植物生理学专业知识培训课件

植物生理学植物生理学专业专业知知识识第三章第三章 植物的光合作用植物的光合作用 假设光合作用是一个物质假设光合作用是一个物质假设光合作用是一个物质假设光合作用是一个物质 生产过程，那么：生产过程，那么：生产过程，那么：生产过程，那么：1 1 1 1）原料、产品是什么？）原料、产品是什么？）原料、产品是什么？）原料、产品是什么？2 2 2 2）工厂、车间是什么？）工厂、车间是什么？）工厂、车间是什么？）工厂、车间是什么？3 3 3 3）工人有哪些？）工人有哪些？）工人有哪些？）工人有哪些？4 4 4 4）生产流程是怎样？）生产流程是怎样？）生产流程是怎样？）生产流程是怎样？5 5 5 5）制约因素有哪些？）制约因素有哪些？）制约因素有哪些？）制约因素有哪些？2植物生理学专业知识第三章第三章 植物的光合用植物的光合用教学目标1.1.掌握叶绿体结构及光合色素种类和性质；掌握叶绿体结构及光合色素种类和性质；2.2.了解叶绿素的生物合成及其影响因子；了解叶绿素的生物合成及其影响因子；3.3.初步弄清光合作用机理（初步弄清光合作用机理（重点重点和和难点难点）；）；4.4.了解光呼吸的基本过程和主要生理功能；了解光呼吸的基本过程和主要生理功能；5.5.弄清光合作用的影响因素。弄清光合作用的影响因素。3植物生理学专业知识第一节第一节 光合作用概述光合作用概述1 1 光合作用发现简史光合作用发现简史17711771年英国化学家年英国化学家J.PriestleyJ.Priestley发现发现植物植物可净化可净化空气，他实际上发现了空气，他实际上发现了植物放氧植物放氧制氧.swf；17791779年荷兰人年荷兰人Jan IngenhouszJan Ingenhousz发现植物只有在光发现植物只有在光下才净化空气下才净化空气,证明证明光的参与光的参与；17821782年瑞士科学家年瑞士科学家J.SennebierJ.Sennebier发现发现COCO2 2可以促进可以促进植物在光下产生植物在光下产生 纯净纯净 空气；空气；18641864年年J.SachsJ.Sachs观察到光照下叶绿体中的淀粉粒观察到光照下叶绿体中的淀粉粒增大，证明光合中有增大，证明光合中有有机物产生有机物产生；19411941年年RubenRuben等用等用H H2 2O*O*证明氧气来源于证明氧气来源于水光解水光解 4植物生理学专业知识光合作用概光合作用概图5植物生理学专业知识光合作用的光合作用的总反反应式式为光光CO2+2H2O-(CH2O)+O2+H2O叶绿体叶绿体2 2 光合作用的重要意义光合作用的重要意义A）合成有机物合成有机物B）能量的能量的转换和和贮存存C）释放氧气、放氧气、净化空气化空气光合作用的气体交光合作用的气体交换.swf6植物生理学专业知识第二节第二节叶绿体和光合色素叶绿体和光合色素11叶叶绿体的体的结构和成分构和成分1.1叶绿体的外部形态叶绿体的外部形态高等植物叶高等植物叶绿体多呈体多呈扁平扁平椭球形球形，主要分布在叶片的主要分布在叶片的栅栏组织和海和海绵组织中。中。7植物生理学专业知识叶叶绿体的形体的形态与分布与分布8植物生理学专业知识1.2 1.2 叶绿体的基本结构叶绿体的基本结构叶绿体的基本结构叶绿体的基本结构.swf.swf A A）被膜：被膜：有外膜和内膜两层，内膜具选择有外膜和内膜两层，内膜具选择透性。透性。B B）基粒：基粒：由类囊体垛叠而成的。光能的由类囊体垛叠而成的。光能的吸收、传递、转换场所。吸收、传递、转换场所。C C）间质：间质：为叶绿体膜以内的基础物质。为叶绿体膜以内的基础物质。主要是可溶性蛋白质（酶），为主要是可溶性蛋白质（酶），为COCO2 2固定与固定与转化场所。转化场所。