光合作用认识一：光合作用与诺贝尔奖

光合作用(photosynthesis)是绿色植物吸收阳光的能量,同化和水,制造有机物并释放氧的过程。

这一个看似简单的光合反应过程,却是科学家经过几个世纪的不懈研究才得到的。最早研究光合作用可以追蒴到1648年比利时的科学家范·海尔蒙特首次探究植物生长所需要的养料。后来，1771年英国的普利斯特莱通过研究得知植物生长需要吸收CO₂和释放O₂。1779年荷兰的科学家扬·英根豪斯证明植物需要阳光才能制造O₂。1864年德国植物生理学家萨克斯通过实验证明淀粉是光合作用的产物。1940年鲁宾和卡门证明了光合作用释放的O₂来自水，糖类中的氢也是来自水。虽然至此，光合作用似乎已经清楚，而实际上光合作用是一个极其复杂的过程。

光合作用被诺贝尔奖基金委员会是“地球上最重要的化学反应”它是地球上一切生命生存和发展的基础。到目前为止,共有8次诺贝尔奖的桂冠被从事光合作用研究的科学家所摘取。

1.因研究叶绿素而获奖

第一位是德国科学家威尔施泰特，通过研究指出叶绿素是一种由叶绿醇和含镁的叶绿酸所形成的酯。威尔施泰特因对植物色素的研究，特别是在叶绿素化学结构研究中所作的创造性贡献而荣获1915年诺贝尔奖。第二位是德国科学家费歇尔尔,他比较系统地研究了卟啉类化合物，其中包括叶绿素和铁血红素，后经费歇尔修订的叶绿素分子结构一直沿用至今。1930年，费歇尔因研究血液和植物叶子的色素并制造成人造血红素而获得诺贝尔奖。第三位是美国科学家伍德沃德，他于1960年合成了叶绿素。他在天然有机化合物包括叶绿素的合成中所取得的成就受到世界科学家们的推崇，因此，他获得了1965年度诺贝尔奖。

2.因研究类有萝卜素而获奖

瑞士科学家卡勒因研究类胡萝卜素等物质的化学结构于1937年获得诺贝尔奖。虽然他不是直接针对类胡萝卜素作为光合作用的天线色素而研究，但是他的研究结果对研究类胡萝卜素的这一天线色素的光合特性具有重要作用。

3.因发现卡尔文循环而获奖

早在20世纪40年代后期，美国科学家卡尔文领导的研究小组历经10年通过同位素示踪法研究发现,在暗反应中，CO₂首先与1分子5碳糖(1,5一二磷酸核酮糖)反应，5碳糖因此被称为CO₂的受体。反应的结果是生成2个分子的含有3个碳原子的3碳化合物。3碳化合物经过一系列反应后又可生成二磷酸核酮糖而重新作为CO₂的受体。这条周而复始地同化CO₂的途径后来就被称之为卡尔文循环。卡尔文也因“确立植物吸收二氧化碳时所涉及的化学反应顺序”于1961年获诺贝尔奖。

4.因研究ATP而获奖

英国生物化学家米切尔通过仔细研究，提出了“化学渗透学说”，认为由酶、辅酶等组成的膜具有传递电子、质子的功能,从而造成膜两边的电位差和质子浓度差，使电子和质子可以渗透过膜，推动了ATP的生成。米切尔因此于1978年获得诺贝尔奖。美国科家博耶、英国科学家沃克和丹麦生物物理学家斯科是ATP合成酶的研究者，通过ATP的合成与分解,营养物质中的能量就转移到各种需能反应中，满足生物体各种生理、生命活动的需要。三人因此于1997年获得诺贝尔奖。

5.因研究光合作用反应中心而后获奖

德国科学家戴森霍弗、胡贝尔、米歇尔3位科学家测定出了光合作用反应中心膜蛋白一色素的三维空间结构，揭示出电子和能量的传递作用，这一成就在光合作用的研究中迈出了关键一步。他们因此共同获得了1988年度诺贝尔奖。

光合作用机理的研究虽然取得了很多突破，但是还有许多问题尚不清楚。因此，光合作用的研究还有许多工作要做。

光合作用认识二：光合作用的研究历程

 公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德认为：植物生长所需的物质全来源于土中。  

　　1627年，荷兰人范·埃尔蒙做了盆栽柳树称重实验，得出植物的重量主要不是来自土壤而是来自水的推论。他没有认识到空气中的物质参与了有机物的形成。 

　　1648年，比利时科学家海尔蒙特（Jan Baptist van Helmont）出于对亚里士多德观点的怀疑，做了类似范·埃尔蒙的实验：将一棵重2．5kg的柳树苗栽种到一个木桶里，木桶里盛有事先称过重量的土壤。以后，他每天只用纯净的雨水浇灌树苗。为防止灰尘落入，他还专门制作了桶盖。五年以后，柳树增重80多千克，而土壤却只减少了100g，海尔蒙特为此提出了建造植物体的原料是水分这一观点。 但是当时他却没有考虑到空气的作用。 

　　1771年，英国的普里斯特利（J.Priestley,1733-1804）发现植物可以恢复因蜡烛燃烧而变“坏”了的空气。他做了一个有名的实验，他把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放到密闭的玻璃罩里，蜡烛不久就熄灭了，小白鼠很快也死了。接着，他把一盆植物和一支点燃的蜡烛一同放到一个密闭的玻璃罩里，他发现植物能够长时间地活着，蜡烛也没有熄灭。他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一个密闭的玻璃罩里。他发现植物和小白鼠都能够正常地活着，于是，他得出了结论：植物能够更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气。但他并没有发现光的重要性。 

　　1779年，荷兰的英格豪斯(J.Ingen-housz)证明：植物体只有绿叶才可以更新空气，并且在阳光照射下才成功。 

　　1785年，随着空气组成成分的发现，人们才明确绿叶在光下放出的气体是氧气，吸收的是二氧化碳　 

　　1804年，法国的索叙尔通过定量研究进一步证实：二氧化碳和水是植物生长的原料。 

　　1845年，德国科学家梅耶（R.Mayer） 根据能量转化与守恒定律明确指出，植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。 

　　1864年，德国的萨克斯发现光合作用产生淀粉。他做了一个试验：把绿色植物叶片放在暗处几个小时，目的是让叶片中的营养物质消耗掉，然后把这个叶片一半曝光，一半遮光。过一段时间后，用碘蒸汽处理发现遮光的部分没有发生颜色的变化，曝光的那一半叶片则呈深蓝色。这一实验成功的证明绿色叶片在光和作用中产生淀粉。 

　　1880年，美国的恩格尔曼发现叶绿体是进行光合作用的场所，氧是由叶绿体释放出来的。他把载有水绵（水绵是多细胞低等绿色植物，其细而长的带状叶绿体是螺旋盘绕在细胞内）和好氧细菌的临时装片放在没有空气的暗环境里，然后用极细光束照射水绵通过显微镜观察发现，好氧细菌向叶绿体被光照的部位集中：如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位的周围。恩格尔曼的实验证明了氧气是从中叶绿体释放出来的；叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。 

