长期驯化环境下丁香属植物的光合生理生态学研究

本研究是在丁香属植物半个世纪的丰富引种基础上，采用光合生理的实验手段探讨该属重要物种长期驯化中的环境响应机制。 在迁地条件下，与广布种华北紫丁香相比， 濒危种羽叶丁香有较低的光需求，在中等光强下净光合速率显著低于广布种;气孔限制值较大，对光合作用的调节较弱;蒸腾作用亦较弱，导致中午叶温较高造成叶片伤害。功能叶片的净光合速率在8:00光强及气温较低时已达峰值，叶片生长历时短暂并于初夏前结束，长此以往可能影响光合产物积累。可见羽叶丁香以“逃避”的方式适应迁入地生长季节环境胁迫。 为了探究羽叶丁香在引种地“逃避”策略的环境驱动因子，我们分别选取种植在园内全光照曝晒和60% 遮荫、生物量差异极为显著，而其它条件相同的羽叶丁香开展实验。尽管曝晒单株比遮荫单株有着显著低下的生物量，但最大量子效率及叶绿素a/b的结果都表明曝晒并未对其PSⅡ及LHCⅡ造成损伤。遮荫单株也已经由高叶绿素含量表现出对低光环境的适应。可见，其光适应机制已经存在，而引种地生长季节的高温可能是羽叶丁香生长中要回避的主要因子。 为了进一步证实这个推断，并希望了解羽叶丁香在原产地的环境响应状况和致濒的生理原因，我们在其原产地贺兰山对该种进行了调查和试验。调查发现在贺兰山羽叶丁香分布在海拔1700m、西北坡向、近谷底处。由于坡度较缓，晴朗天气光照时数达8h，叶片厚重，净光合速率极显著地高于引种地;最大量子效率表明中午的强光并未带来严重光抑制，且小幅度的光抑制在次日清晨可完全恢复，并且有较高的实际量子效率。故在原产地强光仍旧不是其生长的限制因子;其极高的光合速率及高效的实际量子效率是对冷凉强光条件的特殊适应，说明羽叶丁香具有喜冷凉不惧光的固有特点，而冷凉条件于高温炎热的引种地不能得到满足时，便放弃了对光的要求而在遮荫的生境中适应下来。因此引种地的高温应该是其要“逃避”的重要因子。同时表明较强的光合能力及强光的适应特征不会使羽叶丁香在原产地成为濒危物种。 为了搞清羽叶丁香的濒危原因，我们将原产地野外分布状况连同两地水分利用效率棕合分析发现：在水分保证适当的北京植物园栽培条件下，即使是曝晒的植株也有着较高的水分利用效率，而原产地的羽叶丁香低下的水分利用效率表明其生存和分布对水分条件极为敏感。因此，羽叶丁香是良好水分条件的“享受者”，而不是干旱条件的“耐受者”，而这对于生长在干旱半干旱地区的物种来说在一定程度上限制了其散布的可能性，以致数量极为有限。 “全能” 的华北紫丁香恰是丁香属系统演化中较为进化的种，而“低能” 的羽叶丁香又恰是居于顶生花序系（原始）与欧丁香系（进化）之间的重要过渡种。在对丁香属起源及散布进行推断的基础上，这些已经得到的结果促使我们从区系和演化的层面去了解演化系在长期迁地驯化的光合生理差异。结果发现演化过渡种羽叶丁香的光合指征也多处于中间位置;顶生花序系（原始）种类光合效能相对较低，较强的水分平衡的保持能力可能成为它们能在跨气候带引种中成活的解释。欧丁香系（进化）种类气孔导度对光梯度反应敏感，但较强的蒸腾降低了其水分利用效率，在引种地干旱高温的生长季会因水分不能及时供给而可能在年周期尺度上直接影响生物量。小乔木型的种类可能由于较高的水分利用效率而不畏干旱，形成了拟女真亚组从西北到东北继而向日本的广泛分布。 驯化的现实意义之一是应用。丁香的盐碱耐受性是区域栽培中面对的问题。我们模拟氯化物硫酸盐型盐碱土（NaCl - MgSO4）与光照梯度交互的试验结果表明紫丁香系品种曝晒栽植能耐受0.2% 的土壤盐度，如果在相同盐度生境中遮荫种植会有更高的盐分耐受表现。 对迁地物种环境适应性的研究论证着眼点从“种” 的水平归结到“系”的层次，从对特殊代表物种当今适应机制的量化比较联系到其起源和散布的历史发展，在一定程度上超越了常规引种驯化对现存实体“种” 的定性描述;将迁地驯化与就地适应相联系，以较为科学的思路贯穿驯化保护研究，并最终将研究结果回归于驯化保护实践。

玉米品种更替中光合效率与产量提高的生理生态机制

本文以我国不同年代推出的玉米品种为试验材料，深入研究玉米品种更替中产量提高和光合效率改良的演变特征及生理机制，以及环境胁迫影响各年代玉米品种光合效率及产量的生理机制，在此基础上分析光合改良与产量提高的关系。 对各年代玉米品种花后光合效率的变化及其与产量形成的关系的研究发现：虽然新品种的光合速率在开花前并不比老品种高，但是它们能够迅速扩大叶面积，形成较多的籽粒，为接下来的生长准备了比较大的源和库。花后茎秆的功能由‘库’转为了‘源’，即能够从茎秆中转移一些同化物到籽粒中。而且新品种能够在花后维持较高的光合速率，衰老较慢，光合有效期较长，这样就能够为籽粒灌浆提供较多的新同化产物。因此新品种具有很强的调节光合器官功能和优化分配同化产物的能力，能够使各部位叶片的光合生产，植株的生长和发育以及干物质的分配与再分配都有利于籽粒产量的形成。新品种在花后能够维持较高的光合活性主要是因为它们能够在老品种叶片可逆性衰老的时候维持较高的叶绿素含量和可溶性蛋白质含量，从而未像老品种那样进入不可逆转的衰老阶段。对各年代玉米品种光合特性日变化的研究也发现新品种的光化学效率比较高。老品种光合作用的午间降低是由严重的光抑制引起的。 对于N素缺乏和水分胁迫对各年代玉米品种产量及光合效率的影响机制的研究发现新品种一方面能够在胁迫条件下维持较高的光合速率，另一方面仍能维持较长的光合有效期。即新品种能够在胁迫条件下维持较高的光合生产能力，从而能够形成较大的生物产量和籽粒产量。新品种在缺N情况下能够保持较高的光合活性是因为它们能够维持较高的PEPCase活性、叶绿素含量和可溶性蛋白质含量，也就是说新品种能够在缺N情况下维持叶绿体结构组分的完整性和功能性，从而维持较高的光合效率。而玉米新品种在水分胁迫时能够保持较高的光合活性是因为它们能够在水分胁迫时维持较高的叶片水势，使光合器官的功能得到良好的保护，复水时光合也能够比较迅速和完全的恢复。

