重金属离子镉对高等植物叶绿体光系统Ⅱ的影响的研究

本文研究了重金属离子Cd++、Pb++、Cu++、Zn++对高等植物（菠菜）离体叶绿体两个光系统光合电子传递功能的影响，以Cd++为代表重点研究了它对光系统II（PSII）的影响，首重讨论了Cd++在PSII的作用部位及作用方式。 Cd++、Pb++、Cu++、Zn++对高等植物叶绿体光合电子传递具有抑制作用，其中对PSII电子传递的抑制作用更为显著。PSII制剂的放氧活性比叶绿体的放氧活性对Cd++的毒害作用更加敏感。不同浓度的Cd++处理后，叶绿体全电子链的电子传递活性比放氧活性的降低速率快。这暗示着PSII氧化侧不是Cd++唯一的作用部位，在PSII电子传递链上还存在一个对Cd~(++)敏感的部位。 Cd++使叶绿体和PSII制剂的DCIP光还原活性降低;可变光受到抑制。加入PSII人工电子供体DPC仅使被抑制的DCIP光还原活性稍有恢复;而加入NH2OH对被抑制的可变荧光无影响。因此我们认为Ca++除了作用于PSII氧化侧外，还直接作用于PSII反应中心。这与Bazzaz和Govindje等提出的Cd++仅作用于PSII氧化侧的观点不同。我们认为可能是Cd++改变了叶绿体或PSII制剂类囊体膜的构型或内环境，使较多的PSII反应中心不易被光活化或使其钝化的缘故。 低温（-196℃）荧光发射光谱表明，Cd++使叶绿体的F686/F736及 F696/F736比值降低。另外，Cd++还可使叶绿体和PSII制剂的低温（-196℃）荧光激发光谱的F480/F436比值下降，使叶绿体表观吸收光谱变平。 温和的SDS-PAGE分析表明，Cd++处理后，叶绿体类囊体膜与PSII制剂类囊体膜中色素蛋白复合物LHC-II的部分寡聚体解聚成单聚体，叶绿体中LHC-II总量减少。进一步用梯度胶分析叶绿体类囊体膜的多肽组成。发现Cd++使属于LHC-II的多肽减少。表明Cd++引起了LHC-II的重新分配或它本身的解离。通过比较Cd++与Mg++对PSII活性的不同影响，我们认为Cd++使激发能不利于向PSII分配，从而破坏了两个光系统的协调合作。这或许是导致PSII电子传递活性显著降低的因素之一。

光诱导淀粉质体向叶绿体转化过程中光合特性的研究

本工作以马铃薯（Solanum tuberorum L）块茎为材料，研究了光诱导的淀粉质体向叶绿体转化过程中光合功能的变化。主要结果如下： （1）通过不同转化时期质体叶绿素积累、色素成分变化、低温荧光发射光谱、光诱导荧光产率和PSI、PSII光化学活性的测定，证明马铃薯块茎淀粉质体在光下转化为叶绿体的过程是光合膜光合功能逐渐发育完善的过程。（在照片14天后光合机构及其光合功能趋于完善）。 （2）在照光一天后，开始出现叶绿素a和b。光诱导的时期（在头5天内）叶绿素a的形成速度较叶绿素b快。在光诱导的中期（第五天至十四天），叶绿素b的形成速度较叶绿素a快。在光诱导的第十四天以后，叶绿素a和叶绿素b的形成速度趋于稳定。 （3）照光三天时，出现PSI和PSII活性。不同光照时间对光合膜电子传递活性和低温荧光发射光谱的影响证明在发育早期PSI光化学反应活性较PSII增加得快，而PSII中心复合体的发育又早于PSII天线色素蛋白复合体的发育。 （4）在淀粉质体向叶绿体的转化过程中，其叶绿素积累和色素蛋白复合体的发育情况与大多数黄化质体转绿过程相似。但由淀粉质体发育而成的叶绿体无论在色素含量还是PSI、PSII光化学活性方面都远不如黄化质体转化成的叶绿体完善。本文对这些差异进行了讨论。

水分胁迫对光合作用影响的研究

1．水分胁迫降低了水稻叶片的光合速率。轻度及中度水分胁迫下，气孔的限制是光合速率下降的主要原因;而严重水分胁迫下，叶肉细胞光合能力的降低是光合速率下降的主要原因。叶肉细胞光 合能力的降低可能是由于光合量子效率、光合电子传递速率和光合磷酸化活力及羧化效率下降所致。 2．水分胁迫降低了小麦叶片的可变荧光产量、可变荧光淬灭速率、荧光上升互补面积，叶绿体的室温荧光产量、可变荧光产量以及DCMU作用下的小麦叶片及叶绿体的可变荧光产量，表明光系统Ⅱ受到了伤害。光系统Ⅱ氧化侧的人工电子供体(DPC) 能部分恢复受抑制的叶绿体可变荧光和光系统II的电子传递速率，说明水分胁迫对光系统Ⅱ的损伤不仅位于氧化侧，也可能在反应中心上。 3．水分胁迫抑制了激发能向PSII的传递;降低了Mg2+对叶绿体可变荧光及激发能在两个光系统间分配的调节能力。水分胁迫使PS II内外周天线色素蛋白复合体（CPa和LHCⅡ）和PSⅠ叶绿素a蛋白复合体(CPⅠ、CPⅠa和CPⅠb)含量下降，其中以LHCⅡ降低幅度最大。从类囊体膜多肽分析结果，发现25KD多肽随着水分胁迫的加剧其含量显著降低。 4．水分供应充分及轻度和中度水分胁迫下，高氮素营养对水稻光合作用有明显的促进作用;而严重水分胁迫则削弱了高氮营养对光合作用的促进作用，使高氮营养水稻叶片在严重水分胁迫下的光合速率反而比低氮营养叶片低，这可能与严重水分胁迫下，高氮叶片水势、气孔导度、光合羧化效率、光合量子产量及RuBP再生速率比低氮叶片有更大的下降有关。两种氮素营养水平下，轻度和中度水分胁迫均提高了叶片的水分利用效率;而严重水分胁迫则使叶片的水分利用效率降低，但始终是高氨营养水稻叶片的水分利用效率高于低氮叶片。