　　1897年，“光合作用”这个名称首次在教科书中出现。 

　　1939年，美国科学家鲁宾（S.Ruben）和卡门(M.Kamen)采用同位素标记法研究了“光合作用中释放出的氧到底来自水，还是来自二氧化碳”这个问题，这一实验有利地证明光合作用释放的氧气来自水。 

　　20世纪40年代，美国科学家卡尔文（M.Calvin）用小球藻做实验：用14C标记的CO2（其中碳为14C）供小球藻(一种单细胞的绿藻)进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了二氧化碳中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径被成为卡尔文循环。 

　　21世纪初，合成生物学的兴起，人工设计与合成生物代谢反应链成为改造生物的转基因系统生物技术，2003年美国贝克利大学成立合成生物学系，开展光合作用的生物工程技术开发，同时美国私立文特尔研究所展开藻类合成生物学的生物能源技术开发，将使光合作用技术开发在太阳能产业领域带来一场变革。 

光合作用认识三：光合作用研究进展
光合作用(Photosynthesis)指的是是植物、藻类利用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。


一、美国研发出人工光合作用装置生成氢气 
能源问题是当前社会面临的最为紧迫的问题之一，氢气则是最洁净的高效能源之一。H2可以由2个H+生成，H+又可由H2O生成。那么如何从H2O产生H+，这涉及水的裂解，也就是这个反应：2H2O——O2+4H+。问题是如何促使水裂解？ 
生物学研究给出的最佳答案是：光合作用。绿色植物能够进行光合作用，光合作用分两步：光反应，进行水的光解；暗反应，固定CO2生成糖等有机物。这里着重考虑光反应，光照促使水在植物光系统II中发生裂解，这个反应中光系统II就相当于一种高效的催化剂，它催化的反应正是2H2O——O2+4H+。其产生的氧气释放到大气中，供各种生物呼吸；H+并没有接着被催化产生H2，而是经过另一个催化装置（ATP合酶）的作用，生成ATP，这是一种高效的自由能储备和传递物质，可供给各种需要能量的生命活动，如肌肉收缩、蛋白质合成等等。
如果光合作用专家将植物催化水裂解的反应机理在原子水平解释清楚了，那么催化学家就可以模拟植物光系统II的催化机制，从而人工制造一种高效的催化剂，其目的是得到可用于合成H2的H+。已经有很多科学家致力于此项研究，而且也取得了一定的成果。
2001年德国科学家得到了蓝藻（可近似理解为最低等的植物）光系统II在0.38nm分辨率的晶体结构，之后日本、英国科学家又分别于2003年和2004年给出蓝藻光系统II在0.37和0.35nm分辨率的晶体结构，其中So Iwata等人基于0.35nm分辨率的晶体结构，给出了光系统II催化水裂解的分子机制和结构证据。目前，德国科学家已经给出蓝藻0.29nm分辨率的晶体结构，对光系统II的整个作用机制进行了详细地探讨。但是，到目前为止，还没有高等植物（如菠菜）的光系统II晶体结构，因为膜蛋白的纯化与结晶特别是这个含有20多个亚基的超大复合物的结晶是非常困难的。
 综上所述，模拟植物光系统II的催化机制，制造一种人工催化水裂解的催化剂，是解决能源问题的重要途径之一，而且也是非常非常有效的途径之一，因为水和光都是能够很容易地大量得到的。   
    美国麻省理工学院化学家Daniel Nocera领导的一个研究小组研发成功了一种用太阳能生产氢气的装置。他们先是用三层很薄的太阳能硅电池材料压制成片状太阳能电池，然后在电池的阳面（朝向阳光的一面）镀上镍、钼、锌三种元素合成的一种催化剂，在阴面（背向阳光的一面）镀上含钴元素的一种催化剂。把这种太阳能电池板浸入水中，阳面产生的正电荷穿过硅电池片抵达阴面，把水分子电离成氧分子和带正电的氢离子，氢离子游到阳面与残留在阳面上的负电荷中和后生成氢分子，释放出氢气。Nocera的这个装置与植物的光合作用十分相似，它比以往类似装置优越得多的地方是所用的材料十分丰富从而价格便宜，另外它能长时间稳定地生成氢气。
二、植物光合作用分子机理研究取得进展
    光合作用在绿色植物所特有的细胞器——叶绿体中进行，存在于叶绿体上的光合膜含有丰富的糖脂（半乳糖甘油酯），而UDP-半乳糖是合成这些糖脂的主要供体。目前有关光合膜上糖脂组装的遗传和生化分析已有研究，但对糖脂合成过程中UDP-半乳糖底物供应来源和产生机制一直不甚清楚。
    中国科学院遗传与发育生物学研究所基因组生物学研究中心储成才研究组通过大规模筛选鉴定水稻光合能力和碳同化突变体（photoassimilate defective1, phd1），克隆和鉴定了编码一个新型UDP-葡萄糖差向异构酶（UDP-glucose epimerase, UGE）基因PHD1。以往人们一直认为UGE仅仅存在于细胞质中，储成才实验室通过大量分子生物学和免疫细胞学等手段，证明PHD1存在于叶绿体基质中；进一步生化实验也表明，这个酶催化生成糖脂合成底物——UDP-半乳糖的过程是在叶绿体内进行。这是首次发现UGE也存在于叶绿体中。
    进一步功能鉴定表明，PHD1参与了糖脂的生物合成以及光合膜的生物发生过程。因此，这项研究不仅发现了一种新型质体定位的UDP-葡萄糖差向异构酶，而且阐明了高等植物光合膜上糖脂糖基组分的来源和发生机制，并暗示了该机制在绿色植物中是保守的，为进一步研究光合膜糖脂在植物光合作用以及生长发育过程中的重要作用奠定了基础。
        PHD1突变体中糖脂的不足严重影响了光合色素的含量，并降低了有效光化学效率。有意思的是，在过表达PHD1的转基因株系中决定水稻产量的两个主要因子：有效穗数和籽粒千粒重都显著增加，并最终提高了水稻产量。PHD1不仅对水稻分蘖、千粒重及株高等产生适度(fine-tuning)促进效应，尤为重要的是，过表达植株的光合能力，尤其是在低光强下光合能力得到显著提高。因此，PHD1为新一代水稻以及能源作物高产育种，特别对西南如四川、云南、贵州等光强不足地区的作物高产改良提供了一种全新的思路，具有显著的潜在应用价值和经济意义。
 
光合作用认识四：重视光合基础与应用研究相结合
我国的植物生理学家沈允钢教授主要从事光合作用能量转换机理和光合机构运转调控研究。从教授的研究中，发现不仅重视基础研究，还要结合实际应用，我们在光合作用的教学过程中也要结合实际来解决实际问题，特别是环境因素影响光合作用效率。以下就是他在科学研究中采用的思路和方法，对我们的教学带来借鉴作用：
 