植物叶片生长过程中光合活性、光保护机制及光系统Ⅱ热稳定性的研究

叶片在成长进程中光饱和光合速率持续提高，尽管幼叶光呼吸的测定值较低，但幼叶光呼吸与总光合之比较高。叶片在成长初期就具有较高的最大光化学效率，但是仍略低于发育成熟的叶片。随着叶片的成长，光下叶片光系统II实际效率增加，而非光化学猝灭下降。幼叶叶黄素总量与叶绿素之比较高，随着叶而积的增加该比值下降;光下，幼叶脱环氧化程度较高。同时，我们也观察到叶片生长初期活性氧清除酶系的活性较高。叶片生长过程中提高的光破坏防御机制与叶片相对含水量呈现很好的负相关，而不是叶片水势。因此，推测叶片生长过程中光破坏防御机制的建立可能与叶片膨压有关。 自然状态下，不同展开程度的叶片均未发生明显的光抑制;但将所柏‘叶片平展并暴露在强光下时幼叶发生明显的光抑制，伴随叶丽积的增加光抑制程度减轻。自然条件下测量叶片角度，观察到在叶片展开过程中叶柄夹角逐渐增加：日动态过程中幼叶的悬挂角随光强增加而明显减小，而完全展丌叶的悬挂角变化幅度很小。叶片角度的变化使实际照射到幼叶叶表的光强减少。推测较强的光ll乎吸、依赖叶黄素循环的热耗散、活性氧清除酶系以及较大的叶角变化可能是自然状态下幼叶未发生严重光抑制和光破坏的原因。 与成熟叶片相比，高温严重地伤害新生叶片光系统IT的结构，并导致最大光化学效率和光系统II活性下降。高温对光系统II的伤害包括供体测和受体测;而进一步的研究和分析表明高温很可能影响放氧复合物活性，从而改变光系统II的结构并最终导致受体测电子传递受阻。叶片生长和光合机构的健全使得光系统II热稳定性逐步增强，因此推测叶片生长过程中光系统II热稳定性的增强可能主要与其放氧复合物结构和功能的完善有关。

羊草叶片光合参数对不同水分变化的响应机理与模拟林祥磊

由温室气体的大量排放引起的全球环境变化不仅导致了温度的升高和降水格局的变化，亦引起了干旱等极端气候事件的频繁发生。研究羊草光合参数对水分胁迫及复水的响应，可以增进全球变化对植物光合作用和陆地生态系统影响的理解，揭示羊草光合参数对水分胁迫及复水的响应机理，为发展植物光合参数对水热变化的响应模型提供参数与依据。基于温室模拟试验和野外观测实验，采用Li-6400R便携式光合作用系统（Li-cor, Lincoln, NE, USA）测定了羊草（Leymus chinensis）叶片A/Ci曲线(净光合速率A和胞间CO2浓度Ci的关系曲线)，获取了羊草叶片的光合参数Vcmax（Rubisco的最大羧化速率）、Jmax（最大光合电子传递速率）和TPU（磷酸丙糖利用率），分析研究了羊草叶片光合参数Vcmax（Rubisco的最大羧化速率）、Jmax（最大光合电子传递速率）和TPU（磷酸丙糖利用率）对干旱与复水的响应机理。结果表明，无论是模拟实验还是野外观测均显示羊草叶片的光合参数随着土壤水分的增加呈抛物线曲线变化，但各光合参数最大值对土壤水分的响应不同。温室模拟下的羊草光合参数Vcmax，Jmax和TPU在土壤含水量分别在15.56%，15.89%和16.23%时达到最大，而野外观测羊草的光合参数Vcmax，Jmax和TPU在土壤含水量分别为16.89%，17%和16.79%时达到最大。复水后羊草植株叶片光合参数的变化取决于前期干旱的影响，土壤含水量18%～19%和15%～16%处理的羊草复水后光合参数能够恢复正常，前者甚至超过正常水平，说明适宜的水分胁迫在复水后能够提高羊草叶片的光合能力，促进光合作用;土壤含水量10%～12%和7%～9%处理下的羊草复水后光合参数则不能恢复到正常水平。土壤含水量15%～16%可能是羊草光合能力在水分胁迫后能否恢复的阈值。