光系统II反应中心复合物组成性质与光仰制分子机理研究

由于光系统Ⅱ反应中心Dl/D2/Cyt b559色素蛋白复合物(PSII-RC)的红 区吸收光谱严重重叠，给其组成特性研究及光抑制分子机理研究造成 了困难，因此我们运用多种光谱分析技术配合计算机数据处理技术对 PSII-RC复合物的组成特性进行了研究，并用自己建立的方法对PSII-RC 的色素和多肽的化学计量进行了进一步确定，另外还重点研究了单线 态氧在PSII-RC光破坏中的作用，据此提出新的PSD[-RC光抑制分子机 理。主要结果如下： 1．用反相HPLC外标法测定我们制备的色谱纯PSR-RC样品的色素化 学计量结果为Chl:Pheo:Car= 6:2:2。我们发现，当PSII-RC中存在微量CP47 时，Chl: Pheo的比例与CP47的含量呈正相关关系，说明较高的Chl比例 可能表示样品中有CP47污染。结果还表明PSII-RC中Car: Pheo的比例也与 CP47含量有关，说明CP47可影响Car在PSII-RC上的结合，这暗示CP47可 能结合Car，或者CP47对PSII-RC上Car的结合位点有影响，这一推测对阐 明CP47的功能有一定启发作用。 2．建立了一种估算PSII-RC多肽化学计量的理论计算方法，即利用计 算机统计PSII-RC中各多肽组分的不同氨基酸残基数量，以确定不同多 肽化学计量时的理论氨基酸残基组成，并与PSlI-RC的实测氨基酸残基 组成进行比较，得到所用PSII-RC样品的多肽化学计量值为D1+D2:Cyt b559-o+邮：I=2:1:1. 3．对PSII-RC的红区吸收光谱进行了高斯解析，发现680 nm附近含有 峰高和半高宽明显不同的两个高斯组分，它们对光抑制处理的响应具 有明显差别，分别表现了P680和Pheo的特征。由此可知，在680nm处除了 有P680的信号外，PSII-RC中的Pheo在这个区域也有跃迁组分。这个结果 表明光抑制进程中PSII-RC红区吸收光谱信号的下降除了P680的破坏 外，还与Pheo的破坏有关。 4．用Ste)anov关系式分析了PSII-RC色素激发态分布的平衡状态，发现 经过暗适应的PSII-RC的激发态可达到充分的平衡，光抑制处理可导致 PSIL-RC激发态平衡受到破坏。 5．用荧光发射光谱观察到PSII-RC在光抑制进程中有弱光破坏和强光 破坏两个破坏过程，前者是与色素间能量传递的色素结合状态与 取向的破坏，后者与色素本身化学结构的破坏有关。通过研究不同激发波长下的发射光谱发现Car的弱光破坏过程比Chl快，暗示Car可能的保护作用，而Pheo的破坏程度比Chl小。从发射光谱组分的光破坏时间 进程推断强光破坏过程导致的色素破坏是多步反应，验证我们小组原 先报导的PSII-RC的多步反应特性。 6．首次将磁圆二色光谱( MCD)技术应用于PSII-RC研究，发现MCD明显表现出比吸收光谱要丰富得多的光谱精细结构，同时还具有较高的灵敏度和分辨率，不经过任何解析就可直接观察到680 nm组分及其它色素组分的变化，而且PSⅡ-RC中的Car没有明显MCD信号，使PSII-RC谱 图简化，便于进一步分析。用MCD技术还观察到光抑制初期Chl从PSII- RC复合物上脱离及Pheo的光破坏现象。 7．分别用HPLC法、吸收光谱高斯解析法、荧光发射光谱分析法和MCD法共四种方法证明了PSII-RC中Pheo的光破坏，充分证实我们小组关于Pheo光破坏的报导，同时还证明Pheo的光破坏是单线态氧作用的结果。 8．给出了单线态氧参与PSII-RC色素和蛋白光破坏的直接实验证 据，即发现光抑制过程中色素和蛋白的破坏受到单线态氧的特异性清除剂的保护，用化学方法在暗中产生的单线态氧同样造成与光抑制相 似的PSII-RC各组分的损伤，由此说明单线态氧是PSII-RC光抑制过程中 的直接破坏因子。 9．提出了PSII-RC中Hiis残基光破坏的一种新的分子机理。用组氨酸残基的特异性化学修饰剂证实以前我们实验室发现的PSI[-RC组氨酸残基的光破坏，根据比较蛋白变性前后的测定结果，初步证明PSIl-RC中 受光破坏的His残基位于P680附近。我们还观察到光抑制处理后，PSII- RC表现与组氨酸残基被修饰后的样品相似的紫外吸收特征，由此提出 PSII-RC中His残基光破坏的一种分子机理，即His残基的眯唑环上的两个氮原子与其它多肽上的游离氨基在单线态氧的作用下发生反应形成酰 胺键而导致PsII-RC多肽间的共价交联，推测PSII-RC中His残基的光破坏与其蛋白的光致交联和降解有直接的因果联系。

