生物聯(lián)賽知識：第四章植物生理
2009-11-12 20:49:20網絡
一、競賽中涉及的問題
根據最新國際生物學奧林匹克競賽（IBO） 綱要和全國中學生生物學競賽大綱（試行）要求，有關植物生理學的內容主要包括：水分、礦質營養(yǎng)的吸收和運輸；光合作用；呼吸作用；蒸騰作用；生長和發(fā)育， 激素；生殖。上述內容中，原中學生物教學大綱中已有的不再重復，只對其他一些在競賽中經常遇到但又難于理解的內容作些簡要的分析或說明。
�。ㄒ唬┧值奈�、運輸
1．自由能和水勢
當 把一小塊高錳酸鉀結晶投入到一盛有純水的燒杯中時，高錳酸鉀分子會迅速地由結晶處向燒杯中的其他地方遷移。這種遷移之所以能夠發(fā)生，完全是由于結晶與燒杯 中的其他地方存在著化學勢差的結果。化學勢就是在恒溫恒壓條件下，一摩爾的物質分子所具有的自由能，自由能則是在恒溫恒壓條件下能夠用于做功的能量。所以 化學勢就是指物質分子能夠用于做功的能量的度量。其大小與物質的濃度或純度呈正相關關系，并且能夠指示物質分子發(fā)生反應或產生運動的方向和限度。在上述系 統(tǒng)中，高錳酸鉀分子遷移消耗的就是高錳酸鉀分子的化學勢或者說就是高錳酸鉀分子的自由能。正因為如此，高錳酸鉀分子也只能由化學勢較高的結晶向化學勢較低 的其他地方遷移，直到燒杯各處高錳酸鉀的化學勢都相等為止。這種物質分子順著化學勢梯度或濃度遷移的現象就叫擴散�；瘜W勢用μ來表示，單位是耳格／摩爾或達因·厘米 / 摩爾。
在 上述系統(tǒng)中高錳酸鉀分子擴散的同時，水分子也在擴散，消耗的是水的化學勢，是水中能夠用于做功的能量度量。其大小當然能夠指示水分子發(fā)生反應或產生運動的 方向和限度，包括植物體內的水分運動。但是，任何物質分子的化學勢的絕對值并不容易測定，水的化學勢亦如此。我們通常所說的水的化學勢實際上是一個差值， 是系統(tǒng)中水的化學勢與0℃、1.013×105 Pa下純水的化學勢之差。盡管純水的化學勢的絕對值也不易測定，但人們可以規(guī)定一個值來作為純水的化學勢，其他溶液的水的化學勢就通過與純水的化學勢的值進行比較而得到。
但是，在植物生理學上，一般并不以水的化學勢差的大小來指示水分運動的方向和限度，而是以水勢的大小來指示的。水勢就是每偏摩爾體積水的化學勢差，就是水的化學勢差被水的偏摩爾體積來除所得的商。即：
式中Ψ表示的是水勢；μw表示的是系統(tǒng)中水的化學勢；μw0表示的是純水的化學勢；Δμ表示的是化學勢差； 表示的是系統(tǒng)中水的偏摩爾體積。現舉一例來說明。
在20℃、1.013×105Pa下，一摩爾純水的體積是18.09mL，一摩爾純乙醇的體積是58.35mL，但二者相混合后的體積并不等于18.09＋58.35＝76.44mL，而是74.40mL。就是說在這個系統(tǒng)中，一摩爾的水所體現出來的體積已不再是18.09mL（而是17.0mL），一摩爾的乙醇所體現出來的體積也不再是58.35mL（而是57.40mL）。這17.0mL和57.40mL分別是水和乙醇在此混合物中此條件下的偏摩爾體積。
水勢的大小決定于化學勢差的大小，純水的化學勢最大，并規(guī)定在0℃、1.013×105Pa下為0，所以純水的水勢也最大，在0℃、1.013×105Pa下也為0。其他的任何溶液（在開放系統(tǒng)中）都由于溶質的存在，降低了水的自由能而使水的化學勢都小于純水，全為負值。水勢當然也比純水小，也全為負值。
水勢的大小能夠指示水分發(fā)生反應或產生運動的方向和限度，并且與化學勢所指示的完全相同，無論在植物體外還是在植物體內，水分總是順著水勢梯度由高水勢流向低水勢區(qū)。水勢的單位是壓力單位，達因 / 厘米2，這可由ψ＝Δμ/ 推出，通常以帕斯卡（pa）來表示。
2．植物細胞的水勢與滲透吸水
成 熟的植物細胞外為纖維素和果膠質組成的細胞壁，中央有一個大的液泡，細胞壁和液泡之間則是細胞的原生質體。從物質透過角度講，細胞壁是一個完全的透性膜， 水分和溶質都可以自由地透過。而原生質膜和液泡膜則是分別透性膜。而且原生質膜和液泡膜之間的中質也并非是任何物質都容易透過的結構。這樣我們就有充分的 理由將細胞的整個原生質體（原生質膜、液泡膜和中質）看做是一個分別透性膜。液泡中是具有一定滲透勢的溶液，那么植物細胞所處的環(huán)境溶液的情況就不外乎三 種。即環(huán)境溶液的水勢高于細胞的水勢（高水勢液），環(huán)境溶液的水勢低于細胞的水勢（低水勢液），環(huán)境溶液的水勢與細胞的水勢相等（等水勢液）。但不論處在 何種情況下，植物細胞與外界溶液之間都能夠發(fā)生滲透作用，只不過在第三種情況下，由于細胞內外無水勢差的存在，外觀上沒有水分進出細胞的現象發(fā)生。所以說 一個成熟的植物細胞與外界環(huán)境溶液共同構成了一個滲透系統(tǒng)，能夠發(fā)生滲透作用。植物細胞以滲透吸水為主，吸水的動力來自細胞內外的水勢之差，那么，植物細 胞的水勢又該如何計算呢？