9植物生理学专业知识1.3 1.3 叶绿体的主要成分叶绿体的主要成分 水分水分（7575）蛋白质蛋白质（3030-45-45）脂类脂类（2020-40-40）色素色素（8 8）干物质（干物质（2525）无机盐无机盐（1010）储藏物质（10-2010-20）10植物生理学专业知识2 2 光合色素光合色素2.1 2.1 光合色素的种类光合色素的种类 光合色素光合色素：指植物体内含有的具有吸收光能并指植物体内含有的具有吸收光能并将其用于光合作用的色素将其用于光合作用的色素色素的提取与分离色素的提取与分离.swf.swf。1 1 1 1）叶绿素：叶绿素：主要有叶绿素主要有叶绿素a a（呈蓝绿色）和叶绿呈蓝绿色）和叶绿 素素b b（呈黄绿色）呈黄绿色）2 2 2 2）类胡萝卜素：类胡萝卜素：主要有胡萝卜素（多为主要有胡萝卜素（多为-型，型，呈橙黄色）和叶黄素（黄色）呈橙黄色）和叶黄素（黄色）3 3 3 3）藻胆素：藻胆素：蓝藻、红藻等藻类进行光合作用的蓝藻、红藻等藻类进行光合作用的 主要色素，常与蛋白质结合为主要色素，常与蛋白质结合为藻胆蛋白藻胆蛋白。11植物生理学专业知识2.2 2.2 光合色素的分布光合色素的分布1 1）叶片中的分布叶片中的分布 正常叶片中正常叶片中:A)A)叶绿素叶绿素和和类胡萝卜素类胡萝卜素的分子比例约的分子比例约为为3:13:1 B)B)chlachla与与chlbchlb的分子比例也约为的分子比例也约为3:13:1 C)C)叶黄素叶黄素与与胡萝卜素胡萝卜素约为约为2:12:1 12植物生理学专业知识思考：下图两叶片中光合色素的分布如何？思考：下图两叶片中光合色素的分布如何？13植物生理学专业知识2 2）叶绿体中的分布叶绿体中的分布 光合色素都包埋在类囊体膜中，以非都包埋在类囊体膜中，以非共价键与蛋白质结合在一起。各色素共价键与蛋白质结合在一起。各色素分子间的距离和取向较固定，使得能分子间的距离和取向较固定，使得能量传递或电子传递可有效地进行。量传递或电子传递可有效地进行。14植物生理学专业知识叶叶绿体中光合色素的分布体中光合色素的分布15植物生理学专业知识2.3 2.3 光合色素的光学性质光合色素的光学性质A.吸收光吸收光谱的概念的概念 某一物质对各种某一物质对各种不同的光不同的光有不同程有不同程度吸收，将这种吸收作为波长的函数度吸收，将这种吸收作为波长的函数作图，就得到了此物质的作图，就得到了此物质的吸收光谱吸收光谱。B.物物质波波谱及太阳光的光及太阳光的光谱C.叶叶绿素的吸收光素的吸收光谱16植物生理学专业知识B.物物质波波谱及太阳光的光及太阳光的光谱17植物生理学专业知识bluered%of light absorbed by chlorophyll green6 6叶叶绿素的吸收波素的吸收波谱18植物生理学专业知识2.4 2.4 叶绿素的生物合成叶绿素的生物合成1.1.叶绿素生物合成过程（自学叶绿素生物合成过程（自学p65-66p65-66）要点：要点：A A）起始物：起始物：是什么是什么?B B）需光需光：哪一步哪一步?C C）叶绿素叶绿素b b是怎么来的是怎么来的?19植物生理学专业知识 叶绿素生物合成过程叶绿素生物合成过程A A）起始物：起始物：-氨基酮戊酸氨基酮戊酸 ；B B）需光：需光：原脱植基叶绿素原脱植基叶绿素a a只有在只有在光光下才能转变为下才能转变为脱植基叶绿素脱植基叶绿素a a；C C）叶绿素叶绿素b b由由叶绿素叶绿素a a氧化而来。氧化而来。20植物生理学专业知识2 2 影响叶绿素生物合成的因素影响叶绿素生物合成的因素 因素之一因素之一-光光 原脱植基叶绿素原脱植基叶绿素a a经过正常光照，经过正常光照，才能顺利合成才能顺利合成叶绿素叶绿素。例外：例外：藻类、苔藓、蕨类和裸子植物的松柏藻类、苔藓、蕨类和裸子植物的松柏科植物，在黑暗中也可以形成一些叶绿素。科植物，在黑暗中也可以形成一些叶绿素。21植物生理学专业知识 因素之二因素之二-温度温度 温度影响酶的活性，从而间接温度影响酶的活性，从而间接影响叶绿素的合成。一般来说，叶影响叶绿素的合成。