盐胁迫对光合作用的影响

盐害对植物光合作用的影响机理的研究目前还仅仅处于初步阶段，对于许多关键性问题远没有达成共识。本论文研究了盐胁迫对光合作用的影响途径和原初作用部位，对光合作用的各个分过程影响的先后关系，盐胁迫与光胁迫的协同作用，植物光合作用对盐胁迫的适应等基础理论问题，为盐胁迫下提高植物光合作用速率，改良植物种质提供了一定的理论依据。 1．采用荧光动力学的方法区分盐胁迫中的渗透因素和离子因素。用五种等渗Hogland培养液(分别含NaCl，KCl，NaN03，KN03和PEG)对冬小麦进行处理。结果，与对照相比，NaCl处理引起PSII受体侧电子库含量(CA／Fm)、PSII活性(Fv／Fo)、原初光能转化效率(Fv／Fm)、量子产量(Yield)与荧光光化学猝灭系数(qP)下降;QB-非还原性PSII反应中心含量增加。然而，等渗的PEG处理并不产生类似的伤害。这表明渗透因素不是盐胁迫对光合作用造成伤害的主要原因。鉴于NaCl和NaNO3处理却使QA含量、PSII活性、原初光能转化效率下降和QB-非还原性PSII反应中心的增加，KN03处理对光合作用不产生伤害;而等渗的PEG和KCl处理并不产生类似的伤害，这暗示Na+可能是盐胁迫影响光合作用的主要毒害离子。 2．用荧光动力学的方法研究了不同浓度的NaCl处理对PSII光能利用和耗散的影响。结果表明，与对照、100mmol/L和200mmol/L NaCl处理相比，经300mmol/L和400mmol/L NaCl处理的小麦，其荧光光化学猝灭效率明显降低，荧光非光化学猝灭效率较高，Fo猝灭系数较大，QB-非还原性PSII反应中心含量较大，然而，其荧光非光化学猝灭效率，QB-非还原性PSII反应中心含量和Fo猝灭系数潜在增高能力较弱。随着NaCl处理浓度的增加，PSII吸收过多的光能可能首先通过热耗散和状态转换逸散，而后阻断PSII从QA到QB的电子传递，最后损伤PSII反应中心。 3．研究了轻度(200mmol/L)和重度(400mmol/L)NaCl胁迫对光抑制和光恢复进程的影响。结果表明：1)轻度盐胁迫对光合放氧和碳同化速率的影响相对较小，而重度盐胁迫大大降低了光合放氧和碳同化速率，同时明显降低光合放氧和碳同化的光饱和点。2)碳同化是盐胁迫对光合作用造成伤害的敏感位点。3)轻度盐胁迫对PSII的光抑制进程影响较小;而重度盐胁迫则促进光抑制的产生，同时抑制PSII的修复过程，从而使得PSII受到光抑制的伤害更大。 4 为探讨盐胁迫下植物减轻或避免光抑制的机制，研究了盐胁迫对光能在PSI和PSII之间的分配的影响。结果表明，盐胁迫提高了Chla/Chlb比值和单位鲜重叶片中Chla的含量，降低了单位鲜重叶片Chlb的含量;提高了PSI的电子传递速度，能量储存;同时降低了PSII的电子传递和能量储存。这表明盐胁迫提高了光能在PSI的分配分额和PSI的含量，降低PSII对光能的吸收和利用，这对于植物在盐胁迫下减轻或避免光抑制对PSII的破坏有重要意义。

光系统II原初过程的微观反应动力学研究

本论文在国内首次利用飞秒吸收光谱技术对PSII颗粒和PSII 核心复合物两个不同层次的PSII样品的原初反应过程进行了研 究。实验采用 400nm 激发， 520～700nm探测，时间分辨率为 120fs。通过多指数拟合和全局分析，对不同波长下的多条衰减 曲线同时采用一套时间组分进行解析，得到了不同波长下的各个 组分的衰减相关差异吸收谱(DADS)。 在 PSII 颗粒的研究中，通过对所有衰减曲线进行数据拟合，解析出了0.16ps、2.8ps、8.6ps、20.9ps、38.8ps和一个非衰减的组分。分析它们各自在520nm～700nm范围内的不同吸收变 化特点，我们得到以下结论： 1．在LHCII中，同一单体同一层中的Chlb与Chla分子之间 的能量传递时间常数约为0.16ps左右; 2．LHCII同一单体中，同一层中的Chla分子之间的能量传递时间常数约为 2.8ps 左右。这与在纯化的 LHCII研究中认为的一3ps组分为不同层的 Chlb→Chla的能量传递过程不同; 3．在PSII颗粒中，8.6ps 组分是与光化学过程有关的时间常数，它可能是从 LHCII 色素蛋白复合物向反应中心等的能量传递及在反应中心中的原初电荷分离过程的平均时间常数; 4．LHCII中不同单体之间的Chla之间的能量传递时间常数约为20.9ps。 在PSII核心复合物的研究中，通过对所有衰减曲线进行数据拟合，解析出了0.35ps、2.9ps、11.2ps、20.lps、36.5ps和一个非衰减的组分。分析它们各自在520nm～700nm范围内的不同吸收变化特点，并与PSII颗粒复合物所得结果相比较，我们得出以下结论： 1．PSII内周天线中相邻 Chla 之间的能量传递时间常数约为 0.35ps左右，这比LHCII中相邻Chlb与Chla之间的能量传递时间常数( 0.16ps )要长;这说明内、外周天线色素蛋白复合物 具有不同的色素空间排列。可以预见在PSII核心天线中相邻叶绿素分子之间的距离要比 LHCII中相邻叶绿素分子的8.3—10.5A 的距离要大一些。这在以前的研究中，并没有见到报导; 2．PSII内周天线中不相邻的Chla之间的能量传递时间常数 约为11.2ps; 3．在PSII核心复合物研究中，2.9ps 和 20.lps 两个组分均与光化学反应过程有关，推测原初电荷分离过程可能是有辅助叶绿 素分子参与的两步反应。