成熟的植物細胞中央有大的液泡，其內充滿著具有一定滲透勢的溶液，所以滲透勢肯定是細胞水勢的組成之一，它是由于液泡中溶質的存在而使細胞水勢的降低值。因此又稱為溶質勢，用ψs 表示。由于純水的滲透勢最大，并規(guī)定為0， 所以任何溶液的滲透勢都比純水要小，全為負值。當細胞處在高水勢溶液中時，細胞吸水，體積擴大，由于細胞原生質體和細胞壁的伸縮性不同，前者大于后者，所 以細胞的吸水肯定會使細胞的原生質體對細胞壁產生一種向外的推力，即膨壓。反過來細胞壁也會對細胞原生質體、對細胞液產生一種壓力，這種壓力是促使細胞內 的水分向外流的力量，這就等于增加了細胞的水勢。這個由于壓力的存在而使細胞水勢的增加值就稱為壓力勢，用ψp表示。其方向與滲透勢相反，一般情況下為正值。此外，細胞質為親水膠體，能束縛一定量的水分，這就等于降低了細胞的水勢。這種由于細胞的膠體物質（襯質）的親水性而引起的水勢降低值就稱為細胞的襯質勢，以ψm表示。所以說，植物細胞的吸水不僅決定于細胞的滲透勢ψs，壓力勢ψp，而且也決定于細胞的襯質勢ψm。一個典型的植物細胞的水勢應由三部分組成，即ψw＝ψs＋ψp＋ψm。
從作用效果看，ψs和ψm是使水分由細胞外向細胞內流的力量；ψp則是使水分由胞內向外滲的力量；就是說ψs和ψm的符號與ψp的符號相反，ψs和ψm為負，而ψp為正。
理論上細胞的水勢ψw應由ψs、ψp和ψm三部分組成，但ψs、ψp和ψm在細胞水勢中所占的比例則是隨著細胞的發(fā)育時期及細胞所處的狀態(tài)的改變而變化的。就ψm來講，干燥種子和未形成液泡的細胞中，ψm是一個很大的負值；而在有液泡的細胞中，由于細胞的襯質部分已被水飽和，ψm等于零或接近于零，其絕對值很�。ǎ�0.1），相對于絕對值很大的水勢來講，就十分的微不足道了。因此，在計算有液泡細胞水勢的時候，ψm通�？梢允〉簟＜从幸号菁毎乃畡菘梢杂霉�ψw＝ψs＋ψp進行表示和計算。當ψw低于外界溶液時，細胞即可吸水。
在一般情況下，細胞的ψp為正值，但處于強烈蒸騰環(huán)境中的細胞的ψp為 負值，而不為正值。細胞蒸騰失水，細胞體積縮小，最后可失去膨壓而達到萎蔫的程度，但此時一般并不能引起質壁分離，原因是水與細胞壁的附著力很強，這樣在 原生質體收縮時細胞壁被向里拉，甚至發(fā)生褶皺變形。同時，細胞壁產生的反作用力使原生質體和細胞液處于張力的狀態(tài)。張力相當于負的壓力；在計算水勢時應取 負值。因此，在產生張力時，細胞的水勢將變得比ψs更負。
3．根系吸水及水分沿導管或管胞上升的動力
植 物體水分的獲得主要借助于根系對土壤中水分的吸收。根系的吸水方式有兩種，即主動吸水和被動吸水。主動吸水是由于根本身的生理活動而引起的水分吸收，與地 上部分的活動無關，吸水動力是根壓。被動吸水由蒸騰作用而引起，而與根系的活動無關，吸水的動力是蒸騰拉力。那么，根壓和蒸騰拉力是怎樣產生的呢？
關于根壓產生的機制現在還不很清楚，一般是用滲透理論來解釋。為更好地理解這個理論，必須首先了解植物體的結構。
植 物體從空間上可分為三個部分，即共質體、質外體和液泡。共質體是指植物體中所有細胞中活的部分，即是指整個植物體的原生質總體。由于各細胞原生質之間有許 多胞間連絲相連，所以共質體是一個連續(xù)的系統(tǒng)或體系。質外體則是指細胞壁、細胞間隙和木質部導管等原生質體以外的部分。水分和溶質可以在其中自由擴散。和 共質體不同，質外體是不連續(xù)的，由于內皮層凱氏帶的存在，內皮層就將質外體分隔成為兩個區(qū)域，其一在內皮層外，包括皮層部分的細胞壁、細胞間隙，這部分可 以和土壤溶液之間保持水分和溶質的擴散平衡。另一區(qū)域在中往內，包括中柱部分的細胞壁、細胞間隙及成熟的導管。內外兩部分質外體之間的水分和溶質的交流， 都只有通過內皮層細胞原生質體部分來進行。液泡由于有液泡膜和原生質體隔開，所以它既不屬于質外體，也不屬于共質體，而且它們也不連續(xù)成整體。
