photosyntheticcarbonassimilationcycle，PCA循环)，或叫Hatch-Slack途径。20科2000种植物按C4途径固定CO2C3,

燕麦叶片C4，甘蔗叶片花环结构(Kranzanatomy)thatexhibitsaninnerringofbundlesheathcellsaroundthevasculartissuesandanouterlayerofmesophyllcellsinclosecontactwiththeepidermis.MesophyllcellBundlesheathcellC4植物光合细胞：

叶肉细胞（MC）维管束鞘细胞(BSC)TheC4pathway（1）羧化阶段（2）还原或转氨阶段（3）脱羧阶段（4）底物再生阶段

（1）羧化阶段空气中CO2进入叶肉细胞先在胞质中由碳酸酐酶转化为HCO3-,由PEP羧化酶将HCO3-固定在PEP上形成草酰乙酸(OAA)：carbonicanhydraseCO2+H2OHCO3-+H++HCO3-PEPCarboxylase+PiPEPOAAPEPC是胞质酶，对HCO3－的亲和力很高。主要分布在叶肉细胞的胞质中，由4个相同亚基组成，最适pH7.5-8.5，受光和Mg2+激活，无加氧酶活性。(2)还原或转氨+NADPH+H++NADP+

叶绿体细胞质还原转氨Malatedehydrogenase（3）脱羧阶段苹果酸或天冬氨酸经胞间连丝转移到BSC,主要发生三种类型的脱羧反应。NADP-ME型：玉米高粱谷子甘蔗等。NADP+-malicenzyme+NADP++

CO2

+NADPH+H+BSC叶绿体中进行C3循环再生PEPNAD-ME型：马齿苋、黍、狗尾草等+++NADPH+H++NADP+

+NAD++CO2

+NADH+H+BSC线粒体BSC叶绿体中进行C3循环再生PEPAspartateaminotransferaseMalatedehydrogenaseNAD+-MalicenzymePEP-CK型:羊草大黍等++ATP+CO2+ADP+BSC细胞质BSC叶绿体中进行C3循环Aspartate

aminotransferasePEP

Carboxylase

kinase(4)、底物再生NADP-ME型NAD-ME型PEP-CK型

C4二羧酸脱羧放出CO2,使BSC内CO2浓度比空气中高出20倍左右，所以C4途径的脱羧作用，起到CO2泵的作用，使CO2浓度提高，抑制光呼吸，提高光合速率。PEP再生需要能量,在PPDK催化的Pyr形成PEP的反应中,ATP水解形成AMP,所以相当于消耗了2个ATP。在C4途径的运转中，每同化一个CO2，消耗5个ATP和2个NADPH，因此C4途径的运转比C3途径有更高的能量需求。C3途径场所C4途径叶绿体基质羧化叶肉细胞细胞质固定维管束鞘细胞叶绿体基质CO2

接受体RuBPPEP关键酶RubiscoPEPCRubisco最初产物PGAOAA酶活性的调节

PEPC、NADP-苹果酸脱氢酶、丙酮酸磷酸激酶(PPDK)都在光下被激活，暗中失活。

C4途径的调节

光对酶量的调节

代谢物的运输Rubisco、PEPC的合成受光控制或诱导。C4途径涉及两类光合细胞和多种细胞器，维持有关代谢物在细胞间、细胞器间快速运输，保持鞘细胞中高的CO2浓度具有重要作用。C4植物的光合速率高于C3植物

C4植物这种高光合速率只发生在高温、高光强、干旱的条件下，C4途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应。景天酸代谢途径

(CrassulaceanAcidMetabolism，

CAM）CAM途径（叶肉细胞）PEPCPEPOAAMal，贮于液泡吸收和保持水分渗透势RubiscoC3途径白天出液泡气孔关闭C4,C3共存气孔开放，CO2进入叶肉细胞夜间C4脱羧，CO2进入叶绿体，Pyr再生PEPCAMpathwayCAM的调节PEPC调节(内源节奏)，夜间有活性。水分冰叶日中花高温、缺水、盐胁迫CAM水分较充足C3途径光合作用生态生理植物的光合速率光合速率是指单位时间、单位叶面积吸收的CO2的量或O2的释放量。单位：μmolCO2·m－２·s-1或

μmolO2·m－２·s-1表观光合速率（apparentphotosynthetic

rate）

净光合速率（netphotosyntheticrate）

总光合速率（grossphotosyntheticrate）光合速率（μmolCO2·m－２·s-1）木本植物

10C3草本植物

20C4植物

30－40光合速率的测定:CO2红外线气体分析仪氧电极改良半叶法影响光合作用的因素1、光对光合作用的影响(1)、光强光补偿点(lightcompensationpoint)光饱和点(lightsaturationpoint)光强-光合曲线阴生和阳生植物光饱和点、补偿点滨藜细辛阳生植物的光补偿点/光饱和点高于阴生植物C4植物的光饱和点高于C3植物不同光波下植物的光合速率(2)、光质“大树底下无丰草”（3）、光对光合速率的抑制光抑制(photoinhibition“光午休”现象2、CO2