玉米杂交种及其亲本光合特性的研究

本文包括三个部分。第—部分研究了玉米杂交种及其亲本的光合特性;第二部分研究了环境因子对玉米杂交种及其亲本光合特性的影响;第三部分研究了一种玉米白化叶片突变体(zb／zb)的光合特性。通过对类囊体膜的叶绿素组成、吸收光谱，光系统Ⅱ活性、原初光能转化效率、激发能在两个光系统间的分．配、光还原活力、叶绿素蛋白复合体的组分及多肽分析，对杂种—代和两个亲本自交系在上述条件下的光合特性进行行了比较和分析。主要结果如下： 一、整体叶片叶绿素荧光动力学参数证实，与两亲本相比，玉米杂交种叶绿体类囊体膜 的PSⅡ还原侧有较大的PQ电荷库(CA／Fo)，可以加快两个光系统间的非循环电子传递速率，有利于光合膜的能态化（△Fv／Fo和△Fv／T)，调节有效的光合磷酸化。同时，杂交种具有较大的光合单位（T1/2)。这些都有利于光能吸收和提高光能转化效率及光合作用速率。整体叶片光合强度的测定结果支持了上述分析。 二、叶绿体光合特性分析数据表明玉米杂交种和亲本在光能吸收、荧光诱导瞬变、电子传递和激发能分配等方面的数量差异;这些结果支持了整体叶片相应的测试结果。由此推断，杂交种和亲本在光合活性方面的差异，可能发生在代谢调节或酶调控水平上。玉米杂交种类囊体膜的光合特性的遗传方式很可能主要受核基因控制。产生杂种优势的主要原因是两亲本互补。在本试验中，生物量杂种优势达118.4％ 三、环境因子对玉米杂交种和亲本类囊体膜光合特性的影响主要表现在五个方面。 1. C02浓度升高可提高叶绿素含量;盐分胁迫和低温胁迫减少叶绿素含量。 2. PSⅡ原初电子受体Q的氧化还原状态对环境因子敏感。C02浓度升高促进了Q的重新氧化，盐分胁迫和低温胁迫则影响其重新氧化。 3. 环境因子对激发能在叶绿体两个光系统间分配的影响各不相同。C02浓度升高，有利于激发能向PSⅠ的分配。低温胁迫和盐分胁迫，使母本叶绿体中的激发能分配明显受阻而杂交种和父本的影响较小。 4. 捕光叶绿素a／b蛋白复合体对环境因子比较敏感。C02浓度升高可增加其含量，胁迫因子使其含量减少。 5. 玉米杂交种在光合特性方面对环境因子的适应性通常表现为超双亲。对不同环境因子的反应方式，多数是偏向父本。这表明玉米光合作用对环境的适应性主要是受核基因遗传控制，具有明显的杂种优势，因而杂交种对环境变化有较强的调节能力。 四、玉米白化叶片突变体(zb／zb)的叶绿体膜仅处在发育的初级阶段。zb／zb突变体的叶绿体膜几乎没有基粒结构。间质片层膜也比较希疏。叶绿素蛋白复合物含量明显少于正常发育的叶绿体。对光能的吸收仅相当于正常叶绿体的43%,光系统I的活力相当于正常的l／5，原初光能转化效率为正常的1／3，低温荧光发射强度也明显低于正常叶绿体。这些说明，玉米zb／zb突变体中膜的组分合成或质体片层的组装过程受到阻碍。这种发育不完善的膜缺乏叶绿素a／b蛋白复合物，缺乏基粒，但光系统I发育较完善，其电子传递链发育较缓慢，因而光系统Ⅱ活力和原初光能转化效率等明显低于对照。因此，具有这种膜结构的突变体光合生产力明显降低。

Relation of nutrition and salinity to growth in black mollies

Optimum growth, impaired growth and mortality hi black molly are studied in diluted sea water, sea water and also by introducing laboratory prepared diets. Rapid acclimation in conjunction with enhanced growth capacity was attained at 2‰ concentration of common salt in water, and 2‰ and 5‰ dilutions of sea water. 22‰ protein content in the diet was found to be adequate for growth and fertility of fishes acclimated at a salinity of 2‰. Higher protein content and other nutritive elements were necessary for fishes acclimated at 5‰ and 14‰. Fertility was increased in sea-water dilutions rather than in common salt-water dilutions.

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。

光合放氧结构与机理的理论探索

光合放氧研究近十年来已有重要进展，但在该领域仍有很多重要问题待研究。本论文工作主要是对光系统氧化侧与光合放氧密切相关的组分的结构和性能进行理论和模拟研究，工作可概括如下： (一)、放氧中心结构和性能的探索。 1、对放氧中心Mn202单元与配体组氨酸、H2O和Cl等结合方式的理论研究显示：(a)、组氨酸和H20分子均可能与Mn202平面垂直，彼此保持较大的距离，且结合在不同的Mn离子上;(b)、2个H2O分子可能结合在不同Mn202单元上。 2、对Mn簇核心骨架的理论研究显示有必要引入新的Ca、Cl结合方式，以防止因两个Mn202单元线性化而导致2个H2O分子结合位点远离。 (二)、次级电子给体Tyr_z和Tyr_D的结构与功能。 对次级电子给体Tyr_z和Tyr_D进行精确量子化学研究显示：(a)、在中性条件下，Tyr_D和Tyr_z均只与组氨酸通过氢键作用;(b)、当失去电子后，结构发生明显变化，导致正电荷主要集中在组氨酸上，自由基主要集中在Tyr上;(c)、第三组分(H_20分子或羧基等)的引入使中性体系不容易给出电子;(d)、结合最新文献报导，推测Tyr_D~+和Tyr_z~+除与组氨酸作用外还可能分别与水和羧基作用。 (三)、原初电子给体的理论和模拟研究。 1、对紫细菌原初电子给体P_(870)的理论研究显示：(a)、双分子结构比单分子结构稳定;(b)、电荷分离之后，原初电子给体原有的空间结构不再是稳定的构型，它会向能量和化学活性均更低的构型转变。在光合细菌的原初电子给体P870中，这种转变可通过C3位的乙酰基旋转使其氧原子与另一个细菌叶绿素分子的镁原子相互作用使P870+•的总能量和化学活性明显降低。推测这种构型转变对于防止原初反应过程中的电荷重组、维持光能的高效转化有重要意义。提出了原初反应过程中结构动态变化的新观点，利用这一观点可对光合细菌原初反应动力学研究所观测到的慢过程及蛋白质微环境对原初电子给体和原初反应都有重要影响等实验现象给予较好的解释。 2、对光系统II原初电子给体P680的结构进行理论探讨，提出了两个叶绿素a分子平面间夹角为50.0±2.5°时能量最低的夹角模型。 3、采用N-甲基咪唑(C4H6N2)模拟生物体内的组氨酸，通过观测CCL4中的Chla与C4H6N2反应的吸收、CD和MCD光谱得到以下结论：(a)、在纯CCL4中，每个Chla处于5配位状态，Chla形成不对称的双聚体，彼此之间存在较强的偶合作用。提出两个Chla通过不等价的2个Mg-O配位键(O分别来自于C131位的酮基和C17位酯基的C=O)连接为紧密双体结构;(b)、当C4H6N2／Chla = 0.5和1时，其吸收、CD和MCD光谱均发生明显变化，两个Chla之间的偶合作用明显减弱，但此时仍为双聚体。推测C4H6N2首先取代原紧密双体结构中Mg-O酯键，进而取代Mg-O酮键，最后两个Chla分子通过两个Mg…O弱相互作用连接为松弛的双体结构，该模型与理论获得的P_(680)的结构相似。 在上述研究的基础上，提出了包括放氧中心外围配体和TyrZ在内的放氧中心结构新模型。在新结构模型中，2个H2O分子不对称地结合于“C”形结构开口端两个低价的Mn1II和Mn4III上，并保持较大距离;两个组氨酸的咪唑环通过N原子与两个高价的Mn2IV、Mn3IV结合;Cl结合于MB4TM，并与Ca相连;Ca通过O桥和COO-相连使两个Mn202单元保持特定空间构型。TyrZ通过组氨酸(D1-His190)与Mn簇作用。此外，新模型尝试着在O桥上引入质子。放氧中心结构及其邻近环境(包括TyrZ和TyrD)整体处于中性状态。 同时还提出了新的放氧机理，认为电子和质子的释放非同步进行，并首次明确提出两个水分子的不对称氧化和结构动态变化等观点。认为Ca在维持放氧中心的结构方面担负重要作用，C1与Mn离子之间的亲核作用变化是放氧中心结构变化的关键。