滲 透理論認為：土壤中含有豐富的離子，在質外體的外部（皮層），離子隨土壤溶液進入質外體直至內皮層，溶液中的離子可被活細胞主動吸收，即由質外體進入共質 體。在共質體中，這些離子可以通過胞間連絲從一個細胞運至另一個細胞，通過內皮層進入中柱的活細胞。之后細胞中的離子又被動地擴散到導管中，即由共質體進 入質外體。其結果，內皮層以外的質外體離子濃度降低，水勢增高；而內皮層以內的質外體離子濃度增高，水勢降低。這樣內外質外體之間就形成了一個水勢梯度， 于是水經過內皮層的滲透作用而進入中往，進入導管，使導管內產生一種靜水壓力即根壓，水分即沿導管上升。
蒸 騰拉力是由于蒸騰作用而產生的。由于蒸騰，靠近氣孔下腔的葉肉細胞含水量減少。水勢降低，向相鄰細胞吸取水分，當相鄰細胞水勢減低時，轉向其相鄰細胞吸 水，如此依次傳遞直至向導管吸水。這就猶如造成了一種將導管中的水向上拉的力量，這種由于蒸騰作用產生的一系列水勢梯度使導管中水分上升的力量就稱為蒸騰 拉力。主動吸水和被動吸水并存，但二者在根系吸水過程中的比重卻很不相同。一般被動吸水占有很大的比重，主動吸水很少。所以蒸騰拉力是根系吸水和水分沿導 管或管胞上升的主要動力。這里就產生了一個問題，蒸騰拉力將導管中的水柱向上拉，同時水柱本身的重力又將水柱向下拖，水柱的兩端同時受到上拉下拖兩種力量 的作用，使水柱處于緊張狀態(tài)，產生張力，水柱就有發(fā)生中斷的趨勢，而導管中水柱的連續(xù)性對根系的吸水和水分上升來講又是必要的。那么，在這種情況下，導管 中的水柱如何能保持連續(xù)而不發(fā)生中斷呢？眾所周知，水分子與水分子之間的內聚力很大，可達－300×105Pa，同時水分子與導管或管胞內纖維素分子之間還有強的附著力，它們遠遠大于水柱的張力（－5～－30×105Pa）。所以導管或管胞中的水柱可以保持連續(xù)，保證在蒸騰作用進行時木質部中的水分能不斷向上運輸。這種以水分子的內聚力大于張力來解釋水分上升的學說稱為內聚力學說，也稱為蒸騰--內聚力--張力學說，是19世紀末愛爾蘭人迪克松提出的。
�。ǘ┑V質元素的吸收和運輸
1．植物細胞對礦質元素的吸收
植物細胞吸收礦質元素的方式有三種：被動吸收、主動吸收和胞飲作用。其中被動吸收和主動吸收是植物細胞吸收礦質元素的主要方式。
（1）被動吸收
被動吸收：是指由于擴散作用或其他物理過程而進行的吸收，是不需要消耗代謝能量的，故又稱非代謝性吸收。
�、� 簡單擴散：擴散作用是指氣體分子、溶劑分子、溶質分子從濃度高的部位向低濃度的部位均勻分布的趨向。當外界溶液的濃度大干細胞內部溶液濃度時，外界溶液中 的溶質便擴散進入細胞內，當細胞內外的濃度差大時，細胞大量吸收物質，但隨著濃度差變小，吸收也隨之減少，直至細胞內外濃度達到平衡為止。所以濃度差是決 定細胞靠擴散作用吸收物質的主要因素。
②杜南平衡：杜南平衡是一種特殊的積累離子的現象。杜南平衡的結果是膜兩側某離子的濃度不相等，但也達到了平衡。植物細胞的質膜是一種半透膜。細胞內含有許多帶電荷的不能擴散到細胞外的大分子化合物（如蛋白質，R－），成為不擴散離子，它們可以與陽離子形成鹽類（如蛋白質的鉀鹽，KR），設其濃度為Ci，把這樣的細胞放在濃度為C。的KCl溶液中，由于細胞內沒有Cl－，所以Cl－沿著濃度梯度由外界溶液擴散入細胞內，同時K＋也進入細胞內，以保持電中性。由于R－不能向細胞外擴散，使得細胞內的K＋被保留在細胞內。經過一段時間后，細胞內外離子擴散速度相等，達到平衡狀態(tài)，此時，細胞內可擴散負離子和正離子濃度的乘積等于細胞外正負離子濃度乘積。即：
[K＋]內×[Cl－]內＝[K＋]外×[Cl－]外
由于細胞內有部分可擴散正離子被不擴散的負離子吸引，所以擴散平衡時，細胞內K＋濃度大于細胞外K＋的濃度，呈現離子積累現象，此時細胞外Cl－的濃度大于細胞內Cl－濃度。這種離子積累不需要消耗能量。
�。�2）主動吸收
在 生物膜上，有一類專門運送物質的蛋白質大分子（稱運輸酶、或透過酶），能有選擇性的把膜外的物質透過膜送到膜內，也可把膜內物質運送到膜外。這種物質轉運 有兩個特點：①需要消耗呼吸作用所提供的能量，且被轉運的離子或分子數量與所消耗的能之間有一定的量的關系；②轉運的速度超過擴散的速度；當轉運達到最終 的穩(wěn)衡狀態(tài)時，膜兩側物質的濃度不相等。這種利用呼吸釋放的能量做功而逆著濃度梯度快速吸收離子的過程稱為細胞的主動吸收。凡是影響呼吸作用的因素，都會 影響細胞的主動吸收。
2．植物吸收礦質元素的特點
�。�1）離子的選擇吸收