一般来说，叶绿素形成的绿素形成的最适温度约为最适温度约为3030，其，其下限是下限是2-42-4，上限是，上限是4040。22植物生理学专业知识因素之三因素之三-矿质元素矿质元素 MgMg、N N是叶绿素的组成成分，是叶绿素的组成成分，FeFe、MnMn、CuCu、ZnZn、K K等元素是叶绿素生物合等元素是叶绿素生物合成有关酶的成分或激活剂，这些元素成有关酶的成分或激活剂，这些元素的缺乏会导致的缺乏会导致缺绿病缺绿病矿质营养实验矿质营养实验1.swf1.swf 23植物生理学专业知识 因素之四因素之四-水分水分 缺水影响叶绿素的合成，并促缺水影响叶绿素的合成，并促进叶绿素的分解，故进叶绿素的分解，故缺水会导致叶缺水会导致叶黄黄。24植物生理学专业知识第第三三节节光光合合作用作用的的机机理理1概述概述-光合过程几点认识光合过程几点认识光反应和暗反应过程光反应和暗反应过程光反应和暗反应过程光反应和暗反应过程.swf.swfA）光合作用过程相当复杂，光合作用靠光发动，光合作用过程相当复杂，光合作用靠光发动，但并非全过程都需要光。根据需光与否，可将但并非全过程都需要光。根据需光与否，可将光合作用过程分为光合作用过程分为光反应光反应和和暗反应。暗反应。25植物生理学专业知识B）从物质代谢角度看，光合作用过程是植物利用从物质代谢角度看，光合作用过程是植物利用光能将无机物（光能将无机物（CO2和水），通过一系列复杂的和水），通过一系列复杂的化学变化，化学变化，合成碳水化合物合成碳水化合物等有机物的过程。等有机物的过程。26植物生理学专业知识C C）从能量代谢角度看，光合作用过程是植物将从能量代谢角度看，光合作用过程是植物将光能转变光能转变为化学能为化学能的过程。依此可将光合过程分为的过程。依此可将光合过程分为3大步骤：大步骤：1）原初反应：原初反应：光能的吸收、传递和转换为电能；光能的吸收、传递和转换为电能；2）电子传递和光合磷酸化：电子传递和光合磷酸化：电能转变为活跃的化学电能转变为活跃的化学3）碳同化：碳同化：活跃的化学能再转变为稳定的化学能。活跃的化学能再转变为稳定的化学能。27植物生理学专业知识2原初反应原初反应2.1原初反应的概念原初反应的概念为光合作用为光合作用最初的反应，它最初的反应，它包括对包括对光能的吸光能的吸收、传递收、传递以及将以及将光能光能转换转换为电能为电能的具体过程。的具体过程。28植物生理学专业知识光与叶光与叶绿体的相互作用体的相互作用29植物生理学专业知识叶叶绿素的光激素的光激发30植物生理学专业知识2.2 2.2 参加原初反应的色素参加原初反应的色素1）作用中心色素：）作用中心色素：为少数叶绿素为少数叶绿素a分子，分子，既能吸光，又能在吸光后既能吸光，又能在吸光后2）聚光色素：）聚光色素：被激发，释放一个高能电被激发，释放一个高能电子，并发生光化学反应。子，并发生光化学反应。为大多数色素分子，只为大多数色素分子，只吸收光能，不引起光化学吸收光能，不引起光化学反应，仅把吸收的光能传反应，仅把吸收的光能传到作用中心色素，又叫做到作用中心色素，又叫做天线色素天线色素。31植物生理学专业知识2.3 2.3 原初反应的基本过程原初反应的基本过程 DPA DP*A DP+A-D+PA-DPA 为光系统或反应中心为光系统或反应中心 Acceptor（原初原初电子受体）子受体）Pigment（作用中心色素）作用中心色素）Donor（原初原初电子供体）子供体）DPA32植物生理学专业知识3电子传递和质子传递电子传递和质子传递3.1水的光解水的光解H2O是光合作用中是光合作用中O2来源，也是光来源，也是光合电子的最终供体。水光解的反应：合电子的最终供体。水光解的反应：2H2OO24H+4e-锰锰、氯氯和和钙钙是放氧反应中必不可是放氧反应中必不可少的物质，可影响放氧。少的物质，可影响放氧。