 既重视光合作用机理研究，又注意和生理结合，这样可克服离体实验可能带来的扭曲，还有助于将研究成果应用于生产实际。生理研究注意综合地了解生物表现出来的功能，而机理探讨则需深入到分子等水平上分析其具有这些功能的原理。前者常常要考虑多种复杂因素的影响，后者则希望简化实验的条件，因而要把二者结合起来常常是相当困难的，这需要从两方面都努力延伸。
 20世纪50年代末，我国农业中大搞密植深耕创高产的试验，我们植物生理研究所派出不少科技人员去蹲点总结经验，我也参加到河南西平去了解小麦高产的情况。我在农村蹲点时，深深感到缺乏在田间探测作物光合作用的手段，因此，在调回所里搞光合作用基础研究后，仍和同事们摸索了几种可以到野外测定光合作用的方法，包括改进半叶干重法、用塑料袋到田间取气样带回实验室分析的技术等。这样，我们虽然主要搞基础研究，但也在夏季到田间做些生理工作，并努力使之和基础研究结合起来。在这些工作中也得到了一些值得深入探讨的结果。例如，我们观察到各种植物光合作用形成的产物及其输出有两类不同的规律：一类是水稻、小麦、蚕豆等，其叶片中形成的产物以蔗糖为主，在白天进行光合作用时大部分产物已输出叶片；另一类是棉花、大豆等，其叶片中形成的产物以淀粉为主，在白天进行光合作用时大部分产物留在叶中，待夜间才输出。 
 早在开始研究光合作用产物的积累、转化与运输时，我们就注意到了提高光合作用效率的问题。1975年，我和同事们开展了覆盖栽培下的二氧化碳施用的研究，证明增加二氧化碳浓度是提高作物光合作用效率的有效途径之一。近年来，我们对植物叶片光合作用“午睡”现象作了探讨。实验结果表明，叶片在中午光合作用降低的原因，在很多情况下与中午前后空气湿度较低和温度较高所导致的大气饱和差的增大有关，为“午睡”现象的分析提供了较系统的证据。我们在中午采取喷雾处理提高空气湿度的办法对在灌浆阶段的小麦进行了试验，获得明显的增产效果。
 我们力求将机理研究和生理研究结合起来的愿望碰到了较好的机遇。1983年我们到比利时去参加第六届国际光合作用会议。英国科学家Hall教授来找我，希望我们能承担联合国环境规划署的科研项目“热带亚热带草地自然生态系统的生物生产力和光合作用”的中国区域中心的工作。我们同意了。他们就在1984年到上海来在我们协助下开办一个光合作用知识和有关技术的培训班，全国各地有几十人来参加。接着我们就和位于浙江富阳的林科院亚热带林业研究所合作测定毛竹的生物生产力和光合作用。这促进了我们的光合作用研究向生态方面扩展。我们不仅努力完成所承担的联合国环境规划署的科研项目，而且还连续多年在夏天到青海去研究高原自然条件下植物的光合作用。那儿日照强、昼夜温差大、但气压低，所以植物光合机构的运转有不少特点。因此，1989年我应邀到瑞典参加第八届国际光合作用会议作专题报告时就以“在自然环境中光合作用的一些限制因素”为题，力求把光合作用生理和机理结合起来分析。