不同年代推出的冬小麦(Triticun aestivum L)品种农艺性状以及光合生理生态特性

本文探讨了五十年来北京地区广泛推广的17个冬小麦(Triticun aestivum L)品种在品种改良的过程中农艺性状和某些光合特性的变化趋势。从中选出形态、产量和推出年代差异最大的3个冬小麦品种：京冬8号、农大139和燕大1817，种植在相同的环境条件下，进一步研究与冬小麦产量提高有关的生理生态特性，以及它们的气体交换特性对于外界环境变化的响应。本试验于1999-2001年在北京农林科学院试验农场（39o09’N, 116o04’E）进行。结果如下： 1. 在冬小麦品种改良的过程中，小麦品种的经济产量、收获指数、千粒重提高，而生物产量、株高、单株穗数、单株籽粒产量和穗长降低。籽粒产量与株高、穗数极显著负相关，与穗粒重、收获指数、千粒重极显著正相关。株高与穗长、单株籽粒产量、穗数显著正相关，而与收获指数和千粒重极显著负相关。收获指数与穗数极显著负相关，而与千粒重极显著正相关。说明株高降低、收获指数提高和千粒重的提高对于冬小麦品种改良过程中产量的提高起重要作用。 2. 随品种推出年代的延迟，各品种苗期-拔节期的净光合速率（PN）、 气孔导度（gs）、蒸腾速率（ E）、量子产率（Fv/Fm）均呈增加的趋势，水分利用率（WUE）呈降低的趋势。在孕穗期-蜡熟期，旗叶的PN也随品种推出年代而呈增大的趋势，而在成熟期呈减小的趋势。gs在孕穗期-灌浆期增大，在蜡熟期和成熟期减小;各个时期的E均呈递增趋势;而WUE呈降低趋势。旗叶的Fv/Fm在孕穗期和开花期呈递增的趋势，而在成熟期下降。在苗期至孕穗期，PN、 E均与产量显著正相关;在拔节始期和孕穗期gs与产量显著正相关（R=0.616, 0.499, P<0.05），在苗期-拔节期、开花期和成熟期，WUE与历史产量和试验产量显著负相关（P<0.05, 或P<0.001），在苗期和拔节期Fv/Fm与产量正相关（P<0.05）。在冬小麦品种的改良过程中，其光合作用的改良不仅表现在净光合速率上，而且还表现在荧光动力学参数Fv/Fm上， 即PSII的原初光能转化效率有所提高。 3. 孕穗期至灌浆期，高产品种京冬8号旗叶的PN、gs、E、叶绿素含量和水分含量均最高，而水分利用率（WUE）较低，且具有较高的光呼吸和较低的暗呼吸，其旗叶的叶比重也较高。京冬8号（上世纪90年代推出）叶片气体交换的日变化表现为：在拔节期，全天的净光合速率均最高，而后随生育进程差异变小，通常上午较高，而在中午和下午较低。其旗叶Fv/Fm的变化趋势与净光合速率相似。燕大1817（上世纪40年代推出）的光合作用的午休现象较不明显，且在下午恢复较快，说明它可能具有一定的抗光抑制能力。孕穗至灌浆期是冬小麦籽粒形成和充实的关键时期，此时，叶片光合产物充足与否直接影响千粒重。进一步研究它们“源库”关系的结果表明，京冬8号“源库”关系协调，能够充分发挥“源“和“库”的潜力，且具有最高的收获指数、穗粒重和千粒重，而其它两个品种燕大1817和农大139都存在提高其品种产量潜力的限制因素。因此我们认为，高产品种的高产不仅因为其叶片具有较高的光合速率和较低的暗呼吸消耗，而且有较大的“库”容量和收获指数。 4. 当CO2浓度从360增加到720 µmol.mol-1时，单位叶面积的净光合速率和叶片的水分利用率 随CO2浓度升高而升高。但不同品种差异很大，京冬8号PN 和WUE最高，增加最多，分别提高了173 %和81 %;其次为农大139（上世纪70年代推出），燕大1817增加最少，分别提高了76 %和65 %。E随CO2 浓度的增加而提高;农大139和燕大1817的gs随CO2浓度的增大而减小，而京冬8号则增大。京冬8号和农大139旗叶胞间CO2浓度（Ci） 随CO2 浓度的增加而增大，而燕大1817 的Ci先增大，而后又急剧降低，且京冬8号的Ci最低，燕大1817 最高。在高CO2浓度下，京冬8号的光合速率显著高于其它两个品种，而Ci却低于其它两个品种，说明京冬8号的光合潜力高于其它两个品种。灌浆期高产品种京冬8号旗叶在田间不同自然光强下，净光合速率都是最高的（差异最大时，比燕大1817提高24.8 %）。因此，冬小麦光合作用的潜力，也在一定程度上得到改良。