植物從環(huán)境中吸收離子時是具有選擇性的，即吸收離子的數量不與環(huán)境溶液中離子濃度成正比。例如，池塘水中K＋的濃度較低，但生長在池中的麗藻液泡中積累的K＋濃度很高。海水中Na＋濃度很高，但生長在海水中的法囊藻液泡中Na＋濃度比較低。這種選擇性吸收不僅表現在對不同的鹽分吸收量不同，而且對同一鹽的陽離子和陰離子吸收量也不相同。例如，供給(NH4)2SO4時，根對NH4＋吸收多于SO42－，所以溶液中留有許多，使溶液的氫離子濃度增大，這種鹽稱為生理酸性鹽。大多銨鹽屬于這類鹽。相反，NaNO3和Ca(NO3)2屬生理堿性鹽。此外，還有一類化合物的陰離子和陽離子幾乎以同等速度被極吸收，對土壤溶液的酸堿性不產生影響，這類鹽稱為生理中性鹽，如NH4NO3。
�。�2）單鹽毒害和離子對抗
如果將植物培養(yǎng)在只含一種金屬離子的溶液中，即使這種離子是植物生長發(fā)育所必需的，如K＋，而且在培養(yǎng)液中的濃度很低，植物也不能正常生活，不久即受害而死。這種由于溶液中只含有一種金屬離子而對植物起毒害作用的現象稱為單鹽毒害。如果 在能引起毒害作用的溶液中加入另一種礦質離子，其對植物的毒害作用即能減弱或消失，這種離子間能夠相互消除毒害的現象稱為離子對抗。如在KCl溶液中加入少量的 Ca2＋，則K＋對植物就不產生毒害作用，即Ca2＋能對抗K＋。植物只有在含有適當比例的多種鹽的溶液中，才能很好的生長，因為這時各種離子的毒害作用已基本上被消除。也就是說，這種溶液既能保證植株有良好的充足的礦質營養(yǎng)，又對植物無毒害效應，這種溶液就稱為平衡溶液。相對來說，土壤溶液就是平衡溶液。
值得注意的是：并不是任何一種其他離子的存在都能對抗由于某一種離子而引起的毒害作用。如K＋、Na＋之間就不存在對抗作用，因為二者對原生質的影響是一致的。而Ca2＋與它們的作用正相反，故Ca2＋與K＋、Na＋可以產生拮抗。同樣Ba2＋不能對抗Ca2＋和Mg2＋，原理也在于此。
3．礦質元素在植物體內的運輸
根部吸收的礦質元素，有一部分留在根內，大部分運輸到植物體的其他部分。根部吸收的無機氮大部分在根內轉變?yōu)橛袡C氮化合物。氮的主要運輸形式是氨基酸（天冬氨酸）和酪氨（天冬酰氨和谷氨酰氨），還有少量以NO3－形式向上運輸。磷主要以H2PO4－或HPO42－形式運輸，也有少量磷在根部轉變?yōu)橛袡C磷向上運輸。硫的運輸形式主要是SO42－，也有少量硫以蛋氨酸或谷胱甘肽之類的有機硫形式運輸。金屬離子都以離子狀態(tài)運輸。
根部吸收的礦質元素進入導管后，沿木質部隨著蒸騰流向上運輸。葉片吸收的礦質元素在莖部主要是經韌皮部向上向下運輸，也可從韌皮部橫向運輸到木質部，再向上運輸。
有 些礦質元素進入植物體后形成難溶解的穩(wěn)定化合物，而被固定下來，不能移動，只能利用一次。最典型的元素是鈣，其次是鐵、錳等。這類元素在植物體內的分布特 點是器官越老含量越高。有些元素在植物體內可多次利用，即該類元素形成化合物后，又可被分解，運輸到其他需要的器官去。被再利用的元素中以氮、磷最為典 型。
（三）光合作用
光 合作用大致可分為下列三大步驟：第一步，光能的吸收、傳遞和轉換成電能的過程（通過原初反應完成）；第二步電能轉變?yōu)榛钴S的化學能過程（通過電子傳遞和光 合磷酸化完成）；第三步，活躍的化學能轉變?yōu)榉�(wěn)定的化學能過程（通過碳同化完成）。第一、二兩大步驟基本上屬于光反應，第三大步驟屬于暗反應（見下表）。
1．原初反應
原初反應包括光能的吸收、傳遞與轉換過程。
根據其功能來區(qū)分，葉綠體片層結構上的色素又可區(qū)別為兩種：一種是作用中心色素，少數特殊狀態(tài)的葉綠素a分子屬于此類，它具有光化學活性，既是光能的"捕捉器"，又是光能的"轉換器"（把光能轉換為電動勢）；另一種是聚光色素，沒有光化學活性，只有收集和傳遞光能的作用，能把光能聚集起來，傳到作用中心色素，絕大多數色素（包括大部分葉綠素a和全部葉綠素b、β-胡蘿卜素、葉黃素、藻紅蛋白和藻藍蛋白）都屬于聚光色素。
當波長范圍為400～700nm的 可見光照到綠色植物上時，聚光系統(tǒng)的色素分子吸收光量子被激發(fā)起來。由于葉綠體片層上的色素分子排列得很緊密，光能在色素分子間以誘導共振方式進行傳遞。 能量可以在相同色素分子之間傳遞，也可以在不同色素分子之間傳遞。能量傳遞的效率很高，速度很快，這樣就把大量的光能吸收、聚集，并迅速傳遞到作用中心色 素分子，以進行光反應，這個反應部位稱為作用中心。光合作用中心至少包括一個光能轉換色素分子（P）、一個原初電子受體（A）和一個原初電子供體（D），才能導致電荷分離，將光能轉換為電能，并且累積起來。作用中心色素分子一般用其對光線吸收高峰的波長作標志，例如P700代表光能吸收高峰在700的 色素分子。作用中心的原初電子受體是指直接接受作用中心色素分子傳來電子的物體。作用中心原初電子供體，是指以電子直接供給作用中心色素分子的物體。光合 作用的原初反應是連續(xù)不斷地進行的，因此必須有連續(xù)不斷的最終電子供體和最終電子受體，構成電子的"源"和"流"。高等植物最終的電子供體是水，最終的電 子受體是NADP＋。下圖表示光合作用的能量吸收、傳遞與轉換的關系。
