分析遮光对光合的影响

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2011年江苏高考23题以遮光对铁线莲的影响为素材,考查学生对光合作用相关知识的掌握以及获取信息、分析问题、解决问题的能力。具体试题如下:某种铁线莲的根茎可作中药,有重要的经济价值。

下表为不同遮光处理对其光合作用影响的结果,相关叙述正确的是(答案:AC)A.适当的遮光处理,可提高其干重B.叶绿素含量与净光合速率呈正相关C.叶绿素盯b可作为其利用弱光能力的判断指标D.遮光90%时,铁线莲不进行光合作用这道题的难度并不大,从表中数据可知,10%和30%的遮光条件下的干重分别为9.99、9.29,都大于不遮光条件下的7.59,所以A选项是对的,BD选项则明显错误,对于C选项也不是所有学生都清楚的。本文就这几个问题进行阐述。

1遮光后叶绿素含为什么会升高

在本题中,铁线莲的叶绿素的含量随着遮光比例的升高而升高,根据表中信息可算出不同遮光条件下叶绿素a和叶绿素b的含量及增加率(如下表)。

光是叶绿素形成的必需条件,所以大部分学生都错误认为叶绿素含量随光照增强而增加。实际情况并非如此,而是叶绿素的含量随着遮光比例的升高而升高,为什么呢?叶绿素含量受到光照、温度、矿质元素、逆境等外界因素及核基因、质基因等内在因素的共同影响,在外部因素中光对叶绿素的合成与分解起主导作用。植物体中叶绿素的合成和分解处于一个动态平衡中,叶绿素醋光照后,才能顺利地合成叶绿素,但形成叶绿素所要求光照强度相对较低(过弱也不利于叶绿素的生物合成),除680nm以上波长以外,可见光中各种波长的光照都能促使叶绿素形成,光过强反而会发生光氧化而受破坏;植物中叶绿素和蛋白质结合为结合态叶绿素才能发挥作用,而自由态的叶绿素则会对细胞造成光氧化损伤。为了避免自由态叶绿素对细胞造成的光氧化损伤,植物必须快速降解这些物质。

在遮光条件下集光色素蛋白在光合单位中的相对含量会增加(是多效调节的结果),从而导致结合态叶绿素增加。与此同时,降低了叶绿素的降解和光氧化,所以遮光后叶绿素的含量会增加川。遮荫环境下,植物通过增加单位叶面积色素密度和叶绿素含量,有利于提高植株的捕光能力,吸收更多的光,提高光能利用率,是对弱光环境的一种适应。

2遮光后叶绿素a/b降低

在不同生理条件下叶绿素a和叶绿素b的合成、分解速度影响了叶绿素盯b的比值,但调节叶绿素盯b的比值主要通过“叶绿素循环”实现。叶绿素a和叶绿素b的相互转化称为“叶绿素循环”,在遮光条件下,叶绿素a向叶绿素b的转化加快(叶绿素a水解形成脱植基叶绿素a,脱植基叶绿素a再转化为脱植基叶绿素b,最后合成叶绿素b),从而降低了叶绿素盯b的比值〔2。弱光下叶绿素b的相对含量增高是有其生理适应,有利于对弱光的利用。

从叶绿素吸收光谱图(如下图)可知:叶绿素a在红光部分的吸收带较叶绿素b偏向长波方面,且吸收光谱带比叶绿素b宽,叶绿素b在蓝紫光部分的吸收光谱带比叶绿素a宽。

在遮光的条件下,以蓝紫光为主的散光占比增加,所以提高叶绿素b的含量(叶绿素b主要存在于集光色素蛋白中,主要是吸收、传递光能),更利于吸收蓝紫光川。所以,叶绿素盯b的比值降低,弱光下的吸收能力就增强,叶绿素盯b可作为其利用弱光能力的判断指标。

3叶绿素含t与光合速率关系

叶绿素含量越高光合速率越快吗?叶绿素是光合作用必不可少的色素,有学生据此认为叶片光合速率与叶绿素含量总是呈正相关。其实,仅仅在一定的光强度下,光合速率会随叶绿素含量的增加而增高,而在饱和光下,光合速率往往与叶绿素含量的多少无关。

在饱和光下,叶绿素含量低的阳生叶片光合速率往往明显高于叶绿素含量高的阴生叶片,这是因为阳生叶片单位面积内光合机构的关键组分反应中心、电子传递体和碳同化酶等含量高的缘故〔4〕。例如,在有限光下,叶绿素含量仅为野生型三分之一左右的水稻黄绿叶突变体叶片的光合速率明显低于其野生型,而在饱和光下,两者的光合速率一样。所以叶绿素含量与光合速率关系因植物而异。

4适当遮光后导致净光合速率增加

由此题可知:10%和30%遮光条件下的净光合速率都比不遮光条件下的净光合速率要高,积累的干物质要多,这是为什么呢?至少可从以下三个方面考虑〔5〕;①光抑制导致光合速率降低从而降低净光合速率。光抑制是指光能超过光合系统所能利用的能量时,光合功能下降的现象,光抑制的原初位点和主要作用部位是PSn(光系统n)。光合作用在任何光照条件下都会产生活性氧,但正常光照条件下活性氧产生和消除系统之间存在一个稳定的动态平衡。在强光条件下,光合器官所吸收的光能超过光合作用所能利用的能力,其活性氧产生和消除之间的平衡被打破,增加伤害PSn的机会,从而对光合器官造成伤害降低光合速率。所以光照过强导致光抑制增强,光合速率降低,从而导致净光合速率降低。②光呼吸增加了有机物的消耗从而降低了净光合速率,光呼吸是所有使用卡尔文循环进行碳固定的细胞在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程,其发生的场所为叶绿体,过氧化物酶体和线粒体,光呼吸过程中要消耗氧气、[H]和A即,它是卡尔文循环中一个损耗能量的副反应,会抵消约30%左右的光合作用。光照增强会增加光呼吸消耗的有机物,从而降低了净光合速率;③光照增强引起温度升高、蒸腾作用增强,叶片细胞失水过多、细胞渗透压升高,引起气孔关闭,导致细胞吸收CO:减少,从而影响卡尔文循环降低了光合作用的暗反应,所以净光合速率降低了。

植物的生长情况与光照强度有密切的关系,植物对光的适应通常表现在光合特性和生物化学适应性的改变,进而改变了植株的生长和结构。但对阳生植物和阴生植物并不一样,对阴生植物,适度的荫蔽有利于其生长和发育[6]。如此题中东北铁线莲对光的适应反应,10%、30%遮光处理,东北铁线莲净光合速率、干物质量均较高,即适度的荫蔽有利于东北铁线莲的生长发育。但对于阳生植物来说,遮光一般会影响其生长发育,如玉替的生物量随着光照强度的减弱而减少;在较弱的光照强度下,烤烟的茎秆变细,叶片数减少,生物量减少。