水稻抗旱性与光合特征的资源评价及其根系抗旱生理基础的研究

为了挖掘和利用野生资源抗旱和高光效的有益基因性状，本研究针对野生种的抗旱生理性状、光合作用和抗旱关系进行了测定，同时利用野生稻和栽培稻远缘杂交获得不同光合特点的后代材料进行了胁迫反应试验，并以栽培稻（陆稻和水稻）为材料研究了抗旱反应中根系的激素信号变化。旨在明确水分胁迫条件下，水稻不同野生种对干旱反应的差异及其机理，以及进一步鉴定有效的抗旱指标，为今后育种和生产实践提供理论依据和指导。主要结果如下： 1．通过对具有不同抗旱性状的四个野生种O.Granulata、O.Alta、O,Officinalis、O.Latifolia水分胁迫处理的抗旱相关生理性状的变化特点的研究表明：(1)在胁迫早期，野生种间黎明前叶片水势没有明显的差别，随着胁迫加剧，种间差异显示明显。耐旱性弱的野生种（O.Granulata、O.Latifolia）黎明前叶片水势和中午水势下降幅度大于耐旱性强的野生种( O.Alta、O.Officinalis)。这表明在一定的干旱处理程度下，黎明前叶片水势和中午水势可以反映出不同种间植株忍受干旱胁迫的能力。(2)四个野生种的植株在轻微胁迫时，膜稳定性呈现出增强的趋势，这可能与干旱胁迫的适应性相关。随着胁迫时间的延长，胁迫程度的加重，叶片膜稳定性破坏，植株叶片渗漏率增加。(3)在胁迫条件下，不同野生种表现出茎杆中糖分增加，叶片的光合酶和光合速率下降，且抗旱性弱的品种这种变化比抗旱性强的品种更加明显。这可能是由于干旱处理降低了同化物的运转和淀粉合成，导致了糖分积累。(4)在水分胁迫条件下，植株中的ABA浓度增加而IAA浓度下降，其中ABA的浓度增加与种间的抗旱性相关。抗旱性差(O.Granulata、O.Latifolia)的野生种叶片ABA浓度增加幅度高于抗旱性强的野生种（O.Alta、O.Officinalis）。Officinalis和Alta在水分胁迫下，仍比Granulata 和Latifolia具有较高的分蘖，这可能与其在胁迫下具有较高GA3浓度有关。 2．通过对20个野生种叶片膜电解质泄漏率的比较，研究其叶片细胞膜稳定性的特点表明，46℃的温度，水浴时间24小时是较适宜的条件。在适宜的处理条件下，Longistaminata、Punctata渗漏率较低，表明其具有良好的膜稳定性：O. Officinalis、O.Glumaepatula、O.Glaberrima，O.Latifolia、Meridionalis、Rufipogon (105697)、100889、Nivara (80683)、Sativa( IR-36)电解质泄漏率居中在60-80%;O.Alta、Rampur6、Azucena、Rufipogon (105599)、Bartlic、Rufipogon(104640)、105429、Minuta (101099)、HP4的渗漏值均较高，表明其膜稳定性较差，尤其是Minuta。此外，叶片光合速率和叶片膜稳定性的关系并不完全一致，在育种时应选择光合速率较高而叶片膜稳定性好的品种，O.Longistaminata因其具有较高的光合速率和较好的膜稳定性，是一个值得关注的材料。 3．研究了栽培稻（Oryza sativa）和普通野生稻（Oryza rufipogon）的杂种后代F3，即：Azucena×Rampur6杂交得到的Fi植株(25007-10)，通过自交得到其F3代植株，在水分胁迫下不同光合速率类型植株以及相关的抗旱生理特点。结果表明， (1)光合速率高的株系黎明前叶片水势下降较大，而中午叶片水势下降却较小：光合速率低的株系黎明前叶片水势下降幅度较小，而中午叶片水势下降幅度却较大，这表明水分胁迫下，植株中午叶片水势与植株的光合速率密切相关。(2)在轻微水分胁迫下（缓慢干旱0-40天），所有株系经受抗旱锻炼的植株，其叶片渗漏率均下降，膜稳定性增强;随着胁迫时间延长（胁迫后40-80天）其叶片泄漏值上升，这可能是由于：水分胁迫下通过植株的渗透调节能力，使得叶片中累积的有机溶质增加：且干旱胁迫使得叶片的质膜破坏，电解质外渗，相对电导率提高。 (3)水分胁迫下，从不同光合速率类型的植株，其光合速率的变化看：高光合速率类型的植株，在水分胁迫下光合速率的下降幅度，要大于光合速率较低类型的植株。在水分胁迫下，SHPl-2株系后代比SHPl-1株系具有较强的抗旱性，能维持较高的光合速率。 (4)在水分胁迫下，不同光合速率的株系，其气孔阻抗均增加：低光合速率的株系，气孔阻抗上升幅度大于高光合速率类型的株系，并且其气孔阻抗上升的时间要早于高光合速率的株系。 4．研究了两个陆稻品种Azucena、IRAT104和两个水稻品种IR64、Salumpikit，在干旱胁迫下根系木质部汁液中内源激素的变化。(1)干旱复水后不同时间进程中，各品种木质部汁液内源激素的变化看，IRAT104和Salumpikit木质部汁液中ABA含量迅速降低，其下降幅度较大。说明ABA作为胁迫信号，通过木质部汁液传递干旱信息;在干旱胁迫解除后，ABA的浓度亦发生相应的变化。(2)在对根系施加不同压力后，测定其木质部汁液内源激素变化，结果表明：在不同的根系压力下，不同品种间（IR64、Salumpikit、IRAT104和Azucena） 木质部汁液中GA3含量变化较大，其中两个陆稻品种IRAT104和Azucena均较高，两个水稻品种IR64和Salumpikit均较低。这表明，在不同的压力下，陆稻品种（Azucena和IRAT104）比水稻品种（IR64和Salumpikit）具有较高的GA3含量;在胁迫条件下，维持较高的GA3含量，这有利于其维持正常的生长发育。(3)在干旱胁迫及复水过程中，根据木质部汁液中ABA和GA3含量变化的结果表明，虽然Azucena和IRAT104均属于陆稻品种，但二者的抗旱性不同。(4)水稻品种木质部汁液的pH值高于陆稻品种。木质部汁液中pH在干旱胁迫下升高，复水后又降低，其可作为干旱胁迫的一个信号，它与木质部汁液中ABA联合调节植株对干旱的生理生化反应。 上述结果表明，叶片水势与水分胁迫密切相关，可作为植株抗旱性的鉴定指标;抗旱性强的品种，叶片水势下降幅度小，有利于维持较高的水势，保证植株生长发育的需要。严重干旱使得所有品种的质膜稳定性降低，电解质外渗，相对电导率提高;抗旱性强的品种的质膜伤害程度小，电导率上升幅度小，表明其质膜稳定性好，对干旱的忍耐能力强。质膜稳定性的变化实际上反映了品种的耐旱性，所以是一种综合而又比较准确的抗旱鉴定指标。对于酶和激素的测定方法，由于操作比较烦琐，且数据分析和产量比较复杂等原因，不太适合于常规的大田选育工作中。水稻的抗旱性是多种生理生化变化综合作用的结果，因此进行水稻抗旱性鉴定时，不能使用单一的生理生化指标，而应对多个指标进行综合分析，依据综合值对水稻品种的抗旱性进行评价较为科学。