光系统Ⅱ核心天线复合物CP43和CP47的分离纯化及其光谱学特性的研究

应用改进DEAE-Toyopearl 650S阴离子交换柱层析从高等植物菠菜(Spinacia oleracea)中分离纯化了核心天线复合物CP43和CP47。并对它们的纯度和完整性色素种类和含量，以及色素分子的结合状态进行了研究并对色素分子间的能量传递机制进行了讨论。结果如下： 1、HPLC检测结果表明：纯化的CP43和CP47均只含Chla和β-Car两种色素分子，并且，平均每分子CP43多肽含19-20分子Chla和4-5分子β-Car;而平均每分CP47则含20-21分子Chla和3-4分子β-Car。 2、以436nm和480nm激发光激发样品得到的CP43和CP47的低温荧光发射光谱的最大荧光发射峰分别位于683nm和693nm。进一步发现，CP43和CP47，在相同条件下分别以436nm和480nm激发光激发样品得到的低温荧光发射光谱经归一化后几乎完全重叠，而且400-500nm波长范围内的激发光扫描得到的三维低温荧光发射光谱沿激发轴具有较好的对应关系，表明纯化的CP43和CP47都具有较高的完整性。 3、纯化的CP43和CP47的吸收光谱的红区最大吸收峰分别位于671nm和674nm。该光区的导数光谱均分辨出偏蓝区和偏红区两个子峰，CP43的这两个子峰分别位于669nm和682nm;而CP47的两个子峰则分别位于669nm和680nm。进一步用包含这两个子峰的高斯解析参数对红区最大吸收峰进行拟合，结果证明，拟合的曲线与实测曲线几乎完全吻合，这表明，CP43和CP47均至少包含两种不同状态的Chla分子。 3．1应用不同的变性温度处理CP43，发现随变性温度的不断提高，其红区最大吸收峰的峰值逐渐减小，四阶导数光谱分辨出的两个子峰同时减小，但差光谱显示：随处理温度的不断提高，这两个组分峰值的变化并不同步进行，较低温度范围内(55℃以下)682nm吸收峰下降明显，而较高温度范围内(55℃以上)，669nm吸收峰下降明显。 同时，随处理温度不断提高CP43脱辅基蛋白的结构也在不断发生变化，其变化过程明显表现出两个跃变阶段。这两个跃变阶段分别出现在40～50℃范围内和55～60℃范围内，恰与吸收光谱两个组分峰变化的转变过程相一致。这证明，CP43中分别位于669nm和682nm的不同的色谱组分即代表两种不同结合态的Chla分子，分别简称为“CP43-669”和“CP43-682”。它们在色素蛋白复合物中所处的环境不同，因而对蛋白质结构的依赖性不同，前者更高地依赖于蛋白复合物的整体构象，而后者则主要依赖于蛋白质的二级结构。 3.2 经不同的变性温度处理的CP47，其红区最大吸收峰的峰位逐渐蓝移，而吸收峰值无明显的变化，只有当处理温度提高到65℃以后，蓝移后的吸收峰值(669nm)才开始明显减小;四阶导数光谱表现为680nm吸收峰的信号逐渐下降669nm的吸收信号逐渐明显;处理减对照差光谱只观察到680nm吸收值的逐渐减少，而几乎观察不到669nm吸收值的变化。同时，随变性温度的不断提高，CP47的脱辅基蛋白的结构也发生相应的变化与CP43不同，蛋白结构变化最大的温度范围为60℃～65℃之间，但同CP47的峰位蓝移、导数光谱中680nm信号的减小，以及差光谱中680nm吸收值的减小相一致。由此认为，同CP43一样，CP47的吸收光谱中分辨出的分别位于669nm和680nm处的两个不同光谱组分亦分别代表两种不同结合状态的Chla分子，分别简称为“CP47-669”和“CP47-680”，与CP43中的相应组分对应，它们处于不同的蛋白环境中，从而对蛋白质结构变化的依赖性不同。 3.3 CP43和CP47的CD光谱表现出明显的正负双峰，表明色素分子间存在较强的激子相互作用。随变性温度的不断提高，正负CD双峰的信号逐渐减弱，变化过程与脱辅基蛋白结构的变化以及CP43-682的变化相一致，表明色素分子间的激子相互作用更高依赖于CP43-682和CP47-680。并认为CP43-682和CP47-680可能以二聚体或多聚体的形式存在，并且二聚体或多聚体的形成依赖于蛋白天然构象。而CP43-669和CP47-669则以单体的形式位于蛋白结构中相对伸展的区域。并提出：在CP43-682以CP47-680分子之间，激发能主要以激子偶合机制进行而在CP43-669，CP47-669分子间及CP43-669至CP43-682间，CP47-669至CP47-680之间激发能则主要以Foster机制进行。 4、以488nm激发光得到的CP43和CP47的共振拉曼光谱都具有全反式构型类胡萝卜素分子的四个典型特征峰由此认为CP43和CP47中的β-Car分子亦具有全反式构型;与溶于丙酮抽体物中的β-Car分子相比较，CP43和CP47中的β-Car分子的共振拉曼光谱中具有较强的960cm~(-1)的拉曼峰，表明，CP43和CP47中的β-Car分子具有扭曲的构象。 应用经归一化后的吸收光谱与荧光激发光谱相比较的办法发现CP43和CP47中存在β-Car分子和Chla分子间的能量传递其能量传递效率分别为29.8～29.9%和52.3～56.9%。这表明，在正常条件下，CP47中β-Car分子和Chla分子间的能量传递效率远大于CP43。此外，当选用蛋白结构变化最明显的热变性温度处理样品后，发现，不论CP43还是CP47中β-Car与Chla分子间的能量传递效率大大降低，表明，这两种色素分子间的能量传递严格依赖于蛋白复合物的天然构象，并认为，正常条件下，CP43和CP47内β-Car与Chla分子间的空间距离较近，可能不大于10A，CP43和CP47相比较，CP47内这两种色素分子间的距离更近。并进一步提出，在CP43和CP47中，β-Car到Chla分子间的能量传递最大可能以Dexter的电子交换机制进行。

发菜类囊体膜的组成及其光合特性的研究

发菜（Nostoc flagelliforme Born. et Flah.）的细胞壁由纤维素、半纤维素、糖脂和蛋白质组成。未经破碎的细胞难以进行各种光合特性的研究。由于纯度较高的发菜类囊体膜制备比较困难，对它的光合机理的研究一直是停留在整体水平上进行。我们采用French Press低温下高压破碎细胞，建立了一种快速简便的制备方法。在提取液中加入一定浓度的Ca2+ （Ca2+既有助于维持类囊体膜的放氧活性又可以使类囊体膜在较低的离心速度下使类囊体膜得到凝集沉淀），从而在较短时间内、在高速离心的情况下得到了纯度较高并具有较高放氧活性的发菜类囊体膜。在此基础上，我们采用改进的Allen（1991）的温和绿胶系统，首次对陆生蓝藻发菜类囊体膜色素蛋白复合体进行了分离，共分离出了11条绿色的色素蛋白复合物条带和两条浅黄色的条带。7条绿色的色素蛋白复合物条带属于PSI组分，4条绿色的蛋白复合物条带属于PSII组分，其中一条浅黄色条带系未被报道过的新的色素蛋白复合物条带，经其光谱性质的分析初步鉴定为类胡萝卜素蛋白复合物，此复合物的分离有助于解释发菜独特的适应荒漠、半荒漠地带高光辐射的特性。 本文还对干燥状态、复水30分钟后和复水生长24小时后的野生发菜及人工培养的发菜藻丝体膜脂及其脂肪酸组成进行了分析。发菜的膜脂由MGDG、MGDG、SQDG和PG组成，其酯酰基部位连接有16:0、16:1、18:0、18:1、18:2和18:3六种脂肪酸。野生发菜中具有高含量的不饱和脂肪酸，其含量可达总脂的73%，其中16:1和18:3分别达到28.9mol%和34.3mol%，远远高于已报道的其它蓝藻，所以我们推测发菜具有极强的抗逆性和其膜脂不饱和程度密切相关。分析不同处理的发菜的膜脂和脂肪酸组成表明，复水对野生发菜的膜脂及其脂肪酸组成没有显著影响，说明发菜的膜脂和脂肪酸组成在干燥状态下能保持很高的稳定性。从野生发菜分离出的藻丝体在25 ℃条件下培养，其膜脂脂肪酸组成发生了显著变化，主要表现为脂肪酸的不饱和程度的大幅度降低，18:3从34.9mol%降低到8.6mol%，16:1从28.9mol%降低到13.9mol%。上述结果表明了发菜具有极强的通过改变其膜脂的脂肪酸组成而适应生存环境的能力。

