电子传递速率光响应模型是研究植物光合生理和生态学的重要工具,可为量化原初反应光能的吸收和传递对光的响应提供理论依据.该文综述了目前常用的电子传递速率光响应模型的数学特征,分析了不同模型的优势及其在实际应用中的潜在问题,并在此基础上对这些模型可能的发展趋势进行了展望.原初反应包括光能的吸收、光合色素分子的激发和退激发(包括光化学反应、荧光发射和热耗散)、激子共振传递以及光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心发生电荷分离产生电子传递速率等一系列复杂的物理和生化反应过程.电子传递速率光响应经验模型和半机理模型因不涉及或只涉及部分原初反应过程而难以解释藻类和高等植物的PSⅡ动力学下调、光适应和光保护等现象.电子传递速率光响应机理模型综合考虑了光合色素分子的物理参数(如本征光能吸收截面(σik)、分子处于最低激发态的平均寿命(τmin)、分子的能级简并度和处于激发态的光合色素分子数(Nk))在整个原初反应过程中的重要作用,不仅可以获得藻类和高等植物叶片的最大电子传递速率以及对应的饱和光强等光合参数,还可以获得σik和τmin等重要的物理参数,以及有效光能吸收截面(σ'ik)和Nk对光的响应规律等.将环境因子(如温度、CO2浓度等)耦合到已有的电子传递速率光响应机理模型中,并明确其与植物的σ'ik和Nk等参数间的关系,可能是今后光合电子传递速率光响应机理模型的发展方向.

光合作用对光的响应模型是研究植物在不同环境条件下光合特性的有力数学工具,可为定量描述植物光合速率对光合有效辐射的响应提供理论依据.本文基于植物光合作用对光响应经验模型的常用数学表达式特征,综述了这些模型的优势及其在实际应用中可能遇到的问题.在此基础上探讨了光合作用对光响应机理模型在描述植物的原初光反应以及光合生理生态方面的优势,并对该模型的发展进行了展望.光合作用主要由原初反应、同化力形成和碳同化构成,任何一个过程的变化均可直接影响植物的光化学效率和碳同化能力.原初反应主要涉及光能吸收、激子共振传递、量子能级跃迁和退激发等与光能吸收传递相联系的、纯粹的物理过程.光合作用对光响应经验模型难以解释植物的非光化学淬灭(NPQ)随光强的增加一直非线性增加,也难以回答植物的捕光色素分子吸收过量的光能且不能及时地用于光化学反应时,单线态叶绿素分子的寿命将延长等现象.与此同时,光合作用对光响应机理模型拟合得到的参数不仅可以反映植物的原初光反应特征,还可以描述植物捕光色素分子的物理特性,如处于激发态的捕光色素分子数(Nk)、捕光色素分子的有效光能吸收截面(σik')对光的响应规律以及捕光色素分子处于激发态的最小平均寿命(τmin)等.如何将环境因子(如温度、CO2浓度等)耦合到光合作用对光响应机理模型中,并明确其与捕光色素分子物理参数Nk、σik'和τmin的依赖关系,可能是未来需要解决的问题.

以大豆“垦丰14”为试验材料,采用盆栽方法研究叶面喷施烯效唑对淹水胁迫下大豆叶片光合速率、内禀特性、荧光参数以及表型的影响,探讨烯效唑作为植物生长调节剂对逆境的缓解效应.结果 表明:始花期(R1期)淹水显著降低了鼓粒期(R6期)大豆的最大净光合速率(Pnmax),但对叶绿素含量(Chl)、最大电子传递速率(Jmax)、本征光能吸收截面(σrik)、捕光色素分子处于激发态的最小平均寿命(τmin)等参数无显著影响;喷施烯效唑显著提高大豆叶片叶绿素含量,增加叶片有效光能吸收截面(σ'ik),降低捕光色素分子处于激发态的最小平均寿命,使得捕光色素分子更多处于基态;而且应用烯效唑可增加淹水胁迫下大豆叶片电子利用效率、最大净光合速率以及电子传递速率,并分别较淹水处理高35.3％、79.0％和39.2％;淹水胁迫会降低PSⅡ的潜在光化学效率Fv/Fo以及PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm,喷施烯效唑可提高光化学效率;淹水和烯效唑处理均会降低株高、叶面积以及数字生物量,喷施烯效唑可以提高大豆叶片色调值以及归一化植被指数,改善淹水胁迫下大豆的生长状况.综上所述,烯效唑可以有效缓解淹水对大豆的不利影响,提高其耐涝性.

为探讨闽楠幼树对不同光环境的光合生理响应,本研究分析了不同光照条件(全光和88.3％遮光率)对闽楠1年生和3年生幼树叶绿素含量、叶绿素荧光参数、捕光色素分子内禀特性和光能分配的影响.结果 表明:88.3％遮光率条件下生长的闽楠1年生和3年生幼树叶绿素a、叶绿素b、类葫芦卜素含量均显著大于全光照.遮阴导致闽楠1、3年生幼树初始荧光(Fo)、PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)和PSⅡ有效光化学量子产量(Fv'/Fm')增加,光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(NPQ)下降.88.3％遮光率条件下生长的闽楠1年生和3年生幼树捕光色素分子有效光能吸收截面(σik')和天线热耗散(D)显著低于全光照,处于最低激发态的捕光色素分子数(Nk)和非光化学能量耗散(E)高于全光照.在全光照或88.3％遮光率条件下,闽楠1年生幼树叶绿素含量、类葫芦卜素含量、Fv/Fm、Fv'/Fm'、NPQ与3年生幼树无显著差异.在全光照条件下,闽楠1年生幼树qP、电子传递速率(ETR)、σik'、光化学耗散(P)显著小于3年生幼树,Nk和E高于3年生幼树.这说明闽楠1年生和3年生幼树适宜在遮阴条件下生长,全光照条件下会产生光抑制,闽楠3年生幼树对高光环境的抗性较1年生幼树强.

以油茶品种'长林4号'2年生幼苗为材料,在人工气候箱内设置盆栽实验,研究不同光照强度(10％、40％、70％光照和全光照)对油茶光能利用特性的影响.结果显示:(1)油茶叶片净光合速率(Pn)、电子传递效率(ETR)、光补偿点(Ic)、CO2补偿点(Γ)、饱和光强(Isat)、饱和胞间CO2浓度(Cisat)、光呼吸速率(Rp)、暗呼吸速率(Rd)以及在叶片水平与植株水平上的光能利用效率均随光照强度的增强而提高.(2)在弱光条件下,油茶叶片光化学淬灭系数(qP)提高,非光化学淬灭系数(NPQ)降低,所吸收的光能被更多地分配向光化学耗散和过剩激发能,使PSⅡ光化学效率(Fv/Fm、ΦPSⅡ)提高.(3)油茶通过提高叶片叶绿素含量、捕光色素分子数(N0)和本征光能吸收截面(σik)来增强对光的捕获能力,但随光照强度降低,其捕光色素分子的有效光能吸收截面(σik')减小,捕光色素分子处于最低激发态的最小平均寿命(τmin)变长,累积在最低激发态的天线色素分子数(Nk)增多.研究表明,在低光照强度环境下,电子在捕光色素分子之间的传递和光合电子流的产生受到限制,油茶叶片光能捕获与光合电子传递效率无法同时提高,最终导致其光合碳同化能力和光能利用效率下降.