33植物生理学专业知识 3.2 3.2 光合链光合链1）PS和和PS的概念的概念 PS：作用中心色素为作用中心色素为P700，P700被激发后，把被激发后，把电子供给电子供给Fd。PS：作用中心色素作用中心色素为为P680，P680被激发被激发后，把电子供给后，把电子供给pheo（去镁叶绿素），并去镁叶绿素），并水裂解放氧相连。水裂解放氧相连。34植物生理学专业知识2）光合电子传递链（光合链）光合电子传递链（光合链）连接两个光反应系统、排列紧密而互相衔接的连接两个光反应系统、排列紧密而互相衔接的电子传递物质被称为电子传递物质被称为光合链光合链。由于各电子传递体具不同的氧化还原电位，负由于各电子传递体具不同的氧化还原电位，负值起越大代表还原势越强，正值越大代表氧化势值起越大代表还原势越强，正值越大代表氧化势越强，据此排列呈越强，据此排列呈“Z”形，又称为形，又称为“Z方案方案”。35植物生理学专业知识3.3光合磷酸化光合磷酸化3.3.1光合磷酸化的概念光合磷酸化的概念叶绿体在光下叶绿体在光下把无机磷酸和把无机磷酸和ADP转化为转化为ATP，形成形成高能磷酸键的过程。高能磷酸键的过程。光光ADP+PiATP36植物生理学专业知识1 1）非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化3.3.exeexe ：PSPS所产生的电子经过一系列的传递，在所产生的电子经过一系列的传递，在细胞色素复合体细胞色素复合体上引起上引起ATPATP的形成的形成，继而将电子，继而将电子传至传至PSPS，提高能位，最后用去还原提高能位，最后用去还原NADP+NADP+。这这样，电子经样，电子经PSPS传出后不再返回。传出后不再返回。38植物生理学专业知识2 2）循环式光合磷酸化：循环式光合磷酸化：从从PS产生的电子，经过产生的电子，经过Fd和和细胞色素细胞色素b563等等后，引起了后，引起了ATP的形成的形成，降低能位，又经，降低能位，又经PC回回到原来的起点到原来的起点P700，形成闭合回路。形成闭合回路。39植物生理学专业知识3.3.3光合磷酸化的机理光合磷酸化的机理-P.Mitchel的化学渗透学说的化学渗透学说光合电子传递所产生光合电子传递所产生的膜内外电位差和质子的膜内外电位差和质子浓度差浓度差(二者合称二者合称质子动质子动力势力势)即为光合磷酸化的即为光合磷酸化的动力。动力。H+有沿着浓度梯有沿着浓度梯度返回膜外的趋势，当度返回膜外的趋势，当通过通过ATP合酶合酶返回膜外返回膜外时做功时做功:ADPPiATP。40植物生理学专业知识A A）光反应靠光发动，它包括光反应靠光发动，它包括原初反应原初反应、电子传递电子传递和光合磷酸化和光合磷酸化等步骤。等步骤。B B）经原初反应，完成对经原初反应，完成对光能的吸收光能的吸收、传递传递，并将，并将之之转化转化为电能。为电能。C C）电子传递和光合磷酸化通过两个光系统的一系电子传递和光合磷酸化通过两个光系统的一系列光化学反应，把水光解成质子列光化学反应，把水光解成质子(H H+)和电子，和电子，同时放出同时放出氧氧，质子，质子H H+与细胞中与细胞中NADPNADP+结合形成结合形成NADPHNADPH；同时，在电子传递过程中，其携带的能同时，在电子传递过程中，其携带的能量使细胞中的量使细胞中的ADPADP与无机磷酸结合形成与无机磷酸结合形成ATPATP。D D）有了有了ATPATP和和NADPHNADPH，叶绿体便可在暗反应中同叶绿体便可在暗反应中同化二氧化碳，形成碳水化合物等有机物。故又化二氧化碳，形成碳水化合物等有机物。故又将将ATPATP和和NADPHNADPH称为称为“同化力同化力”。附：光反附：光反应小小结41植物生理学专业知识光反光反应小小结42植物生理学专业知识4碳同化碳同化4.1碳同化的概念碳同化的概念碳同化是指碳同化是指CO2同化成碳水化合物的同化成碳水化合物的过程程。