光合作用认识五：影响光合速率的因素
  一、光合速率及表示单位
光合速率通常是指单位时间、单位叶面积的CO2吸收量或O2的释放量，也可用单位时间、单位叶面积上的干物质积累量来表示。常用单位有：μmol CO2·m-2·s-1 (以前用mg·dm-2·h-1表示，1μmol·m-2·s-1＝1.58mg·dm-2·h-1)、μmol O2·dm-2·h-1 和mgDW(干重)·dm-2·h-1。
CO2吸收量用红外线CO2气体分析仪测定，O2释放量用氧电极测氧装置测定，干物质积累量可用改良半叶法等方法测定。有的测定光合速率的方法都没有把呼吸作用(光、暗呼吸)以及呼吸释放的CO2被光合作用再固定等因素考虑在内，因而所测结果实际上是表观光合速率或净光合速率，如把表观光合速率加上光、暗呼吸速率，便得到总光合速率或真光合速率。 
二、内部因素
　(一)叶片的发育和结构
　 1．叶龄 
   新长出的嫩叶，光合速率很低。其主要原因有：(1)叶组织发育未健全，气孔尚未完全形成或开度小，细胞间隙小，叶肉细胞与外界气体交换速率低；(2)叶绿体小，片层结构不发达，光合色素含量低，捕光能力弱；(3)光合酶，尤其是Rubisco的含量与活性低。(4)幼叶的呼吸作用旺盛，因而使表观光合速率降低。但随着幼叶的成长，叶绿体的发育，叶绿素含量与Rubisco酶活性的增加，光合速率不断上升；当叶片长至面积和厚度最大时，光合速率通常也达到最大值，以后，随着叶片衰老，叶绿素含量与Rubisco酶活性下降，以及叶绿体内部结构的解体，光合速率下降。
  依据光合速率随叶龄增长出现“低—高—低”的规律，可推测不同部位叶片在不同生育期的相对光合速率的大小。如处在营养生长期的禾谷类作物，其心叶的光合速率较低，倒3叶的光合速率往往最高；而在结实期，叶片的光合速率应自上而下地衰减。
　　 2.叶的结构 
   叶的结构如叶厚度、栅栏组织与海绵组织的比例、叶绿体和类囊体的数目等都对光合速率有影响。叶的结构一方面受遗传因素控制，另一方面还受环境影响。
　 C4植物的叶片光合速率通常要大于C3植物，这与C4植物叶片具有花环结构等特性有关。许多植物的叶组织中有两种叶肉细胞，靠腹面的为栅栏组织细胞；靠背面的为海绵组织细胞。栅栏组织细胞细长，排列紧密，叶绿体密度大，叶绿素含量高，致使叶的腹面呈深绿色，且其中Chla/b比值高，光合活性也高，而海绵组织中情况则相反。生长在光照条件下的阳生植物(sun plant)叶栅栏组织要比阴生植物(shade plant)叶发达，叶绿体的光合特性好，因而阳生叶有较高的光合速率。
同一叶片，不同部位上测得的光合速率往往不一致。例如，禾本科作物叶尖的光合速率比叶的中下部低，这是因为叶尖部较薄，且易早衰的缘故。
　(二)光合产物的输出
光合产物(蔗糖)从叶片中输出的速率会影响叶片的光合速率。例如，摘去花、果、顶芽等都会暂时阻碍光合产物输出，降低叶片特别是邻近叶的光合速率；反之，摘除其他叶片，只留一张叶片与所有花果，留下叶的光合速率会急剧增加，但易早衰。对苹果等果树枝条环割，由于光合产物不能外运，会使环割上方枝条上的叶片光合速率明显下降。光合产物积累到一定的水平后会影响光合速率的原因有：(1)反馈抑制。例如蔗糖的积累会反馈抑制合成蔗糖的磷酸蔗糖合成酶sucrose phosphate synthetase,SPS)的活性，使F6P增加。而F6P的积累，又反馈抑制果糖1，6-二磷酸酯酶活性，使细胞质以及叶绿体中磷酸丙糖含量增加，从而影响CO2的固定；(2)淀粉粒的影响。叶肉细胞中蔗糖的积累会促进叶绿体基质中淀粉的合成与淀粉粒的形成，过多的淀粉粒一方面会压迫与损伤类囊体植物的光合作用受内外因素的影响，而衡量内外因素对光合作用影响程度的常用指标是光合速率(photosynthetic rate)。
三 外部因素
 (一)光照 
 光是光合作用的动力，也是形成叶绿素、叶绿体以及正常叶片的必要条件，光还显著地调节光合酶的活性与气孔的开度，因此光直接制约着光合速率的高低。光照因素中有光强、光质与光照时间，这些对光合作用都有深刻的影响。
　　1.光照强度
 (1)光强-光合曲线 
     随着光强的增高，光合速率相应提高，当到达某一光强时，叶片的光合速率等于呼吸速率，即CO2吸收量等于CO2释放量，表观光合速率为零，这时的光强称为光补偿点(light compensation point)。在低光强区，光合速率随光强的增强而呈比例地增加(比例阶段，直线A)；当超过一定光强，光合速率增加就会转慢(曲线B)；当达到某一光强时，光合速率就不再增加，而呈现光饱和现象。开始达到光合速率最大值时的光强称为光饱和点(light saturation point)，此点以后的阶段称饱和阶段(直线C)。比例阶段中主要是光强制约着光合速率，而饱和阶段中CO2扩散和固定速率是主要限制因素。
    不同植物的光强-光合曲线不同，光补偿点和光饱和点也有很大的差异。光补偿点高的植物一般光饱和点也高，草本植物的光补偿点与光饱和点通常要高于木本植物；阳生植物的光补偿点与光饱和点要高于阴生植物；C4植物的光饱和点要高于C3植物。光补偿点和光饱和点可以作为植物需光特性的主要指标，用来衡量需光量。光补偿点低的植物较耐阴，如大豆的光补偿点仅0.5klx，所以可与玉米间作，在玉米行中仍能正常生长。在光补偿点时，光合积累与呼吸消耗相抵消，如考虑到夜间的呼吸消耗，则光合产物还有亏空，因此从全天来看，植物所需的最低光强必须高于光补偿点。对群体来说，上层叶片接受到的光强往往会超过光饱和点，而中下层叶片的光强仍处在光饱和点以下，如水稻单株叶片光饱和点为40～50klx，而群体内则为60～80lx，因此改善中下层叶片光照，力求让中下层叶片接受更多的光照是高产的重要条件。
 植物的光补偿点和光饱和点不是固定数值，它们会随外界条件的变化而变动，例如，当CO2浓度增高或温度降低时，光补偿点降低；而当CO2浓度提高时，光饱和点则会升高。在封闭的温室中，温度较高，CO2较少，这会使光补偿点提高而对光合积累不利。在这种情况下应适当降低室温，通风换气，或增施CO2才能保证光合作用的顺利进行。
在一般光强下，C4植物不出现光饱和现象，其原因是：①C4植物同化CO2消耗的同化力要比C3植物高 ②PEPC对CO2的亲和力高，以及具有“CO2泵”，所以空气中CO2浓度通常不成为C4植物光合作用的限制因素。
 (2)强光伤害—光抑制 
 光能不足可成为光合作用的限制因素，光能过剩也会对光合作用产生不利的影响。当光合机构接受的光能超过它所能利用的量时，光会引起光合速率的降低，这个现象就叫光合作用的光抑制。
 晴天中午的光强常超过植物的光饱和点，很多C3植物，如水稻、小麦、棉花、大豆、毛竹、茶花等都会出现光抑制，轻者使植物光合速率暂时降低，重者叶片变黄，光合活性丧失。当强光与高温、低温、干旱等其他环境胁迫同时存在时，光抑制现象尤为严重。通常光饱和点低的阴生植物更易受到光抑制危害，若把人参苗移到露地栽培，在直射光下，叶片很快失绿，并出现红褐色灼伤斑，使参苗不能正常生长；大田作物由光抑制而降低的产量可达15%以上。因此光抑制产生的原因及其防御系统引起了人们的重视。
 光抑制机理：一般认为光抑制主要发生在PSⅡ。按其发生的原初部位可分为受体侧光抑制和供体侧光抑制。受体侧光抑制常起始于还原型QA的积累。还原型QA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)；供体侧光抑制起始于水氧化受阻。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，光合活性下降。
　　保护机理：植物有多种保护防御机理，用以避免或减少光抑制的破坏。如：(1)通过叶片运动，叶绿体运动或叶表面覆盖蜡质层、积累盐或着生毛等来减少对光的吸收；(2)通过增加光合电子传递和光合关键酶的含量及活化程度，提高光合能力等来增加对光能的利用；(3)加强非光合的耗能代谢过程，如光呼吸、Mehler反应等；(4)加强热耗散过程，如蒸腾作用；(5)增加活性氧的清除系统，如超氧物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽还原酶等的量和活性；(6)加强PSⅡ的修复循环等。
 光抑制引起的破坏与自身的修复过程是同时发生的，两个相反过程的相对速率决定光抑制程度和对光抑制的忍耐性。光合机构的修复需要弱光和合适的温度，以及维持适度的光合速率，并涉及到一些物质如D1等蛋白的合成。如果植物连续在强光和高温下生长，那么光抑制对光合器的损伤就难以修复了。
 在作物生产上，保证作物生长良好，使叶片的光合速率维持较高的水平，加强对光能的利用，这是减轻光抑制的前提。同时采取各种措施，尽量避免强光下多种胁迫的同时发生，这对减轻或避免光抑制损失也是很重要的。另外，强光下在作物上方用塑料薄膜遮阳网或防虫网等遮光，能有效防止光抑制的发生，这在蔬菜花卉栽培中已普遍应用。
 2.光质 
 