硫代硫酸钠及葡萄糖对蓝细菌Synechocystis sP.PCC6803脂及光合器组成的影响

本文通过对蓝细菌Synechocystis sp. PCC 6803在添加葡萄糖、Na2S203的BG-11培养基中的生长特性、脂类及脂肪酸组成、细胞低温荧光、色素组成进行分析测定，总结出如下规律： 当蓝细菌Synechocystis sp. PCC 6803在添加有葡萄糖的BG-11培养基中培养时细胞出现了一种新的糖脂（记为糖脂-x），在添加果糖、麦芽糖、乳糖等其它碳源的培养基中生长的细胞中也检测到糖脂-x糖脂-x的出现经推测是与活性氧相作用的产物，当在含糖的培养基中加入活性氧猝灭剂Na2S203时能有效地抑制糖脂-x的出现。糖脂一x的出现伴随着其它脂、尤其是双半乳糖甘油二酯(DGDG)的含量下降，这可能与细胞营养代谢类型的转变相适应。糖脂-x的出现使细胞适应异养生长条件，这时藻胆体(PBS)，光系统II(PSII)，光系统I(PSD降解，叶绿素消失。 糖脂-x经1H-NMR波谱术检测证实为甘油糖脂，经气质联谱分析其脂肪酸组成中含大量的枝链脂肪酸，12-甲基十四碳酸、12-甲基十五碳酸、12-甲基十六碳酸以及两种稀有的含氮脂肪酸。这些脂肪酸在添加高浓度葡萄糖的培养基中生长的．Synechocystis sp. PCC 6803中的单半乳糖甘油二酯(MGDG)也能检测到。ESI-MS以及P-SI-MS测定结果表明糖脂．x含一分子的脂酰基侧链以及两分子的己糖，半乳糖与葡萄糖。 对．Synechocystis sp. PCC 6803生长在不同浓度的葡萄糖与Na2S203培养基中脂类组成与脂肪酸组成进行比较，发现Na2S203能有效地增加膜脂中硫代异鼠李糖二酰基甘油(SQDG)和磷脂酰甘油(PG)的百分含量，培养基中同时添加葡萄糖时能抵消Na2S203的这一效应。此外，Na2S203能显著增加单半乳糖甘油二酯(MGDG)、双半乳糖甘油二酯(DGDG)中十六碳酸(C16:0)的百分含量，这一效应也能为葡萄糖恢复。Na2S203不能显著地改变SQDG中C16:0的百分含量，加入葡萄糖时能降低C16:0的百分含量。这些结果说明Na2S203可能充当一种还原剂使膜脂处于一种低的不饱和状态，同时加入葡萄糖时能降低Na2S203的还原力。此外，Na2S203还可作为SQDG合成中的硫供体。 用HPLC测定．Synechocystis sp. PCC 6803在添加不同浓度的Na2S203，葡萄糖的BG-11培养基中生长时的叶绿素与类胡萝卜素浓度，结果表明葡萄糖表现出对叶绿素与类胡萝卜素水平的抑制效应，Na2S203在低浓度时表现出对叶绿素与类胡萝卜素水平的促进效应，但在高浓度时表现出抑制效应。因此适当浓度的Na2S203的加入有利于维持蓝细菌在培养基中添加葡萄糖的生长条件下的低水平自由基，能使葡萄糖表现出促进细胞生长的特性。 通过测定Synechocystis sp. PCC 6803生长曲线中葡萄糖、Na2S203的浓度效应，结果表明葡萄糖在低浓度（例如5 mmoI.L-l）时表现出促进细胞的生长，在相对高的浓度表现出抑制细胞生长的效应。在培养基中同时加入Na2S203时可恢复葡萄糖对细胞的生长的促进效应。单独加入Na2S203表现出对细胞生长的抑制效应。这说明葡萄糖、Na2S203对细胞的生长存在着正的协同效应。