光合作用原初反應的能量吸收、傳遞與轉換圖解
粗的波浪箭頭是光能的吸收，細的波浪箭頭是能量的傳遞，直線箭頭是電子傳遞。空心圓圈代表聚光性葉綠素分子，有黑點圓圈代表類胡蘿卜素等輔助色素。P是作用中心色素分子，D是原初電子供體，A是原初電子受體，e是電子
從圖中可以看出，聚光色素分子將光能吸收、傳遞至作用中心后，使作用中心色素（P）被激發(fā)而成為激發(fā)態(tài)，放出電子給原初電子受體（A），中心色素失去的電子可由原初電子供體（D）來補充，于是中心色素恢復原狀，而原初電子供體被氧化。這樣不斷地氧化還原，就把電子不斷地傳遞給原初電子受體，從而完成了光能轉換為電能的過程。
2．電子傳遞和光合磷酸化
作用中心色素分子被激發(fā)后，把電子傳遞給原初電子受體，轉為電能，再通過水的光解和光合磷酸化，經過一系列電子傳遞體的傳遞，最后形成ATP和NADPH＋H＋，從而將電能轉化為活躍的化學能，并把化學能貯藏于這兩種物質之中。
光合作用的光化學反應是由兩個光系統(tǒng)完成的。由于現代研究技術的進展，已經直接從葉綠體中分離出下列兩個光系統(tǒng)，即光系統(tǒng)Ⅰ（簡稱PSⅠ）和光系統(tǒng)Ⅱ（稱PSⅡ）。每個光系統(tǒng)均具有特殊的色素復合體及一些物質。光系統(tǒng)Ⅰ的顆粒較小，直徑為110埃，位于類囊體膜的外側；光系統(tǒng)Ⅱ的顆粒較大，直徑為175埃，位于類囊體膜的內側。PSⅠ的光反應是長波光反應，其主要特征是NADP＋的還原，其作用中心是P700。當PSI的作用中心色素分子P700吸收光能而被激發(fā)后，把電子供給 Fd（鐵氧還蛋白），在NADP還原酶的參與下，Fd把NADP＋還原成NADPH＋H＋。PSⅡ的光反應是短波光反應，其主要特征是水的光解和放氧。光系統(tǒng)Ⅱ的作用中心色素分子可能是P680，它吸收光能，把水分解，奪取水中的電子供給光系統(tǒng)Ⅰ。連接著兩個光系統(tǒng)的電子傳遞鏈，是由一系列互相銜接著的電子傳遞物質（光合鏈）組成的。光合鏈中的電子傳遞體是質體醌（PQ）、細胞色素b559、Cytf和質體藍素（PC）等。關于兩個光系統(tǒng)的光化學反應和電子傳遞，如圖下圖所示。
光合作用中的兩個光化學反應和電子傳遞
Z-原初電子供體 Q-未知因素 Fd-含鐵氧化還原蛋白（－0.43伏）
光合作用中，磷酸化和電子傳遞是偶聯(lián)的，在光反應的電子傳遞過程中能產生ATP，即葉綠體在光作用下把無機磷和ADP轉化成ATP，形成高能磷酸鍵，此稱為光合磷酸化。光合磷酸化又分為非循環(huán)式光合磷酸化和循環(huán)式光合磷酸化兩種類型。
光系統(tǒng)Ⅱ所產生的電子，即水光解釋放出的電子，經過一系列的傳遞，在細胞色素鏈上引起了ATP的形成。同時把電子傳遞到PSⅠ上去，進一步提高能位，使H＋還原 NADP＋成為NADPH＋H＋。在這個過程中，電子傳遞不回到原來的起點，是一個開放的通路，故稱非循環(huán)式光合磷酸化。其反應式為：
2ADP＋2Pi＋2NADP＋＋2H2O 2ATP＋2NADPH＋2H＋＋O2
光系統(tǒng)Ⅰ產生的電子經過鐵氧還蛋白和細胞色素b563等后，只引起ATP的形成，而不放氧，不伴隨其他反應。在這個過程中，電子經過一系列傳遞后降低了位能，最后經過質體藍素重新回到原來的起點，也就是電子的傳遞是一個閉合的回路，故稱為循環(huán)式光合磷酸化。其反應式為：
ADP＋Pi ATP
經過光反應后，由光能轉變來的電能暫時貯存在ATP和NADPH中。葉綠體用ATP和NADPH＋H＋，便可在暗反應中同化二氧化碳，形成碳水化合物。因此有人把ATP和NADPH＋H＋稱為還原力或同化力。還原1分子CO2，需要2個NADPH＋H＋和3個ATP，這3個ATP中有2個產生于非循環(huán)式光合磷酸化，還有1個產生于環(huán)式光合磷酸化。
3．碳的同化