43植物生理学专业知识4.2碳同化的途径碳同化的途径 A)卡卡尔文循文循环（又叫（又叫C3途径）：是最基本、途径）：是最基本、最普遍的，且只有最普遍的，且只有该途径才可以生成碳水途径才可以生成碳水化合物化合物.B)C4途径途径（又叫（又叫Hatch-Slack途径）途径）C)景天科酸代景天科酸代谢途径途径（CAM）.C4和和CAM途径途径都是都是C3途径途径的的辅助形助形式式,只能起只能起固定固定、运运转、浓缩CO2的作用，的作用，单独不能形成淀粉等碳水化合物独不能形成淀粉等碳水化合物。44植物生理学专业知识45植物生理学专业知识46植物生理学专业知识三个三个阶段：段：1.固定固定2.还原原3.更新更新4.G3P的走向：的走向：5.（1 1）叶叶绿体体内合成淀粉内合成淀粉6.（2 2）细胞胞质内合成蔗糖内合成蔗糖7.（3 3）叶叶绿体体内内变为RuBP卡卡尔文循文循环47植物生理学专业知识C4 途径的解剖学和生物化学途径的解剖学和生物化学48植物生理学专业知识49植物生理学专业知识5光呼吸光呼吸5.1光呼吸的概念光呼吸的概念光呼吸是指植物的光呼吸是指植物的绿色色细胞在光照条件胞在光照条件下下进行的吸收行的吸收O2并放出并放出CO2的的过程。程。5.2光呼吸的生物化学光呼吸的生物化学（1）呼吸的本呼吸的本质就是就是乙醇酸乙醇酸的生物合成和氧化的生物合成和氧化（2）乙醇酸途径中，氧的吸收乙醇酸途径中，氧的吸收发生在叶生在叶绿体和体和过氧化体，氧化体，CO2的放出的放出发生在生在线粒体中。即乙粒体中。即乙醇酸途径是醇酸途径是叶叶绿体体、过氧化体氧化体和和线粒体粒体三种三种细胞器的胞器的协同活同活动下完成的。下完成的。（3）乙醇酸途径是循乙醇酸途径是循环的的,故又称故又称为C2循循环5.3 光呼吸的生理功能光呼吸的生理功能 50植物生理学专业知识第四节第四节 影响光合作用的因素影响光合作用的因素1 1 外界因素外界因素1 1）光照）光照2 2）CO CO2 23 3）温度）温度4 4）矿质营养）矿质营养5 5）水分）水分6 6）光合速率的日变化）光合速率的日变化棉花光合日变化棉花光合日变化.bmpbmp2 2 内部因素内部因素1 1）不同部位）不同部位2 2）不同生育期）不同生育期51植物生理学专业知识第五节第五节植物对光能的利用植物对光能的利用1植物的光能利用率（自学植物的光能利用率（自学p95-96）2提高光能利用率的途径（自学提高光能利用率的途径（自学p97-98）52植物生理学专业知识作业一、光合作用光合作用、光合速率光合速率、净光合强度、净光合强度、原初反原初反应应、光化学反应、反应中心、光合电子传递光化学反应、反应中心、光合电子传递Z方案、方案、同化力同化力、C4途径和途径和C4植物、植物、光呼吸光呼吸、光饱和现象、光饱和现象、光饱和点光饱和点、光补偿点、光补偿点、CO2饱和点饱和点、C2补偿点、补偿点、光能利用率、作用中心色素光能利用率、作用中心色素、天线色素、天线色素、荧光现、荧光现象象、希尔反应希尔反应、光合磷酸化、光合磷酸化、光合链、光合链、C3途径途径与与C3植物植物、CAM途径与途径与CAM植物、生物产量、植物、生物产量、经济产量经济产量、经济系数经济系数、质子动力势质子动力势、“午休午休”现现象、光合面积象、光合面积、叶面积指数叶面积指数.二、二、问答题1、植物光合作用的光反应和暗反应是在细胞的哪些位置进行的？为什么？53植物生理学专业知识2.一般来说，C4植物比C3植物的光合产量要高，试从它们各自的光合特征及生理特征比较分析。3、从光呼吸的代谢途径看来，光呼吸有什么意义？4、试述卡尔文循环和光呼吸的代谢联系.5.C3途径可以分为哪三个阶段？各阶段的作用是什么？C4植物与CAM植物在碳代谢途径上有何异同点？6.9.何谓光能利用率？目前一般作物光能利用率是多少？光能利用率不高的原因何在？有哪些措施可以提高光能利用率？7.哪些矿质元素影响光合速率？为了夺取作物高产，应该如何做到合理施肥？54植物生理学专业知识