 在太阳幅射中，只有可见光部分才能被光合作用利用。用不同波长的可见光照射植物叶片，测定到的光合速率(按量子产额比较)不一样。在600～680nm红光区，光合速率有一大的峰值，在435nm左右的蓝光区又有一小的峰值。可见，光合作用的作用光谱与叶绿体色素的吸收光谱大体吻合。
 在自然条件下，植物或多或少会受到不同波长的光线照射。例如，阴天不仅光强减弱，而且蓝光和绿光所占的比例增高。树木的叶片吸收红光和蓝光较多，故透过树冠的光线中绿光较多，由于绿光是光合作用的低效光，因而会使树冠下生长的本来就光照不足的植物利用光能的效率更低。“大树底下无丰草”就是这个道理。
水层同样改变光强和光质。水层越深，光照越弱，例如，20米深处的光强是水面光强的二十分之一，如水质不好，深处的光强会更弱。水层对光波中的红、橙部分吸收显著多于蓝、绿部分，深水层的光线中短波长的光相对较多。所以含有叶绿素、吸收红光较多的绿藻分布于海水的表层；而含有藻红蛋白、吸收绿、蓝光较多的红藻则分布在海水的深层，这是海藻对光适应的一种表现。
 3.光照时间 
 对放置于暗中一段时间的材料(叶片或细胞)照光，起初光合速率很低或为负值，要光照一段时间后，光合速率才逐渐上升并趋与稳定。从照光开始至光合速率达到稳定水平的这段时间，称为“光合滞后期”(lag phase of photosynthesis)或称光合诱导期。一般整体叶片的光合滞后期约30～60min，而排除气孔影响的去表皮叶片，细胞、原生质体等光合组织的滞后期约10min。将植物从弱光下移至强光下，也有类似情况出现。另外，植物的光呼吸也有滞后现象。在光合的滞后期中光呼吸速率与光合速率会按比例上升。
　　产生滞后期的原因是光对酶活性的诱导以及光合碳循环中间产物的增生需要一个准备过程，而光诱导气孔开启所需时间则是叶片滞后期延长的主要因素。
由于照光时间的长短对植物叶片的光合速率影响很大，因此在测定光合速率时要让叶片充分预照光。
(二)CO2
1.CO2-光合曲线
曲线上四个点对应浓度分别为CO2补偿点(C)，空气浓度下细胞间隙的CO2浓度(n)，与空气浓度相同的细胞间隙CO2浓度(350μl·L-1左右)和CO2饱和点(S)。Pm为最大光合速率；CE为比例阶段曲线斜率，代表羧化效率；OA光下叶片向无CO2气体中的释放速率，可代表光呼吸速率。
CO2-光合曲线与光强光合曲线相似，有比例阶段与饱和阶段。光下CO2浓度为零时叶片只有光、暗呼吸,释放CO2。图中的OA部分为光下叶片向无CO2气体中的CO2释放速率(实质上是光呼吸、暗呼吸、光合三者的平衡值)，通常用它来代表光呼吸速率。在比例阶段，光合速率随CO2浓度增高而增加，当光合速率与呼吸速率相等时，环境中的CO2浓度即为CO2补偿点(CO2compensation point，图中C点)；当达到某一浓度(S)时，光合速率便达最大值(PM)，开始达到光合最大速率时的CO2浓度被称为CO2饱和点(CO2 saturation point)。在CO2－光合曲线的比例阶段，CO2浓度是光合作用的限制因素，直线的斜率(CE)受Rubisco活性及活化Rubisco量的限制，因而CE被称为羧化效率(carboxylation efficiency)。从CE的变化可以推测Rubisco的量和活性，CE大，即在较低的CO2浓度时就有较高的光合速率，也就是说Rubisco的羧化效率高。在饱和阶段，CO2已不是光合作用的限制因素，而CO2受体的量，即RuBP的再生速率则成为影响光合的因素。由于RuBP再生受ATP供应的影响，所以饱和阶段光合速率反映了光合电子传递和光合磷酸化活性，因而Pm被称为光合能力。
 


 比较C3植物与C4植物CO2－光合曲线，可以看出：(1)C4植物的CO2补偿点低，在低CO2浓度下光合速率的增加比C3快，CO2的利用率高；(2) C2植物的CO2饱和点比C3植物低，在大气CO2浓度下就能达到饱和；而C3植物CO2饱和点不明显，光合速率在较高CO2浓度下还会随浓度上升而提高。C4植物CO2饱和点低的原因，可能与C4植物的气孔对CO2浓度敏感有关，即CO2浓度超过空气水平后，C4植物气孔开度就变小。另外，C4植物PEPC的Km低，对CO2亲和力高，有浓缩CO2机制，这些也是C4植物CO2饱和点低的原因。
 在正常生理情况下，植物CO2补偿点相对稳定，例如小麦100个品种的CO2补偿点为52±2μl·L-1，大麦125个品种为55±2μl·L-1，玉米125个品种为1.3±1.2μl·L-1 ，猪毛菜(CAM植物) CO2补偿点不超过10μl·L-1 。有人测定了数千株燕麦和5万株小麦的幼苗，尚未发现一株具有类似C4植物低CO2补偿点的幼苗。在温度上升、光强减弱、水分亏缺、氧浓度增加等条件下，CO2补偿点也随之上升。 
    2.CO2供给
     CO2是光合作用的碳源，陆生植物所需的CO2主要从大气中获得。 CO2从大气至叶肉细胞间隙为气相扩散，而从叶肉细胞间隙到叶绿体基质则为液相扩散，扩散的动力为CO2浓度差。