從能量轉換角度來看，碳同化是將ATP和NADPH＋H＋中的活躍的化學能，轉換為貯存在碳水化合物中的穩(wěn)定化學能。光合作用中，由CO2到己糖的總反應式可表示如下：
6CO2＋18ATP＋12NADPH＋12H＋＋12H2O→6-磷酸果糖（已糖）＋18ADP＋12NADP＋＋17H3PO4
高等植物光合同化CO2的生化途徑有卡爾文循環(huán)、C4途徑和景天科酸代謝三種。其中以卡爾文循環(huán)最基本、最普遍，同時也只有這種途徑具備合成淀粉等產物的能力。其他兩種不夠普遍，而且只能起固定、轉運CO2的作用，單獨不能形成淀粉等產物，所固定的CO2在植物體內再次釋放出來，參與卡爾文循環(huán)。
�。�1）卡爾文循環(huán)：卡爾文循環(huán)是所有植物光合作用碳同化的基本途徑，它能形成碳水化合物并輸送到細胞質中。在這個循環(huán)中，由于大多數植物還原CO2的第一個產物是三碳化合物（如磷酸甘油酸），故又稱為C3途徑�？栁难h(huán)大致可分為核化、還原和再生三個階段。
�、亵然A段：1，5-二磷酸核酮糖十CO2→3-磷酸甘油酸
②還原階段：3-磷酸甘油酸→3-磷酸甘油醛
�、墼偕A段：3-磷酸甘油醛→6-磷酸果糖→5-磷酸核酮糖→1，5-二磷酸核酮糖（簡稱RuBP）
在此循環(huán)途徑中，首先是RuBP在核酮糖二磷酸羧化酶催化下與CO2結合，生成3-磷酸甘油酸；3-磷酸甘油酸經磷酸化和脫氫兩步反應，生成3-磷酸甘油醛；3-磷酸甘油醛分別經兩條途徑又重新回到RuBP，繼續(xù)進行CO2的固定、還原等一系列反應，使循環(huán)反復進行。
卡爾文循環(huán)的產物不是葡萄糖，而是三碳的丙糖，即3-磷酸甘油醛（簡寫為PGALd），再由2個PGALd化合而成葡萄糖。這一循環(huán)的總賬是：循環(huán)3次，固定3個CO2分子，生成6個PGALd，其中1個PGALd用來合成葡萄糖或其他糖類，這1個PGALd才是本循環(huán)的凈收入，其余5個PGALd則用來產生3個分子的RuBP以保證再循環(huán)。所以每產生1分子葡萄糖需要2個分子的PGALd，即需要完成6次循環(huán)。從能量的變化來計算：生產一個可用于細胞代謝和合成的PGALd，需要9個ATP分子和6個NADPH分子參與。即：
3RuBP＋3CO2 PGALd＋3RuBP
PGALd在葉綠體中不能積累，需通過一系列轉化形成淀粉，作為光合作用的產物，暫時貯存于葉綠體中，或輸出葉綠體，在細胞質中轉變?yōu)檎崽恰Ｒ话阋缘矸酆驼崽亲鳛楣夂献饔玫漠a物。
�。�2）C4途徑：有些起源于熱帶的植物，如甘蔗、玉米、高梁等，除了和其他植物一樣具有C3途徑外，還有一條固定CO2的途徑和C3途徑聯(lián)系在一起。這個途徑的CO2受體是磷酸烯酸式丙酮酸，在葉肉細胞質中，在磷酸烯酸式丙酮酸（簡寫為PEP）羧化酶的催化下，固定CO2而生成草酰乙酸。由于還原CO2的第一個產物草酰乙酸是四碳化合物，所以這個途徑叫C4途徑。具有C4途徑的這類植物叫C4植物。
C4植物葉片的結構很獨特，含有2種不同類型的光合細胞，各具不同的葉綠體。圍繞著維管束鞘細胞周圍的排列整齊致密的葉肉細胞中的葉綠體，具有發(fā)達的基粒構造，而維管束鞘細胞的葉綠體中卻只有很少的基粒，而有很多大的卵形淀粉粒。
在C3植物中，CO2是在葉肉細胞中通過卡爾文循環(huán)而被固定還原的。在C4植物的葉肉細胞中，CO2的接受體不是C3途徑的RuBP，而是PEP。催化這一反應的酶是PEP羧化酶。CO2被固定后，不是生成三碳的磷酸甘油酸（簡寫成PGA），而是生成四碳的雙羧酸，即草酸乙酸，草酸乙酸再被NADPH還原而成蘋果酸。蘋果酸離開葉肉細胞，進入維管束鞘細胞中，脫羧放出CO2，而成為丙酮酸。丙酮酸再回到葉肉細胞中，被轉變?yōu)镻EP，繼續(xù)固定CO2。而蘋果酸脫羧產生的CO2，在維管束鞘細胞中仍為RuBP所固定，而進入卡爾文循環(huán)。C4植物既有C4途徑又有C3途徑，這2個途徑的關系如下圖所示。
C4植物中的C4途徑與C3途徑的關系
在C4植物中，CO2在葉肉細胞中先按照C4途徑被固定，然后在維管束鞘細胞中仍舊是通過卡爾文循環(huán)而被還原。由于在C4植物的C4途徑中，PEP羧化酶對CO2的親和力極強，甚至當CO2濃度降低時，也能固定CO2。所以C4途徑是在 CO2濃度低時獲取CO2的一種途徑。生活在高強光和熱帶地區(qū)的多種植物，氣孔經常是關閉的，這樣可防止水分的過度散失，但同時也導致體內CO2濃度的降低。C4途徑的存在，使CO2不致成為光合作用的限制因子，從而提高了光合效率。這通常是C4植物的生產效率明顯高于C3植物的重要原因之一。C3植物生產效率較低的另一個原因是它們具有較強過程的光呼吸。