CO2浓度很低时，光合作用同化的CO2的量小于呼吸作用释放的CO2量。净光合速率为负值随CO2浓度升高，光合速率线性增大。当CO2浓度高于一定值后，光合速率的增速变慢，最后不再增大。CO2补偿点(CO2compensationpoint)CO2的饱和点(CO2saturationpoint)叶片光合速率对细胞间隙CO2浓度响应示意图CO2补偿点CO2饱和点在光合速率直线上升的阶段，CO2浓度是光合作用的限制因子。直线的斜率可以反映Rubisco的量和活性，称为羧化效率。当CO2浓度达一定值后，Rubisco的活性及RuBP的再生等成为限制因子，因此光合速率不再随CO2浓度的升高而增大。C3，C4植物的CO2饱和点

（为什么？）名称品种数补偿点小麦10052±2μl·L-1大麦12555±2μl·L-1

玉米1251.3±1.2μl·L-1

猪毛菜(CAM植物)10μl·L-13.温度三基点：即最低温度、最适温度和最高温度C4植物的热限较高，可达50～60℃，而C3植物较低，一般在40～50℃。温度低C4植物一般不耐低温。C4途径所有的PEP羧化酶在低温下易变性。淀粉和蔗糖的合成迅速磷酸丙糖的利用率磷酸转运器运入叶绿体的Pi的含量光合作用受抑。4.水分水分不足气孔部分关闭进入叶的CO2量减少电子传递速率降低，光合磷酸化解偶联。4、水分5.矿质营养

氮素营养状况不同的叶片的光合速率与其Rubisco的活性密切相关；

K+不足时会使Rubisco羧化活性降低；

Ca2+直接与光合放O2有关，并且影响气孔的运动。

缺P会通过ATP供应不足而影响PGA的还原和RuBP的再生；影响叶绿体基质pH降低，使Rubisco等多种光合酶活性降低。叶绿素组成成分、叶绿素生物合成NMgSFe电子传递与放氧FeSCuMnClCa碳水化合物的合成和运输PKB酶活化剂MgZn气孔调节KCl

在所有矿质元素中，N素对光合作用的影响最为显著。N素含量与叶绿素含量、Rubisco含量、光合速率分别呈正相关。叶片N素80％在叶绿体中。光合效率与作物生产光能利用率：把植物光合作用所积累的有机物中所含的化学能占光能投入量的百分比。光能利用率备注C3植物

9.4%30℃，387μmolCO2·m－２·s-1（理论值）C4植物

12.3%C3植物

4.6%按接受的太阳总辐射计算C4植物

6.0%提高群体光能利用率的途径：1．减少漏光损失，增加光合面积（1）合理密植（2）间混套作（3）促进苗期早发，促进叶面积发展，及早封垄。2．加强田间管理，延长光合时间（1）提高复种指数（2）合理施肥，合理灌溉（3）防治病虫害3．提高植物的光能转化效率“绿色革命”的核心问题第一次绿色革命：选育和推广矮杆直立叶新品种。第二次绿色革命：提高光合效率。15年！“创造C4水稻”TheDevelopmentofC4Rice:CurrentProgressandFutureChallengesTarget:

introducingahigher-capacityphotosyntheticmechanism—theC4pathway—intoricetoincreaseyieldＣ4

Rice红高粱RubiscotheprimaryCO2-fixing

enzymeinrice,isapoorcatalystofCO2atcurrentatmosphericconditions.CO2/O2Manyphotosynthetic

organisms,includingcyanobacteria,algae,andlandplants,havedeveloped

activeCO2-concentrating

mechanismstoovercomeRubisco’s

inefficiencies.

mesophyllcells

for

producing

C4

acids

thebundle

sheathcells

for

decarboxylating

elevatestheCO2

concentrationinthebundlesheathandinhibits

Rubiscooxygenaseactivity.Growthof21-day-oldriceand

S.viridis

seedlingsatdifferentambientCO2concentrationsrangingfrom30

to800partspermillionModeledchangesinCO2assimilationrateinresponsetochanges

inleafintercellularCO2partialpressureforC3andC4photosynthesisandforahypotheticalC4riceConcepts聚光色素(lightharvestingpigment)天线色素(antennapigment)反应中心色素(reactioncenterpigment)反应中心(reactionce