    空气中的 CO2浓度较低，约为350μl·L-1 (0.035%)，分压为3.5×10-5 MPa，而一般C3植物的 CO2饱和点为1 000～1 500μl·L-1 左右，是空气中的3～5倍。在不通风的温室、大棚和光合作用旺盛的作物冠层内的. CO2浓度可降至200μl·L-1左右。由于光合作用 对 CO2的消耗以及存在 CO2扩散阻力，因而叶绿体基质中的 CO2浓度很低，接近CO2补偿点。因此，加强通风或设法增施 CO2能显著提高作物的光合速率，这对C3植物尤为明显。
 (三)温度
 光合过程中的暗反应是由酶所催化的化学反应，因而受温度影响。在强光、高CO2浓度时温度对光合速率的影响要比弱光、低 CO2浓度时影响大，这是由于在强光和高CO2条件下，温度能成为光合作用的主要限制因素。
 光合作用有一定的温度范围和三基点。光合作用的最低温度(冷限)和最高温度(热限)是指该温度下表观光合速率为零，而能使光合速率达到最高的温度被称为光合最适温度。光合作用的温度三基点因植物种类不同而有很大的差异(表4-6)。如耐低温的莴苣在 5℃就能明显地测出光合速率，而喜温的黄瓜则要到20℃时才能测到；耐寒植物的光合作用冷限与细胞结冰温度相近；而起源于热带的植物，如玉米、高粱、橡胶树等在温度降至10～5℃时，光合作用已受到抑制。低温抑制光合的原因主要是低温时膜脂呈凝胶相，叶绿体超微结构受到破坏。此外，低温时酶促反应缓慢，气孔开闭失调，这些也是光合受抑的原因。
 从上表可知，C4植物的热限较高，可达50～60℃，而C3植物较低，一般在40～50℃。乳熟期小麦遇到持续高温，尽管外表上仍呈绿色，但光合功能已严重受损。产生光合作用热限的原因：一是由于膜脂与酶蛋白的热变性，使光合器官损伤，叶绿体中的酶钝化；二是由于高温刺激了光暗呼吸，使表观光合速率迅速下降。
 昼夜温差对光合净同化率有很大的影响。白天温度高，日光充足，有利于光合作用的进行；夜间温度较低，降低了呼吸消耗，因此，在一定温度范围内，昼夜温差大有利于光合积累。
 在农业实践中要注意控制环境温度，避免高温与低温对光合作用的不利影响。玻璃温室与塑料大棚具有保温与增温效应，能提高光合生产力，这已被普遍应用于冬春季的蔬菜栽培。
 (四)水分
 水分对光合作用的影响有直接的也有间接的原因。直接的原因是水为光合作用的原料，没有水不能进行光合作用。但是用于光合作用的水不到蒸腾失水的1%，因此缺水影响光合作用主要是间接的原因。
 水分亏缺会使光合速率下降。在水分轻度亏缺时，供水后尚能使光合能力恢复，倘若水分亏缺严重，供水后叶片水势虽可恢复至原来水平，但光合速率却难以恢复至原有程度。因而在水稻烤田，棉花、花生蹲苗时，要控制烤田或蹲苗程度，不能过头。
向日葵在严重水分亏缺时以及在复水过程中 叶水势、光合速率、气孔阻力、蒸腾速率变化:
 水分亏缺降低光合的主要原因有：
 (1)气孔导度下降 叶片光合速率与气孔导度呈正相关，当水分亏缺时，叶片中脱落酸量增加，从而引起气孔关闭，导度下降，进入叶片的. CO2减少。开始引起气孔导度和光合速率下降的叶片水势值，因植物种类不同有较大差异：水稻为－0.2～－0.3MPa；玉米为－0.3～－0.4MPa；而大豆和向日葵则在－0.6～－1.2MPa间。
 (2)光合产物输出变慢 水分亏缺会使光合产物输出变慢，加之缺水时，叶片中淀粉水解加强，糖类积累，结果会引起光合速率下降。
 (3)光合机构受损 缺水时叶绿体的电子传递速率降低且与光合磷酸化解偶联，影响同化力的形成。严重缺水还会使叶绿体变形，片层结构破坏，这些不仅使光合速率下降，而且使光合能力不能恢复。
 (4)光合面积扩展受抑 在缺水条件下，生长受抑，叶面积扩展受到限制。有的叶面被盐结晶、被绒毛或蜡质覆盖，这样虽然减少了水分的消耗，减少光抑制，但同时也因对光的吸收减少而使得光合速率降低。
 水分过多也会影响光合作用。土壤水分太多，通气不良妨碍根系活动，从而间接影响光合；雨水淋在叶片上，一方面遮挡气孔，影响气体交换，另一方面使叶肉细胞处于低渗状态，这些都会使光合速率降低。
（五）矿质营养
 矿质营养在光合作用中的功能极为广泛，归纳起来有以下几方面：
 1.叶绿体结构的组成成分 如N、P、S、Mg是叶绿体中构成叶绿素、蛋白质、核酸以及片层膜不可缺少的成分。
 2.电子传递体的重要成分 如PC中含Cu，Fe-S中心、Cytb、Cytf和Fd中都含Fe，放氧复合体不可缺少Mn2+ 和Cl- 。
 3.磷酸基团的重要作用 构成同化力的ATP和NADPH，光合碳还原循环中所有的中间产物，合成淀粉的前体ADPG，以及合成蔗糖的前体UDPG，这些化合物中都含有磷酸基团。
 4.活化或调节因子 如Rubisco，FBPase等酶的活化需要Mg2+ ；Fe、Cu、Mn、Zn参与叶绿素的合成；K+ 和Ca2+ 调节气孔开闭；K和P促进光合产物的转化与运输等。
 肥料三要素中以N对光合影响最为显著。在一定范围内，叶的含N量、叶绿素含量、Rubisco含量分别与光合速率呈正相关。叶片中含N量的80%在叶绿体中，施N既能增加叶绿素含量，加速光反应，又能增加光合酶的含量与活性，加快暗反应。从N素营养好的叶片中提取出的Rubisco不仅量多，而且活性高。然而也有试验指出当Rubisco含量超过一定值后，酶量就不与光合速率成比例。
重金属铊、镉、镍和铅等都对光合作用有害，它们大都影响气孔功能。另外，镉对PSⅡ活性有抑制作用。
(六)光合速率的日变化
一天中，外界的光强、温度、土壤和大气的水分状况、空气中的. CO2浓度以及植物体的水分与光合中间产物含量、气孔开度等都在不断地变化，这些变化会使光合速率发生日变化，其中光强日变化对光合速率日变化的影响最大。在温暖、水分供应充足的条件下，光合速率变化随光强日变化呈单峰曲线，即日出后光合速率逐渐提高，中午前达到高峰，以后逐渐降低，日落后光合速率趋于负值(呼吸速率)。如果白天云量变化不定，则光合速率会随光强的变化而变化。
 水稻光合速率的日变化:

    A光合速率(P)和气孔导度(C)平行变化； B.由A图数据绘制的光合速率与光强的关系，在相同光强下，上午光合速率要大于下午的光合速率。
 另外，光合速率也同气孔导度的变化相对应。在相同光强时，通常下午的光合速率要低于上午的光合速率(上右图)，这是由于经上午光合后，叶片中的光合产物有积累而发生反馈抑制的缘故。当光照强烈、气温过高时，光合速率日变化呈双峰曲线，大峰在上午，小峰在下午，中午前后，光合速率下降，呈现“午睡”现象(midday depression of photo-synthesis)，且这种现象随土壤含水量的降低而加剧(图4-35)。引起光合“午睡”的主要因素是大气干旱和土壤干旱。在干热的中午，叶片蒸腾失水加剧，如此时土壤水分也亏缺，那么植株的失水大于吸水，就会引起萎蔫与气孔导度降低，进而使 CO2吸收减少。另外，中午及午后的强光、高温、低. CO2浓度等条件都会使光呼吸激增，光抑制产生，这些也都会使光合速率在中午或午后降低。
 光合“午睡”是植物遇干旱时的普遍发生现象，也是植物对环境缺水的一种适应方式。但是“午睡”造成的损失可达光合生产的30%，甚至更多，所以在生产上应适时灌溉，或选用抗旱品种，增强光合能力，以缓和“午睡”程度。
光合作用认识六：光合速率测定最经典的方法之一——改良半叶法
【实验原理】 
改良半叶法系将植物对称叶片的一部分遮光或取下置于暗处，另一部分则留在光下进行光合作用，过一定时间后，在这两部分叶片的对应部位取同等面积，分别烘干称重。因为对称叶片的两对应部位的等面积的干重，开始时被视为相等，照光后叶片重量超过暗中的叶重，超过部分即为光合作用产物的产量，并通过一定的计算可得到光合作用强度。乘以系数后还可计算出C02的同化量。
【器材与试剂】
1．实验仪器   分析天平，烘箱，剪刀，称量皿，刀片，金属模板，纱布，锡纸
2．实验试剂   三氯乙酸
3．实验材料   田间有代表性的植物叶片
【实验步骤】
1．选择测定样品
在田间选定有代表性植株叶片（如叶片在植株上的部位、叶龄、受光条件等）20张，用小纸牌编号。
2．叶子基部处理
为了不使选定叶片中光合作用产物往外运，而影响测定结果的准确性，可采用下列方法进行处理：
（1）可将叶子输导系统的韧皮部破坏。如棉花等双子叶植物的叶片，可用刀片将叶柄的外皮环割约 0.5 cm宽。
（2）如小麦、水稻等单子叶植物，由于韧皮部和木质部难以分开处理，可用刚在开水中浸过的纱布或棉花做成的夹子，将叶子基部烫伤一小段即可（一般用90℃以上的开水烫20 s）。
（3）由于棉花叶柄木质化程度低，叶柄易被折断。用开水烫，又难以掌握烫伤的程度，往往不是烫得不够便是烫得过重而叶片下垂，改变了叶片的角度。因此可改用化学方法来环割，选用适当浓度的三氯乙酸，点涂叶柄以阻止光合产物的输出。三氯乙酸是一种强烈的蛋白质沉淀剂，渗入叶柄后可将筛管生活细胞杀死，而起到阻止有机养料运输的作用。三氯乙酸的浓度，视叶柄的幼嫩程度而异。以能明显灼伤叶柄，而又不影响水分供应，不改变叶片角度为宜。一般使用5% 三氯乙酸。
为了使烫后或环割等处理后的叶片不致下垂，影响叶片的自然生长角度，可用锡纸或塑料管包围之。使叶片保持原来着生角度。
3．剪取样品
叶基部处理完毕后，即可剪取样品，记录时间，开始光合作用测定。一般按编号次序分别剪下对称叶片的一半（主脉不剪下），按编号顺序夹于湿润的纱布中，贮于暗处。过4-5 h后，再依次剪下另外半叶，同样按编号夹于湿润纱布中，两次剪叶的速度应尽量保持一致，使各叶片经历相等的照光时数。
4．称重比较
将各同号叶片之两半对应部位叠在一起，在无粗叶脉处放上已知面积（如棉花可用1.5×2 cm）的金属模板，用刀片沿边切下两个叶块，分别置于照光及暗中 的 两个称量皿中，80-90℃下烘至恒重（约5 h），在分析天平上称重比较。
5．测定数据记录
重复
叶圆片数量
叶圆片总面积m^2
暗中半叶干重mg
W1
照光半叶干重mg
W2
光合速率
mgDW·m^-2 S^-1
 
绿
 
叶
1
 
 
 
 
 
2
 
 
 
 
 
3
 
 
 
 
 
平均值
 
 
 
 
 
标准差
 
 
 
 
 
 
黄
 
叶
1
 
 
 
 
 
2
 
 
 
 
 
3
 
 
 
 
 
平均值
 
 
 
 
 
标准差
 
 
 
 
 
6．结果计算：
W2-W1
光合速率(mgDW·m-2 s-1)=———————
A×t
式中 W2：照光半叶的叶圆片干重(mg)；W1：暗中半叶的叶圆片干重(mg)；A：叶圆片面积(m2)；t：照光时间(S)。
若将干物质重乘以系数1.5，便可得CO2的同化量，以mgC02·m -2S-1表示。
【注意事项】
实验成功的关键在于对叶柄的环割或伤害处理。
【实验后思考与讨论】
（1）为什么选择叶龄、叶色、着生部位和受光一致，以及主脉两侧对称的叶片？
（2）为什么将待测叶片编号？
（3）在改良半叶法中为什么要杀死韧皮部？
（4）三氯乙酸在本实验中起什么作用？为什么？
（5）在取样称重时，为什么将同号叶片的两个半叶叠在一起用打孔器打取叶圆片？
（6）烘干时为什么样品放入称量瓶，在烘箱中不加盖，而从烘箱取出时需要加盖，并放入干燥器中？
（7）如果将先取回的半片立即打孔取样烘干，对最后的测定数据将会产生什么样的影响？为什么？
（8）在烘干过程中，为什么需要用105℃的高温10min杀死细胞？如若不然，将对实验数据产生什么样的影响？
（9）测定时间过短对所测定的光合作用速率会产生什么样的影响？为什么？测定时间过长又会产生什么样的影响？为什么？
（10）为使不同时间测定的数据具有可比性，你认为需要控制什么环境条件？为什么？
 
光合作用认识七：“特殊”的光合作用
 
问题引出：芦荟夜晚是怎样吸收二氧化碳的呢?
芦荟不但白天进行光合作用，放出氧气，而且在夜间还可以吸收室内的二氧化碳，净化室内的空气。芦荟可以有效地清除空气中的甲醛，栽几株芦荟，就等于在家里安装了几台“生物空气清新器”，时时刻刻都在净化居室环境。当空气中的有害气体如一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、甲醛长期处在一个较高的水平，而芦荟已无力彻底清除吸收时，会在叶部出现斑点，报警你迅速采取相应措施，避免有害气体对人体健康的危害。
大部分植物都是在白天吸收二氧化碳释放氧气，在夜间则相反。但仙人掌、虎皮兰、景天、芦荟和吊兰等都是一直吸收...
晚上不进行光合作用，这些植物是怎么吸收二氧化碳的呢？
这些植物属于景天酸代谢植物，它们在夜晚气孔开放，植物通过PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸，然后再转变成苹果酸储存在液泡中；到了白天气孔关闭，液泡里的苹果酸逐渐转化并释放CO2，CO2进入叶绿体通过卡尔文循环形成糖类。
这类植物光合作用的这种特点，与它们生活在极度干旱的环境有关。
景天科等植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，这样的与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为CAM途径。CAM最早是在景天科植物中发现的，目前已知在近30个科，1万多个种的植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人掌科、兰科、凤梨科、大戟科、番杏科、百合科、石蒜科等植物中。其中凤梨科植物达1千种以上，兰科植物达数千种，此外还有一些裸子植物和蕨类植物。CAM植物起源于热带，往往分布于干旱的环境中，多为肉质植物(succulent plant)，具有庞大的贮水组织，肉质植物不一定都是。常见的CAM植物有菠萝、剑麻、兰花、百合、仙人掌等。
下面提供两题有关“特殊”的光合作用题目。
（2011年广东高考题）观赏植物蝴蝶兰可通过改变CO2，吸收方式以适应环境变化长期干旱条件下，蝴蝶兰在夜间吸收CO2，并贮存在细胞中。
    (1)依上左图分析，长期干旱条件下的蝴蝶兰在O～4时           (填“有”或“无”)ATP和[H]的合成，原因是         ；此时段        (填“有”或“无”)光合作用的暗反应发生，原因是         ；10～16时无明显CO2吸收的直接原因是            。
    (2)从上右图可知，栽培蝴蝶兰应避免           ，以利于其较快生长。此外，由于蝴蝶兰属阴生植物，栽培时还需适当               。
    (3)蝴蝶兰的种苗可利用植物细胞的              ，通过植物组织培养技术大规模生产，此过程中细胞分化的根本原因是              。
    答案：（1）有   呼吸作用合成    无   叶绿体在无光时不能合成ATP和[H]    气孔关闭   （2）长期干旱（长期缺水）   遮阴    (3)全能性     基因的选择性表达
    （2011年嘉兴市基础测试题）景天科植物A有一个很特殊的CO2同化方式，夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中，如图一所示；白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，如图二所示。十字花科植物B的CO2同化过程如图三所示，请回答下列问题：