4．光呼吸
光呼吸是指綠色植物只在光照條件下才能吸收氧氣，放出CO2的過程。光呼吸和一般生活細胞的呼吸作用（通過線粒體釋放CO2的呼吸作用）顯著不同，它是在光刺激下綠色細胞釋放CO2的現象。光呼吸的高低。是指植物在光合作用下釋放CO2的多少，這樣釋放的CO2，實際上是植物在光合作用過程中同化的CO2，它往往將光合作用已固定的20％～ 40％的碳變成CO2再釋放出來。顯然這是一個消耗過程，對積累光合產物很不利。
光呼吸的底物是乙醇酸。乙醇酸來自葉綠體，葉綠體中的RuBP羧化酶既是羧化酶，催化CO2與RuBP結合，又是加氧酶，催化O2與RuBP結合。在CO2分壓低、氧分壓高時，這個酶催化O2與RuBP結合而生成三碳的3-PGA和二碳的2-磷酸乙醇酸。2-磷酸乙醇酸水解而成乙醇酸和無機磷酸。乙醇酸進入過氧化物體，在這里被氧化，其產物進入線粒體，在這里釋放出CO2，這就是光呼吸的全過程。
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呼吸作用為生物體進行生命活動提供能量，任何活的細胞都在不停地進行著呼吸作用，呼吸作用的停止就意味著細胞的死亡。呼吸作用分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種類型。
1．有氧呼吸的全過程
細胞有氧呼吸的全過程可分為以下三個步驟：
糖酵解：將一分子葡萄糖分解為兩分子丙酮酸，并且發(fā)生氧化（脫氫）和生成少量ATP。
三羧酸循環(huán)：丙酮酸徹底分解為CO2和氫（這個氫被傳遞氫的輔酶攜帶著），同時生成少量的ATP。
氧化磷酸化：氫（氫離子和電子）被傳遞給氧以生成水，并且放出大部分的能量，以生成ATP。
�。�1）糖酵解
糖酵解是葡萄糖氧化的第一階段。包括一系列反應，都是在細胞質中發(fā)生的，不需要氧，每一步反應都有特定的酶催化。
糖酵解的全過程，主要包括以下步驟：
①葡萄糖磷酸化：葡萄糖氧化是放能反應，但葡萄糖是比較穩(wěn)定的化合物，如果要使它氧化放出能量來，必須先給予活化能來推動這個反應，使葡萄糖從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榛钴S狀態(tài)。這個活化能是由ATP提供的。一個ATP的磷酸通過己糖激酶的催化反應而連到葡萄糖分子的6位碳上，使葡萄糖成為葡萄糖-6-磷酸，這一反應是放能反應，一個ATP放出一個高能磷酸鍵，大約釋放出30.5kJ自由能，其中大部分變?yōu)闊岫⑹В〔糠钟糜谑沽姿崤c葡萄糖結合，由于葡萄糖中的磷酸鍵不是高能的，所以寫成直線。
�、谄咸烟�-6-磷酸經異構酶的催化而變?yōu)樗漠悩嬻w果糖-6-磷酸，然后又有一個ATP分解，一個磷酸根連到1位C上，成為果糖一1，6-二磷酸。這一反應是通過磷酸果糖激酶的催化而實現的。
反應至此，消耗了2個ATP分子，經過一系列酶的催化一個葡萄糖分子形成一個果糖一1，6-二磷酸分子。
�、廴┛s酶催化果糖一1，6-二磷酸裂解，產生2個分子的三碳化合物，它們分別是磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛（PGALd），以參加進一步的代謝。
以上從一個分子葡萄糖轉化為2分子的PGALd，是糖酵解的第一階段。這一階段不但沒有產生ATP，反而從細胞貯備中消耗了2個ATP。
④PGALd的氧化和磷酸化，生成1，3-二磷酸甘油酸。2個PGALd氧化，脫下2個已同時放出能（－43.1kJ），H由輔酶NAD＋（電子受體）接受而成為還原態(tài)的NADH＋H＋；產生的一部分能則貯存于高能磷酸鍵中，即PGALd分子從細胞質基質的無機磷酸鹽（Pi）中吸收一個磷酸，生成1，3-二磷酸甘油酸（DPGA）。由于這一分子中新形成的鍵是高能的，所以用曲線表示。
⑤DPGA的高能磷酸鍵轉移至ADP，產生ATP和3-磷酸甘油酸，這一反應稱為底物水平的磷酸化，以示與氧化磷酸化的區(qū)別。至此，細胞從一個分子的葡萄糖獲得了2個ATP，同時有2個NAD＋還原為2個NADH＋H＋。
�、�3-磷酸甘油酸經2-磷酸甘油酸轉化為磷酸烯醇式丙酮酸，它的磷酸鍵吸收了自由能而變成了高能鍵，在丙酮酸激酶的催化下，發(fā)生第二次底物水平的磷酸化，又生成2個ATP和2個丙酮酸。