不同基因型小麦（Triticum aestivum）京411与小偃54抗光氧化特性及其机理的比较研究

对两种不同基因型小麦京411（北京地区高产小麦品种）和小偃54（在生产上已应用二十年的优良品种）幼苗及旗叶光抑制特性进行了比较研究，着重探讨了它们抗光氧化的差异及其机理，主要结果如下： 1. 强光条件下，同京411相比小偃54能保持较高的光合色素含量和放氧速率。其DCPIP光还原活性也较高。 2. 光谱特性分析表明，强光胁迫下小偃54在红区及蓝区的特征性吸收峰及F683荧光发射峰下降的幅度明显小于京411相应峰位的下降。 3. 色素蛋白复合物分析表明，强光条件下，京411色素蛋白复合物中LHCII聚合体大量的解聚，而小偃54在强光条件下仍能保持较高比例的LHCII聚合体。这可能在一定的程度上有利于小偃54在强光下维持较强的激发能耗散的能力。 4. 多肽SDS-PAGE分析表明，强光对不同基因型小麦中同PSII光抑制敏感性有关的两个外周蛋白23kD和17kD的影响不同。光抑制明显地降低了京411的23kD和17kD的含量，而对于小偃54中这两个外周蛋白23kD和17kD的影响不大。强光条件下小偃54旗叶PSII颗粒中捕光色素蛋白27kD含量提高，而京411捕光色素蛋白27kD含量明显的下降。 5. 上述结果表明，西北地区的优良小麦品种小偃54同北京地区的高产品种京411相比更耐强光的胁迫，其抗光氧化的能力较强。 6. 进一步分析表明，同京411相比，小偃54抗光氧化的主要原因是其不仅含有较大的叶黄素循环的色素库，而且在强光下能维持高的VDE酶活性及高水平的叶黄素循环的脱环化水平。 7. 叶黄素循环色素在两个小麦品种类囊体膜色素蛋白复合体中的分布存在差异，抗光氧化的小偃54大部分的VAZ分布在PSII上，其中绝大部分集中在LHCII聚合体上。LHCII上VAZ的集中分布可能有利于在强光下对过多光能的耗散，减少过多激发能对PSII的损伤。 8. 类囊体膜流动性分析表明，叶黄素循环参与了对类囊体膜流动性的调整，对维持强光下抗光氧化品种小偃54的类囊体膜相对稳定起重要作用。 9. 依赖于叶黄素循环的热耗散是抗光氧化品种小偃54的一个主要的光保护途径。

生命体能量代谢过程中的电子传递与光合作用中电子传递反应的化学模拟的ESR研究

本文采用电子自旋共振ESR方法，结合运用自旋捕捉技术（Spin Trapping-ESR）和时间分辨手段(TRESR)，针对某些与生命能量代谢体系电子传递及其化学模拟反应的研究相关的几个重要问题(包括高等植物光系统II颗粒内超氧阴离子自由基(O2-)的产生机制、光合作用模型体系电子传递和跨膜电子传递反应动力学、传统中药有效成分提取物抗氧化分子机理与构效关系），从分子设计、实验方法、分子结构理论、反应机理与动力学分析等几个角度进行了较为系统的探索性研究，并获得以下几点新颖的研究成果： 1．光系统II颗粒内光抑制过程中O2-生成的分子机制 (1)．首先，发展了新Spin Trapping-ESR技术，研制一系列性能优良的新型磷酰基取代的吡咯啉类活性氧自旋捕捉剂，并通过对比研究其捕捉性能，证明磷酰基取代的吡咯啉类捕捉剂比常用的DMPO捕捉剂的捕捉能力强、速度快，自由基加合物稳定性高，适合于光系统II体系中活性氧的研究。 (2)．在PSII颗粒的光抑制过程中成功地检测到了O2-，并探讨了影响O2-产生的诸多因素。包括氧分子的浓度、1O2增强剂与淬灭剂、pH值效应、电子传递链阻断剂的影响。首次提出了O2-生成的分子机制：PSII颗粒中产生的O2-是光系统II中反应中心产生的1O2与次级电子受体QA形成的质子化半醌自由基反应的产物。此外，设计了一套化学模拟体系，进一步证明了02-的生成的分子机制。 2. 中国传统性中药的酚类提取物抗氧化剂的抗氧化分子机理与构效关系研究 用理论计算与实验结合的手段，研究了酚类抗氧化剂与02的反应。探讨了酚类抗氧化物的分子结构与其抗氧化活性的构效关系，为评价抗氧化剂的抗氧化能力提供了一定的依据。 3．有关光合作用模型体系电子传递和跨膜电子传递反应动力学的探索性基础研究 (1)．对原有的电子自旋共振谱仪进行改造，自行设计并研制一套时间分辨ESR装置，时间分辨率达到准微秒级。 (2)．利用时间分辨ESR装置，对C60及其环加成衍生物分子间和分子内光诱导电子转移反应的自由基复合过程动力学进行了研究，从分子结构角度分析了影响电荷分离态稳定性的因素。 (3)．初步探讨了TPP／DODAC与HA／DODAC两种单层囊泡间的光诱导电子转移反应，获得了长寿命的电荷分离态，为光合作用模拟提供有价值的模型。 (4)．通过对比研究mes-卟啉Ⅱ／苯醌／CH。OH的化学诱导动态核自旋态极化( CIDNP)和ESR波谱，提出一个激发态苯醌与质子给体间的光诱导氢转移自由基反应新机理。

