C3植物是最重要的光合生物之一,在光照條件下,其類囊體膜上光驅(qū)的電子流與基質(zhì)內(nèi)質(zhì)子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)相耦合。質(zhì)子在囊腔內(nèi)的積累產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子動(dòng)勢(shì)(pmf),其驅(qū)動(dòng)ATP合成酶的構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)變并合成ATP分子。質(zhì)子動(dòng)勢(shì)的一個(gè)重要組分,即跨膜電勢(shì)差(ΔΨ),是反映原初光合能量轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要指標(biāo)量,它會(huì)使色素分子(包括葉綠素分子以及胡蘿卜素分子等)對(duì)光能的最大吸收峰遷至515 nm處。515 nm最大吸收峰的形成除了有ΔΨ的貢獻(xiàn),也有來(lái)自“光散射”效應(yīng)的疊加。因此,對(duì)于ΔΨ的實(shí)驗(yàn)測(cè)量一直是一個(gè)難題,并且在國(guó)內(nèi),關(guān)于ΔΨ的實(shí)驗(yàn)測(cè)量鮮見(jiàn)報(bào)道。以煙草葉作為樣品,使用雙通道可變振幅式葉綠素?zé)晒鈨x,并搭配最新設(shè)計(jì)的P515/535模塊,測(cè)量樣本在單周轉(zhuǎn)飽和光(ST)、1 s可見(jiàn)光、60 s可見(jiàn)光的P515光譜信號(hào)變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為研究C 3作物高光效品種選育提供技術(shù)支持。

光合作用是地球生物圈最重要的生化反應(yīng)過(guò)程之一。它能夠固定大氣中的CO2生成有機(jī)物，為人類的生存提供物質(zhì)基礎(chǔ)。C3植物是最為重要的放氧型光合生物之一，其光合作用的原初階段發(fā)生在光系統(tǒng)反應(yīng)中心，集光復(fù)合體吸收太陽(yáng)光能，通過(guò)激子傳遞機(jī)制，直至被光反應(yīng)中心色素分子捕獲，用來(lái)催化光反應(yīng)中心的電荷分離。除了用于光合作用外，光能也能以葉綠素?zé)晒廨椛涞男问蕉鴵p失。隨后，水分子在光放氧復(fù)合體中裂解，釋放出氧氣、質(zhì)子和電子。釋放的電子經(jīng)線性電子傳遞鏈傳遞至鐵氧還蛋白-NADP+-氧化還原酶(FNR)，還原NADP+并合成NADPH。同時(shí)，光合反應(yīng)的電子傳遞過(guò)程和質(zhì)子跨類囊體膜的轉(zhuǎn)運(yùn)相偶聯(lián)，形成跨膜的質(zhì)子梯度。根據(jù)Mitchell的化學(xué)滲透偶聯(lián)假說(shuō)，質(zhì)子梯度和跨膜電勢(shì)差在能量上是等價(jià)的，并且共同作用形成了質(zhì)子動(dòng)勢(shì)(pmf)。

其中i和o代表類囊體內(nèi)腔和外周基質(zhì)，ΔΨ和ΔpH為電勢(shì)差和pH值差，R、T和F有其通常的物理意義。

質(zhì)子動(dòng)勢(shì)為ATP合成提供能量來(lái)源，最終，合成的ATP和NADPH被用于Calvin-Benson循環(huán)來(lái)固定CO2合成有機(jī)物。

跨膜電勢(shì)在光合能量轉(zhuǎn)化中扮演相當(dāng)重要的角色。它不僅是光合能量傳導(dǎo)的一個(gè)重要指針，同時(shí)，研究電勢(shì)信號(hào)曲線的衰退可以得到關(guān)于類囊體膜的滲透性及其跨膜離子流強(qiáng)度的信。更為重要的是，跨膜電勢(shì)差對(duì)電子傳遞鏈中電荷分離的穩(wěn)定性以及調(diào)控電荷復(fù)合具有重要作用?？缒る妱?shì)差的測(cè)量可以使用微電極直接刺入葉綠體類囊體中，或者用膜片鉗夾住葉綠體再用微電極刺入類囊體測(cè)量跨膜電壓或者電流。但是上述這兩種方法都會(huì)對(duì)樣本產(chǎn)生刺入性損傷，造成電勢(shì)無(wú)法預(yù)估的損失。除了微電極刺入，跨膜電勢(shì)差還有一種快速、靈敏以及無(wú)損樣本的探測(cè)方式，即測(cè)量P515信號(hào)。P515信號(hào)的產(chǎn)生是因?yàn)榭缒る妱?shì)差迫使葉綠素分子，主要是胡蘿卜素以及葉綠素b對(duì)入射光的最大吸收峰遷移至515 nm。本研究以煙草葉片(Nicotianatabacum)作為待測(cè)樣品，使用Dual-PAM-100葉綠素?zé)晒鈨x的P515/535雙組件模塊，測(cè)量煙草葉片在不同光信號(hào)條件下的P515信號(hào)變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為研究C3作物高光效品種選育提供技術(shù)支持。

1材料與方法

研究在珍珠巖基質(zhì)中種植煙草苗(Nicotianatabacum)，并施以Knop營(yíng)養(yǎng)液，放置在Sanyo植物生長(zhǎng)箱中培養(yǎng)2周，培養(yǎng)箱中模擬白晝黑夜時(shí)間設(shè)置為8 h/16 h，白晝時(shí)光強(qiáng)度為90μmol/m2·s。白晝黑夜溫度分別設(shè)置為22℃/15℃。使用Dual-PAM-100葉綠素?zé)晒鈨x的P515/535模塊來(lái)測(cè)量P515信號(hào)。P515/535模塊包含發(fā)射單元DUAL-EP515和探測(cè)單元DUAL-DP515。DUAL-EP515可以由一個(gè)支撐臂和DUAL-DP515串聯(lián)連接起來(lái)。P515信號(hào)是測(cè)量葉片透過(guò)光的550 nm和515 nm的差值，即ΔA550-515 nm。選擇550 nm是為了能消除“光散射”效應(yīng)所產(chǎn)生的光吸收峰的疊加，因?yàn)?35 nm反映了“光散射”效應(yīng)所產(chǎn)生的光吸收峰遷移，535 nm的Gauss吸收峰在515 nm和550 nm所在的部分均勻一致，所以計(jì)算葉片透過(guò)光的550 nm和515 nm的差值，在理論上可以消除“光散射”效應(yīng)所產(chǎn)生的在515 nm吸收峰的疊加。