    （1）白天，影响植物A光合作用强度的环境因素有    　  。  
    （2）植物A夜晚能吸收CO2，却不能合成C6H12O6的原因是   　   ,白天植物A进行光合作用所需的CO2的来源有          和       。
    （3）在上午10：00点时，突然降低环境中CO2浓度后的一小段时间内，植物A和植物B细胞中C3含量变化的差异是 　     。
    （4）植物A气孔开闭的特点，与其生活的环境是相适应的，推测植物A生活的环境最可能是           。
    答案：（1）温度、光照强度、水分等  （2）没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供所需的ATP、[H]    苹果酸经脱羧作用释放的   呼吸作用产生的（3）植物A基本不变，植物B下降的 （4）炎热干旱 
 
 
光合作用认识八：白瓶黑瓶法测定光合速率
（杭州市期末考试卷）某同学研究湖泊中某深度处生物光合作用和需氧呼吸强度。具体操作如下：取三个相同的透明玻璃瓶a、b、c，将a先包以黑胶布，再包以锡箔。用a、b、c三个瓶从待测水体深度处取水，测定瓶中水的氧含量。将a瓶、b瓶密封再沉入原取水处，经24小时取出，测两瓶氧含量，结果如图所示。则24小时内待测深度水体中生物光合作用和需氧呼吸的情况是（ D ）
A．24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是v mol/瓶
B．24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是k mol/瓶C．24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是(k－v)mol/瓶
D．24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是(k－v)mol/瓶
其实这样的题目涉及到的就是白瓶黑瓶法测定氧气产生量，a瓶和b瓶之差就是真光合速率，即光合作用产生的氧气量。2006年高考江苏卷生物试题中第40题的题目也是这样的题，其实懂得原理，这样的题还是很容易理解的。    
（江苏生物高考题）为了调查太湖某一水层是否有自养生物存在及其产氧量能否维持本层水体生物呼吸耗氧所需，可用黑白瓶法测定该水层生物昼夜平均代谢率来判定。白瓶为透明玻璃瓶，其水体溶解O2的昼夜变化值为水中生物光合作用产生的O2与呼吸消耗的O2的差值(以WD0表示)；黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶，瓶中水体溶解O2的昼夜变化值为水中生物呼吸消耗的O2(以BD0表示)。请完成下列实验。(1)实验步骤：
①用采水器取该层水样，分别注满500mL黑、白瓶并密封，剩余水样用于测________；
②将黑、白瓶___________；
③_________________。
(2)设计记录所测数据的表格。__________。
(3)预测实验结果并分析。___________。
答案：(1)溶解氧浓度；挂回原水层；24h后取出黑、白瓶测溶解氧浓度。(2)黑、白瓶溶氧(mg／L)变化记录表，如下表。（3）若WDO—BDO>0，则有自养生物；若WDO—BDO=0，则无自养生物；若WDO≥0，则该水层产氧能维持生物耗氧量所需。
       编号
项目
白  瓶
黑  瓶
l
2
3
平均
l
2
3
平均
24h后溶氧量
 
 
 
 
 
 
 
 
原初溶氧
 
 
 
 
 
白瓶黑瓶测氧法
实验原理：
黑白瓶策氧法是讲几只注满水样的白瓶和黑瓶悬挂在采水深度处，曝光24h。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。而白瓶完全被曝晒在光下，瓶中的浮游植物可进行光合作用，因此白瓶中的溶解氧量一般会增加。所以通过黑白瓶剪溶解氧量的变化，就可以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：
1、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100％～1％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。
2、溶解氧的固定与分析
曝光结束后，取出黑、白瓶立即加入MnSO4和碱性碘化钾进行固定，充分摇均后，测定溶解氧。
计算方法：
总生产量=白瓶溶解氧－黑瓶溶解氧
净生产量=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
注意事项：
1、测定宜在晴天进行，并采用上午挂瓶。
2、采水器使用时注意先夹住出水口橡皮管，再将两个半圆形上盖打开，让采水器沉入水中，底部入水口则自动打开。下沉深度应在系绳上有所标记，当沉入所需深度时，即上提系绳，上盖和下入水口自动关闭，提出水面后，不要碰及下底，以免水样泄漏。将出水口橡皮管深入容器，松开铁夹，水样即流入容器。
3、在有机质含量较高的湖泊、水库，可采用2～4h挂瓶一次，连续测定的方法，以免由于溶解氧过低而使净生产力可能出现负值。
4、在光合作用很强的情况下，会形成氧的过饱和，在瓶中产生大量的气泡，应将瓶略微倾斜，小心打开瓶塞加入固定剂，在盖上瓶盖充分摇均，使氧气固定下来。为防止产生氧气泡，也可将培养时间缩短为2～4h，这样需要使用太阳辐射分布图，把培养时间的光合作用速率数据调整到代表整个光照期的初级生产力。
5、测定时间应同时记录当天的水温、水深、透明度以及水草的分布情况。
6、尽可能同时测定水中主要营养盐，特别是无机磷和无机氮。
7、对于较大的湖泊和水库，因船只、风浪、气候等因素的影响，使用24h曝光试验，耗资耗力较大，可采用模拟现场法。模拟现场法的采样、布设曝光方法同现场法。仅布设曝光地点可选择在离水岸较近的水域进行。选择模拟现场法，主要为了保证交通、安全、实施方便，但要尽可能考虑模拟地点和现场法在水深、光照、温度等因素一致。
     （模拟题）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（m）
瓶中O2浓度变化（g/m3）
白瓶
黑瓶
1
+7
－2
2
+5
－2
3
+2
－2
4
0
－2
5
－2
－2
水底
－3
－3
则该池塘一昼夜产生氧气的量是(     )
A． 8 g/m3       B．14 g/m3     C．22 g/m3       D． 32 g/m3