磷脂对光系统II光合放氧的影响及其作用机理的研究

以类囊体膜中唯一的阴离子型磷脂一磷脂酰甘油(PG)为研究对象，应用放氧测定和富立叶红外光谱等实验方法和技术手段，对PG与光系统II (PSII)之间的相互作用进行了研究。 研究表明，PG对PSII的放氧活性产生显著影响，具有明显的浓度效应。在低浓度(2～22 mg PG／mg Chl)时对PSII的放氧活性有明显的促进作用，而在高浓度(24～40 mg PG／mg Chl)下则表现出显著的抑制作用。 PG对PSII放氧活性的影响与其引起蛋白结构的改变密切相关。结果显示，PG的作用导致PSII颗粒中蛋白质二级结构的改变，主要表现为α-螺旋、β-折叠的增加和无规卷曲的减少。 不仅如此，红外光谱的分析还表明，PG还使蛋白酪氨酸残基中的酚基构象及其周围的微极性发生改变，即在红外光谱的1620—1500 cm-1，之间芳香环骨架的伸缩振动带向高频方向变化，其吸收强度也相应增加;在3500～3100 cm. -1间出现新的氢键吸收峰。 PG除能促进PSII的放氧活性以外，还对PSII表现出新的作用，即PG可以使PSII颗粒因缺钙而受抑制的放氧活性得到恢复;外加Ca2+可使PG表现出对缺钙PSII颗粒(dc。PSII)放氧活性的更大促进作用，且随Ca2+浓度的增加，促进作用也越显著。 PG的作用也使dc。PSII蛋白的结构发生了改变，导致蛋白二级结构中a-螺旋、p_折叠结构的增加和转角、无规卷曲成分的减少，即可使PSII颗粒因缺钙而改变的蛋白结构基本得到恢复。PG还能与Ca2+形成离子对似的配合物，而这种配合物的形成可以优化缺钙PSII颗粒的功能如放氧活性等。

大豆（Glycine max (L)Merr.）叶片和非叶器官光合特性探讨

本论文由三部分组成，一、大豆高产品种黑农40与低产品种黑农37不同发育时期叶片光合功能的比较研究。二、大豆非叶器官豆荚的光合特性。三、不同大豆品种叶片和非叶器官光合特性的比较分析。 一、 黑农40和黑农37不同发育时期叶片的光合特性。 以不同产量水平的东北大豆黑农40和对照品种黑农37为试验材料，研究了从幼苗期到衰老期五个不同发育时期叶片光合作用特性的变化。尤其是比较系统地研究了C4途径的表达，并通过相关分析，发现C4途径酶的活性与大豆的光合效率及其产量密切相关。主要研究结果如下： 1．测定不同发育时期大豆叶片净光合速率、DCIP光还原活力和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPcase)活力，结果表明，黑农40和黑农37叶片净光合速率均在初荚期达到最高值，而且不同发育时期的黑农40叶片光合能力均强于黑农37。 2．随着大豆叶片的发育和衰老，其叶绿素、类胡萝卜素的含量及Chla/b比值有一个逐渐升高，而后降低的过程。在同一发育时期，高产高光效品种黑农40光合色素含量均高于黑农37，有助于黑农40捕获更多的光能供光合作用所利用。 3．叶绿体吸收光谱及四阶导数光谱表明在整个生育期内以初荚期叶片对光能的吸收能力最强;而每一个发育时期黑农40叶片对光能吸收的能力均比黑农37高。荧光动力学参数表明，高产大豆黑农40叶片PSII活性(Fv/Fo)，光化学猝灭系数(qP)及PSII总的光化学量子产量也均高于对照品种黑农37的相应值：而黑农40的非光化学猝灭系数(qN)低于黑农37。说明高产大豆叶片具有与产量潜力相关的较高光能吸收和原初转化能力。通过对叶片及其叶绿体低温(77K)荧光发射光谱特性的分析表明，黑农40叶绿体对两个光系统之间激发能的调节能力优于黑农37。总之，黑农40对光能的吸收、传递和转化能力高于黑农37，从而能为碳同化提供更多能量。 4．通过研究苗期、开花期、初荚期、鼓粒期和衰老期等发育阶段的黑农40和黑农37叶片中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)、NADP-苹果酸脱氢酶(NADP-MDH)、NADP-苹果酸酶(NADP-ME)、丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)等C4途径的关键酶的活性变化，结合同位素14CO2喂饲试验，证明两种大豆叶片均含有C4途径四种关键酶，其原初产物含有有限的有机酸，说明有C4循环存在;而从PEPCase/RuBPcase的比值看，C4途径的酶在黑农40叶片中表达较高。通过相关分析，我们发现Pn与PSII光化学活性，RuBPCase及C4酶活性密切相关。这些结果还暗示有可能通过检测C4途径酶的表达水平及比例，筛选出具有高产潜力的大豆种质。 二、大豆非叶器官豆荚的光合特性。 通过对大豆非叶器官豆荚光合特性的研究，结果表明大豆豆荚的光合能力在鼓粒期达到最高值。通过叶绿体吸收光谱、荧光动力学和低温荧光等测定技术，我们发现鼓粒期的豆荚对光能的吸收、传递和转化有更高的能力;在鼓粒期不同品种的豆荚色素的含量也较高，从而有利于捕获更多的光能，供光合作用利用。DCIP光还原活力的测定结果表明鼓粒期豆荚也具有较高光合能力。 通过对大豆的初荚期、鼓粒期和衰老期豆荚RuBPCase和四种C4途径酶活性的研究，不仅证明非叶器官中有高活性的C4途径酶和存在有限的C4途径，而且鼓粒期豆荚有较高的碳同化效率。 三、不同大豆叶片和非叶器官光合特性的比较分析。 对三种大豆叶片、豆荚、种皮和子叶的色素含量和Chla/b进行测定，利用光谱技术、荧光技术及RuBPCase活性的测定，分析了大豆不同器官的光合特性。试验结果证明，非叶器官具有与叶器官相似的光合性能。与叶片比较，表明在非叶器官中具有非常高的C4酶活性。有利于补偿叶片开始衰老光合作用衰退的不足，因此非叶器官的这些光合特性有助于增加大豆光合产物的积累。