海洋小球藻Chlorella sp.甘油脂及脂肪酸、光合色素特征的研究

海洋微藻是海洋生态系统中最主要的初级生产者，也是海洋生物资源的重要来源。许多海洋微藻富含对人体具有重要的生理作用与保健功能的长链多不饱和脂肪酸，因此，筛选富含EPA、DHA等长链多不饱和脂肪酸的微藻和利用人工培养方法提高这些脂肪酸的产量是当前海洋生物学研究领域的热点之一。在本研究中，我们对被中科院海洋所定名为“Chlorella sp”（编号为1061）的一种海洋微藻的化学分类、甘油脂及其脂肪酸组成和外源葡萄糖和抗氧化剂（硫代硫酸钠）对这种微藻的脂肪酸含量的影响进行了研究，取得了以下主要结果。 海洋微藻是我固海水养殖中广泛使用的优良饵料藻。脂类物质是微藻最重要的营养指标之一，在本研究中，我们首先分析了被中科院海洋所定名为“Chlorellasp”的海洋微藻中的甘油脂及其脂肪酸种类和组成特点。结果表明，Chlorella sp.中的非极性脂主要为三脂酰甘油，极性甘油脂有10种。其中，一般培养条件下（温度23℃：光照，周期L/D14:10，强度60umolm-2-S-l）三脂酰甘油约占总脂的31 mol%，极性甘油脂约占总脂的69 rriol%。10种极性甘油脂是单半乳糖甘油二脂( monogalactosyldiacylglycerol． MGDG)、 双半乳糖甘油二脂( diagalactosyldiacylglycerol ， DGDG)、 硫代异鼠李糖甘油二脂( sulfoquinovosyldiacylglycerol，SQDG)、磷脂酰甘油(phosphatatidylglycerol，PG)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine，PE)、磷脂酰胆碱( phosphatidylcholine，PC)、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)、磷脂酰丝氨醴(phosphatidylserine，Ps)、l，2-二酰基甘油-0-4，．（ⅣMⅣ-三甲基）高丝氨酸（diacylglyceryltrimethylhomoserine，DGTS）以及一种未能完全肯定，但可能是一中氯硫脂( chlorosulfolipid，CSL)。其中MGDG、DGDG、SQDG和PG是构成光合膜的主要成分，也是Chlorella sp中的主要极性脂。甜菜碱脂DGTS和磷脂PC是构成非光合膜的主要组分。Chlorella sp.中的主要脂肪酸为C16:0、C16:1耜C20：5（EPA)，后者主要存在于MGDG、DGDG和DGTS中，而三脂酰甘油也含有接近7%的EPA。 海洋微藻Chlorella sp.1061虽然被归属到绿藻纲绿藻目小球藻属，但是我们的研究表明，其色素、极性脂皮其脂肪酸组成与其它小球藻属藻类存在这很大差异Chl b是绿藻纲藻类中最主要的光合色素之一，1 6：4(n-3)和l 8：3(n-3)是绿藻微藻的主要脂肪酸，然而所有这些绿藻的特征化合物均未在Chlorella sp. 1061中检测到。DGTS和20:5(n-3)存在于很多的海洋微藻中，我们从Chlorella sp. 1061 中分离到占总极性甘油脂8 mo1%的DGTS，并从MGDG、DGDG和DGTS等极性甘油脂中检测到大量的20:5(n-3)。但是一般认为，小球藻属藻类中不舍这两种化合物。根据Chlorella sp. 1061的以上特点，这种藻不应该被归到小球藻属中。另外，由于Chlorella sp. 1061在色素、膜脂和脂肪酸组成特征方面大眼藻纲( Eustigmatophyceae)中的微绿球藻（Nannochloropsis）非常相似，因此，我们认为ChloreHa sp. 1061可能是Nannochloropsis中的一个种。但是未得到更进一步的证明和权威的认可之前，本文中我们仍然沿用ChloreHa sp,这一名称。 许多藻类中DGTS和PC -般不会同时存在，或者说一个存在时另外的一个的含量非常低。由此有人认为DGTS和PC之间存在着相互替代的关系。然而本研究中发现正常培养条件下Chlorella sp.中的DGTS和PC含量均较高（约10%）。磷处理实验结果表明，磷缺乏时Chlore Ha sp,中DGTS舍量大幅升高，而同时PC含量相应下降许多：但高浓度的磷并不能提高PC含量和降低DGTS含量，说明Chlorella sp,中DGTS仍可起替代PC的作用，然而PC可能并不能替代DGTS。Chlorella sp.中MGDG和DGTS脂肪酸组成及其位置分布结果显示，它们的组成和分布相似;在老化培养过程中MGDG和DGTS表现出周期性的相反的含量升高、降低的趋势，这进一步说明MGDG和DGTS之间存在着特殊的关系，MGDG可能合成自DGTS。 海洋微藻富含有利于人体健康的长链不饱和脂肪酸，如何提高微藻脂肪酸特别是多不饱和脂肪酸产量是目前研究的热点之一。本文首次报道了同时加入葡萄糖和硫代硫酸钠对Chlorelta sp,的生长、脂类组成和脂肪酸总产量的影响，结果显示葡萄糖和硫代硫酸钠存在明显而且强烈的互作，二者在培养液中的同时存在显著刺激了脂肪酸总产量的积累，在培养液中分别加入2.5 mM的葡萄糖和5mM的硫代硫酸钠，脂肪酸的产量可以比对照提高78%。而低浓度的葡萄糖和硫代硫酸钠对Chlorella sp.脂肪酸组成影响变化不明显，甚至在硫代硫酸钠存在下令人感兴趣的EPA含量还略有升高。显然，在Chlorella sp.培养中同时加入低浓度的葡萄糖和硫代硫酸钠是极具潜力的提高脂产量的方法，也可作为提高培养微藻其它活性物质产量借鉴的方法。在不久的将来，这种培养方法很可能发展成为生产实践中提高Chlore sp．乃至其它微藻脂肪酸、EPA和其它活性物质产量的经济有效的新途径。

高温和衰老对光合膜结构与功能影响的研究

本部分研究以菠菜和水稻为材料，比较系统的研究了高温对类囊体膜、PSII颗粒、PSII外周捕光天线LHCII、PSII核心复合物和PSII反应中心等不同层次膜蛋白结构与功能的影响，以探讨高温对光合膜蛋白的伤害机理。其主要结果如下： 1．类囊体膜结构与功能的完整性对于维持PSII的结构与功能在高温胁迫下的稳定性具有重要作用。当类囊体膜的完整性受到破坏，当与PSI有关的一系列保护机制失去作用时，PSII对高温胁迫的敏感性会大大加强。 2．虽然PSI的功能在高温下保持相对稳定，但PSI的结构在高温胁迫下并不稳定。本文的研究发现LHCI对高温非常敏感，在中度高温胁迫下就开始降解，但PSI的核心在高温下比较稳定，所以PSI介导的电子传递活性仍然维持在较高水平。 3．高温胁迫会对PSII的结构和功能产生多重破坏。这个过程首先应该是放氧复合体的失活：其次是反应中心的可逆失活;接下来可能是核心天线CP43和CP47的失活导致捕光天线同反应中心的能量传递受阻;再下来是QA到QR电子传递的受阻、反应中心的不可逆失活、捕光效率下降等过程;最后是大范围色素蛋白的变性和失活，PSII的结构和功能遭到彻底破坏。 4．高湿胁迫下Fo显著升高，Fo的升高的原因可能源于少量捕光天线同反应中心的分离和反应中心的失活。 5．高等植物体的类囊体膜中存在多种Chla和Chlb的光谱吸收形式。这些代表不同的光谱吸收形式的组分在高温胁迫下表现出不同程度的降解，其中C678 和C684组分降解最快。这些不同的光谱吸收形式组分可能以不同的比例存在于每一种色素蛋白复合物中。 6．LHCII的结构与功能对于维持PSII结构与功能的热稳定性具有重要作用，LHCII完全缺失的水稻突变体VG28及分离纯化的PSII核心复介物都人大增强了对高温的敏感性。但一种LHCII减少的水稻突变体249-Mutant,反而增加了PSII的热稳定性，进一步的研究表明，类囊体膜中 LHCII本身含量的多少对PSII热稳定性的影响不足决定性的，关键性因素可能主要取决于 LHCII含量改变而引起的膜脂组成和膜脂不饱和程度的改变，以及由膜脂变化引起的PSII放氧复合体结构与功能的变化。 7．本研究首次发现，高温可以促使分离纯化的LHCII的红区吸收光谱发生显著红移，而680nm处的荧光发射降低，长波长荧光组分大大增强。绿胶电泳表明中度高温胁迫能够诱导LHCII产生寡聚体，这种寡聚体可能在调节能量耗散方面具有重要生理意义：而严重高温胁迫下LHCII倾向于聚合产生大分子的非活性聚集体。 8．分离纯化的反应中心对高温非常敏感，各种色素的结构和功能在轻度高温胁迫下就开始受到破坏和抑制，各种色素变性和降解的顺序由快到慢是：P680>Pheo>Chla>β-Car。反应中心的多肽组分在高温胁迫下显著减少，Dl和D2减少的原因可能归因于高温胁迫导致大分子聚合物的产生，D2的减少显著快于D1的减少。