光系统Ⅱ反应中心细胞色素b559结构和功能的研究

植物已经演化出多种保护其免受强光抑制和破坏的机制，从而使植物体在自然界能够应付复杂多变的光照环境。虽然人们早就确定Cyt b-559存在于PSII反应中心内，但目前对其性质与功能的认识还不充分。本工作的目的就是研究Cyt b-559天然分子特性，探讨其生理功能和存在的意义。取得了一些有新意的结果： 1、依据PSII反应中心分离纯化的原理，应用更有效的层析介质DEAE-Sephacel，我们设计了快速高效的从菠菜和水稻中分离纯化Cyt b-559的方法和流程，获得了高纯度的样品。它们在非变性胶电泳中具有相同的泳动性。蛋白组分的HPLC结果证明，纯化的Cyt b-559的确由两个亚基组成，α亚基和β亚基的分子量用我们设计的适合于分析小蛋白的Tricine—SDS—PAGE方法准确测定为9.4kDa和4.5kDa。 2、利用HPLC技术分析了纯化的Cyt b-559样品的色素组成，结果表明Cytb-559中含有Chl α而不含类胡萝卜素分子，这一结果通过吸收光谱和共振拉曼光谱的分析得到进一步地证明。通过等电聚焦方法分析了Cyt b-559的等电点，发现其亚基的等电点相差很大，全蛋白的等电点与...更多D1、D2蛋白的等电点也不相同，推测在体内生理pH条件下它们具有相反带电性而在PSII组装中发挥作用。 3、低温荧光光谱的检测结果表明，Cyt b-559的荧光发射峰位在563nm和666nm;首次证明Cyt b-559可以发出荧光和将电子传递给结合在其上的辅助叶绿素，但传递能力比较低故而导致其荧光特性与PSII反应中心的不相同。Cytb-559的紫外荧光光谱表明Trp残基位于其内部的疏水区域，证明Cyt b-559中的芳香族氨基酸可能在其功能的发挥中起一定作用。 4、通过MCD的分析，发现Cyt b-559中血红素的MCD信号在540—580nm和400—440nm波段，而且光谱形状和强度与PSII反应中心的相一致，说明PSII反应中心该范围内的MCD信号中有Cyt b-559的贡献。FTIR光谱的测定结果证明Cyt b-559血红素的配体是组氨酸，其二级结构中α-螺旋占了一半。此外，还比较了Cyt b-559和PSII反应中心的膜脂成分，发现两者有很大的相似性。不同植物来源的Cyt b-559在许多性质上都表现出高度一致，从一个侧面证明Cyt b-559在进化中的保守性。 5、PSll反应中心发生光破坏时，原初电子供体P680己受到严重破坏。我们发现，在光抑制的最初一段时间内，Cyt b-559吸收峰值发生变化：在受体侧光抑制的条件下，其吸收峰值先略有增加而后才下降，而在供体侧光抑制条件下则相反，说明 Cyt b-559对光抑制的发生非常敏感，可能在光抑制早期保护PSll反应中心。 6、纯化的Cyt b-559的组氨酸含量在照光前后没有显著的变化，说明 PSll反应中心内被破坏的组氨酸不属于Cyt b-559。PSll反应中心所含的组氨酸中有些可被DEPC修饰，但我们的实验结果表明DEPC不能修饰Cyt b-559的组氨酸。这可能有利于Cyt b-559保护功能的发挥。 7、我们观察到，在两种光抑制条件下，LP Cyt b-559光还原和 HP Cyt b-559光氧化具有对pH值的依赖性，说明Cyt b-559在光保护中的作用不仅与其高低电势态有关，而且与其质子化程度有联系。CCCP促进HP Cyt -559释放质子，从而维持循环电子传递。DCBQ和 DCMU在很低浓度时都抑制 Cyt b-559光还原，前者不影响Cyt b-559光氧化而后者在CCCP存在时也会抑制Cyt b-559光氧化。 8、Cyt b-559有定位PSll反应中心其它蛋白的锚蛋白的作用。黄化苗转绿实验证明在 HP Cyt b-559的含量增加超过 45％以后放氧活性开始逐渐增加。Cytb－559从低电势态到高电势态的转变是放氧复合物组装到PSll反应中心的关键步骤之一。在植物正常生长时，Cyt b-559与 P680的其它电于供体发生竟争，起到安全阀门的作用。 9、在逆境条件下，Cyt b-559具有保护PSll反应中心免受强光破坏而起到“分于开关”的作用。我们的实验表明，在室温条件下存在通过Cyt b-559的环式电子流，存在从氧化态LP Cyt b-559到还原态HP Cyt b-559的一个循环，其中的氧化还原变化与质子化／去质子化反应相连。通过与其它血红素蛋白的比较，我们推测 Cyt b-559“分子开关”的关键是：光抑制情况下，铁原子与远端His之间的疏水空穴被氧自由基占据后使得铁进入叶琳中央孔中，迫使近端HIS向叶琳平面位移，从而引起 Cyt b-559构象改变，使电势态发生转变。