表面活性剂存在下的光系统I的光合特性

本文主要研究了在非离子表面活性剂－辛基硫代葡萄糖苷（OTG）处理条件下菠菜叶绿体中光系统I（PSI）颗粒的光合特性，主要的研究结果如下： 1. 在所研究的OTG浓度范围内（0.01～13%，w/v），OTG对PSI的电子传递活性有显著的促进作用。而与此相对照，阴离子表面活性剂－十二烷基硫酸钠（SDS）对PSI的活性具有抑制作用。 2. OTG对PSI在SDS和高温（70℃）处理后失去的电子传递活性具有恢复作用。 3. OTG对PSI的色素结合状态和能量传递都有很大的影响，影响程度和影响方式与OTG的浓度有关。在其临界胶束浓度（cmc）以上的一定浓度范围内，OTG处理会导致PSI捕光天线色素蛋白复合体（LHCI）的解离;而更大浓度的OTG会使PSI中产生自由色素。

转Rubisco 活化酶大型同工酶基因(rca)水稻的光合作用特性研究

Rubisco 是催化光合暗反应第一步反应的酶，是唯一能将CO2 转变成碳水化合物的酶，由它固定和最后转化成的碳水化合物提供了植物、动物和微生物的食物和能量。但是，Rubisco 催化该反应的效率十分低，使之成为光合作用的限速步骤。由于Rubisco 的合成和催化过程十分复杂，人们很难通过直接改造Rubisco 提高植物固定CO2 的能力。而Rubisco 活化酶能活化Rubisco，使植物在生理CO2 浓度下具有最大的CO2 同化速率，因此研究活化酶有重要意义。水稻活化酶有2 个同工酶，大型同工酶比小型同工酶C 端多37 个氨基酸，其中包括两个Cys 残基。这两个Cys 残基的存在使活化酶大型同工酶对ADP 的存在更加敏感，其活性在硫氧还蛋白的介导下能被基质中氧化还原状态的变化所调节。由于活化酶大型同工酶对调节Rubisco 的活性具有的这种特殊作用，在本研究中，将活化酶大型同工酶rca基因用正义和反义引入水稻基因组，获得了过量表达活化酶大型同工酶基因和反义抑制活化酶基因表达的转基因植株，对其光合作用进行了生理和生化分析。 本研究的主要结果如下： Rubisco 活化酶大型同工酶基因的克隆：从水稻镇恢249 中克隆了1525 bp 的活化酶大型同工酶cDNA 序列。经过测序，它与报道的粳稻品种活化酶大型同工酶cDNA 序列（rca）完全相同。 构建了4 个植物表达载体：3 个为过量表达rca的载体，分别是pCBUbirca，pCBSrca 和 pCBSUbirca ，其中rca分别在水稻中高效表达的玉米Ubiquitin 启动子、受光调控的Rubisco 小亚基基因启动子和由这两个启动子构成的双启动子控制下表达; 1 个在Ubiquitin 启动子控制的反义rca载体，即 pCBUbi-antirca。 获得了转化rca的水稻再生植株：用日本晴，台北309，武育梗7 号和籼稻品种培矮64S 水稻成熟种子诱导愈伤组织。用改良的农杆菌浸染法将rca基因转化这些愈伤组织，在潮霉素筛选压力下获得抗性愈伤组织，经过2 天的干燥处理后，转入到含山梨醇的高渗分化培养基上培养，能迅速获得大量的芽和转化体再生植株。 获得了转rca基因的水稻植株：抗性愈伤组织和再生水稻幼苗的叶片经GUS 染色呈蓝黑色。PCR 扩增转基因水稻基因组内的潮霉素基因和rca，大部分转基因水稻中含有841 bp 的潮霉素基因片段和1525 bp 长的rca cDNA 片段。251 粒T1 代转基因水稻种子中189粒呈现潮霉素抗性，抗性种子/非抗性种子的比率约为3：1，接近孟德尔分离规律。Southern杂交表明rca序列已整合到水稻基因组，一般含1－2个拷贝。Western 杂交显示Rubisco 活化酶含量在转pCBUbi －antirca 的水稻中和对照比，几乎看不出，被反义抑制;转pCBUbirca 的水稻与对照含量相差无几;转pCBSUbirca，pCBSrca 载体的水稻中活化酶的含量比对照有极显著的增加。 T1 代转rca水稻的光合作用发生显著变化：转pCBSrca 和pCBSUbirca 的水稻在饱和光强下的Rubisco 初始活性、羧化效率、光合速率都明显高于对照，但是表观量子效率、色素含量和Rubisco 总活性与对照相似。两者相比，前者比后者更高;转反义rca（pCBUbi-antirca）基因的水稻饱和光强下的光合速率、表观量子效率、羧化效率、Rubisco 初始活性明显降低，色素含量和Rubisco 总活性基本不变;转pCBUbirca 的水稻中，光合作用的各项参数与对照基本相似。 T1 代转rca水稻的叶绿素荧光明显改变：转pCBSrca 和pCBSUbirca 的水稻ΦPSII 的值明显高于对照，而且前者qP 的值明显高于对照。两者相比，前者的ΦPSII 和qP 的值比后者高;转反义rca的水稻ΦPSII，F′v/F′m，qP 值和对照比都明显降低，但qN 的值升高;转pCBUbirca 载体的水稻中，叶绿素荧光的各项参数与对照基本相似。 转rca基因的水稻生长发育的变化：转pCBUbirca 载体的水稻整个生长发育过程与对照相似;转化pCBSrca 和pCBSUbirca 载体的水稻和对照比，植株高大，生长发育速度加快，抽穗、开花和结籽的时间提前。两者本身相比，前者比后者明显;转反义rca（pCBUbi-antirca）基因的水稻生长发育延迟，植株矮小，种子败育。 由上可见，Rubisco 活化酶大型同工酶rca基因在Rubisco 小亚基基因启动子、Ubiquitin 基因启动子和Rubisco 小亚基基因启动子共同控制下正义转入水稻的转基因植物光合作用的参数最好，光合效率提高，植物表型最好，生长发育加快，提前开花结籽。这一研究可能为获得高光合效率和高产量的水稻奠定了基础。