莲（Nelumbo nucifera Gaertn.）胚芽的光合特性及其暗萌发过程中的光合系统建成

被子植物成熟的种子一般不合有叶绿素，但是莲（Nelumbo nucifera Gaertn.）的胚芽却具有鲜明的绿色，本文较详细地研究了莲胚芽不同于一般被子植物叶组织的色素和光台系统组成，并通过对莲胚芽成熟发育过程中的叶绿素合成和光合系统发育进行分析，探讨了莲胚芽光合特性形成的原因，最后对莲胚芽在黑暗中萌发能发育并建成光合系统的现象进行了研究，主要的结果如下： 1，莲胚芽不仅含有叶绿素和光合系统，而且其色素和光台系统组成均与莲叶以及其它被子植物的叶组织不同。莲胚芽的Chla/b值约为0.8左右，远远低于正常高等植物的Chla/b值(～3)：莲胚芽的色素组成中不含有β-胡萝卜素;莲胚芽的光合系统没有电子传递活性，快速荧光动力学测定结果表明莲胚芽只有较高的固定荧光F。没有可变荧光Fv;原位低温荧光光谱检测表明莲胚芽只在679nm处有一个荧光发射主峰，没有正常的PSII和PSI荧光发射峰(683nm、692nm和730nm);部分变性的叶绿素蛋白复合物凝胶电泳分析结果表明莲胚芽叶绿体类囊体膜上只存在LHCII 一种叶绿素蛋白复合物（其中单体和二聚体形式的LHCII均有发现）;Western Blots检测结果表明莲胚芽的LHCII组成比较单一，同时确证了莲胚芽不含有PSI的核心和天线蛋白组分。莲胚芽LHCII和莲叶LHCII在SDS-PAGE图谱上迁移距离相同，但是光谱分析表明二者不仅在Chla、Chlb的相对含量上不同，而且在叶绿素分子与蛋白的结合状态上也存在差异，这些差异主要是由一部分Chla分子造成的，Chlb分子在二者中的结合状态则比较～致。 2，对莲胚芽成熟过程中的光合系统发育进行研究，结果表明这个过程可以分为建成期（0-20天）、稳定期（20-30天）和降解期（30—40天）三个阶段。在建成期和稳定期内，莲胚芽外面的包被物可能不是完全遮光的，所以莲胚芽能感受到环境光信号，其叶绿素合成已经光合系统建成集中在此阶段内进行：在莲’胚芽成熟后期，莲胚芽外面的包被组织开始木质化，光信号无法再穿透它们，莲胚芽的光合系统发育进入降解期，叶绿素合成停止，己建成的光合系统开始降解，到莲胚芽成熟时，除LHCIl外，光合系统其余的叶绿素蛋白复合物都被降解了，所以莲胚芽具有不同于一般祓子植物叶组织的色素和光合系统组成。对莲胚芽的成熟发育过程进行遮光处理，结果发现遮光发育的莲胚芽发生明显黄化，这表明莲胚芽的叶绿素合成也离不开光照，在莲总基因组中检测不到编码DPOR的三个基因的同源序列，确证了莲胚芽不具有在黑暗中合成叶绿素的能力。 3，在黑暗中萌发生长的莲胚芽能够在相当长的时间内保持其叶绿素稳定，特别是Chla的含量在暗生长10天以内基本没有变化;原位低温荧光光谱检测表明暗萌发过程中莲苗有PSII和PSI的荧光发射峰形成，暗生长10天左右的莲苗具有比较明显的光合系统荧光发射峰，但是与自然光照下的发育过程相比，暗萌发莲苗的光合系统荧光发射峰出现较慢，而且PSI的荧光发射相对较弱;暗萌发莲苗在转绿以及冻融过程中的原位低温荧光光谱变化表明莲苗在黑暗中建成的光合系统不完善并且不稳定;对莲胚芽、暗萌发莲苗以及莲叶的叶绿体吸收光谱进行比较，结果显示暗萌发莲苗的叶绿体发育阶段介于莲胚芽和莲叶之间;叶绿素蛋白复合物凝胶电泳分离，SDS-PAGE，Western Blots免疫检测、以及叶绿素荧光诱导动力学结果均确证暗萌发莲苗有光合系统的发育，特别是PSI的出现;对暗萌发莲苗的光化学活性进行分析，结果表明暗中建成的PSII和PSI均具有电子传递活性：但是放氧复合物的发育不完全，对莲胚芽暗萌发过程光合系统建成的原因进行分析，推测叶绿素可能起了至关重要的作用，光对于莲胚芽萌发过程中的光合系统发育来说可能并不是必需的。

新型光系统II电子传递抑制剂的抑制特性及作用位点的研究

本文由两部分组成，一部分是关于一组新型除草剂(K-15，K-23)的抑制特性及作用位点的研究;另一部分是关于碳酸氢盐对细胞色素b-559高电势的保护作用的研究。 在第一部分，我们首先研究了抑制剂K-23对Psn放氧活性、DCIP光还原和可变荧光等光合特性的影响。研究发现，K-23在低浓度时刺激放氧活性，而在相对高浓度时抑制放氧活性。但是，K-23在低浓度时却有效地抑制了可变荧光。这些数据表明了新型抑制剂的抑制反应是基于氧化还原作用而不是猝灭作用。此外，通过采用胰蛋白酶消化类囊体膜的方式初步检测了新型抑制剂的作用部位，其结果表明：虽然新型抑制剂抑制受体侧电子传递，但它的抑制部位与DCMU不同。 其次，研究了新型抑制剂对光系统II色素蛋白复合体与多肽组分的影响及抑制剂的键合蛋白。应用SDS-PAGE技术，发现新型抑制剂主要作用于光系统II的反应中心蛋白。用温和的Deriphat-PAGE分析也证实了新型抑制剂作用于核心复合物，导致核心复合物二聚体消失。 进一步用SDS-PAGE分析新型抑制剂对Psn多肽组分的影响，发现新型抑制剂主要影响D．、D2、CP43和CP47。用荧光发射的方法确定了K-15键合在D2蛋白上。 最后，结合荧光动力学和HPLC方法，分别从定性和定量的角度，以核心复合物以及抑制剂存在下从BBY中分离的核心复合物为研究对象，详细研究了抑制剂对QA的取代作用。研究发现，在无去垢剂或低浓度去垢剂存在情况下，由于不能创造出适合于QA存在的疏水环境，我们没有得到QA被K-15取代的实验证据。而在抑制剂K-15存在下，用2.2% HTG从BBY分离的核心复合物的实验中，检测不到正的可变荧光Fv，而是得到了降低的FM，这个结果表明QA已被抑制剂在它的作用位点处所取代。 在第二部分，研究了pH5.0—7.0范围内碳酸氢盐对Cyt b-559氧化还原状态转变的影响。首先研究了pH5.0～7.0条件下碳酸氢盐对PSII Cyt b-559还原减氧化差异吸收光谱的影响，发现铁氰化钾还原的PSII Cyt b-559 HP的含量随介质pH值的降低而减少。然而，碳酸氢盐的加入阻止了由于介质pH降低而引起的Cyt b-559由高电势向低电势的转化。比如，当样品温育在pH5.0的介质中，铁氰化钾还原的Cyt b-559 HP含量占总量的25%-30%，当介质中加入2mmol/L碳酸氢盐后Cyt b-559 HP的含量上升，占总量的50%-56%。碳酸氢盐效应对氢醌还原的Cyt b-559HP含量的影响尤为显著。pH6.5时碳酸氢盐对Cyt b-559的还原氧化状态的影响不显著。其次，分别研究了PSII经Tris处理去除锰簇和三个外周蛋白及NH20H处理去除锰簇和17 kDa和23 kDa后，碳酸氢盐对Cytb一559 HP影响的pH依赖值，发现不论在pH5.0还是pH6.5的介质中碳酸氢盐效应都不存在。 综合以上实验结果，我们认为碳酸氢盐对酸化引起的Cyt b-559氧化还原状态的影响与它和锰的作用有关，但也不能排除钙离子与碳酸氢盐之间的协同作用。