以上是糖酵解的第二階段，這一階段共產生了4個ATP。
糖酵解過程的總賬是：一分子的葡萄糖分解為2個分子的丙酮酸，NAD＋被還原，產生了2個 NADH＋H＋�？偡磻獮椋�
葡萄糖＋2ADP＋2Pi＋2NAD＋→2丙酮酸＋2ATP＋2NADH＋2H＋＋2H2O
在葡萄糖到丙酮酸的整個過程中，能位是逐步下降的，但只有上述兩個反應的能位下降較大，足以生成ATP。其他反應則只有微小的下降，還不足以生成ATP。
葡萄糖經過精酵解過程只放出了不足l/4的化學能，大部分能量還保存在2個丙酮酸分子和2個NADH中。糖酵解發(fā)生在胞質中，而丙酮酸的繼續(xù)氧化包括三羧酸循環(huán)和電子傳遞兩個過程，則是在線粒體中進行的。丙酮酸在進入三羧酸循環(huán)之前，先要氧化脫羧，與輔酶A結合成為活化的乙酸輔酶A（簡寫為乙酸CoA）。這一過程除釋放出1分子CO2外（這是細胞呼吸最早釋放出來的CO2），同時還發(fā)生NAD＋的還原。氧化脫羧實際上就是脫氫脫羧過程。丙酮酸的氧化脫羧是在線粒體基質中進行的，所產生的乙酸CoA即進入三羧酸循環(huán)（或稱檸檬酸循環(huán)），三羧酸循環(huán)也發(fā)生在線粒體基質中。
�。�2）檸檬酸循環(huán)
檸檬酸循環(huán)的得名是由于在這個循環(huán)中有一個關鍵的中間代謝物，即檸檬酸。檸檬酸是一種三羧酸，所以這一循環(huán)又稱為三羧酸循環(huán)（簡稱為TCA循環(huán)）。
檸檬酸循環(huán)途徑中的酶，除琥珀酸脫氫酶定位于線粒體內膜之外，其余均存在于線粒體基質中。檸檬酸循環(huán)的全過程分述如下：
檸檬酸循環(huán)的第一步是每個二碳的乙酰CoA分子和一個四碳的草酰乙酸分子結合，生成六碳的檸檬酸：
乙酸CoA＋草酰乙酸→檸檬酸＋CoA
檸檬酸繼續(xù)氧化，逐步脫去2個羧基，生成四碳化合物，最后又形成四碳的草酰乙酸，再與乙酰CoA結合，開始另一次循環(huán)。在這一全過程中，丙酮酸的3個碳在轉變?yōu)橐阴oA時脫去一個，在檸檬酸循環(huán)中脫去2個。這3個碳原子氧化的結果生成3個分子CO2，這樣葡萄糖中的碳就被完全氧化了。
TCA過程中發(fā)生的主要事件的順序為：
�、� 乙酰CoA與草酰乙酸結合，生成六碳的檸檬酸，釋放CoA。
�、� 檸檬酸分子不能進行脫氫反應，它先失去一個H2O而成為順烏頭酸，再結合一個 H2O轉變?yōu)楫悪幟仕帷?/p>
③ 異檸檬酸同時進行脫氫和脫數反應，生成五碳的α-酮戊二酸，放出一個CO2，同時一個NAD＋還原為NADH＋H＋。
�、� a-酮戊二酸也同時進行脫氫和脫羧反應，并和CoA結合，生成含有一個高能硫鍵的四碳化合物，即琥珀酸CoA，同時釋放出一個CO2，并且將NAD＋還原為NADH＋H＋。故這一反應與丙酮酸的脫氫脫羧反應相同，也是有CoA參與的。
�、� 琥珀酰CoA脫去CoA和高能硫鍵而成為琥珀酸，放出的能量則轉入高能磷酸鍵中，即生成三磷酸鳥苷（GTP），GTP再將高能磷酸轉入ADP產生ATP。這也是底物水平磷酸化的過程。
�、� 琥珀酸脫氫生成延胡索酸。催化這一反應的琥珀酸脫氫酶定位于線粒體內膜上，其輔酶是FAD，而不是NAD＋，所以在這里是FAD接受氫而生成FADH2。
�、� 延胡索酸和水化合而成蘋果酸。
�、� 蘋果酸氧化脫氫，生成草酰乙酸，亦即草酰乙酸再生，可重新與新的乙酸CoA分子結合，開始新一輪循環(huán)。在這一反應過程中，一個NAD＋還原為NADH＋H＋。
檸檬酸進行一次循環(huán)，投入的原料是二碳的乙酸酰CoA，并釋放2分子CO2，8個氫（8個質子和8個電子），其中4個來自乙酰CoA，另4個來自加入的水分子。這些氫被傳遞到電子受體上，生成3分子NADH＋H＋和1分子FADH2。此外，檸檬酸循環(huán)中還生成了1分子ATP，這也屬于底物水平的磷酸化。由于一個葡萄糖分子產生2個乙酰CoA，所以一個葡萄糖分子在檸檬酸循環(huán)中共產生4個CO2分子6個NADH＋H＋分子個FADH2分子和2個ATP分子。
�。�3）電子傳遞系統(tǒng)和氧化磷酸化
葡萄糖經過糖酵解和檸檬酸循環(huán)而全部被氧化，氧化所產生的能量一部分儲存在ATP中，一部分還保留在NADH和FADH2中。NADH＋H＋和FADH2中的能量如何釋放出來而轉移給ATP呢？這是靠包括分子氧在內的電子傳遞系統(tǒng)或電子傳遞鏈來完成的。
電子傳遞鏈就是存在于線粒體內膜上的一系列電子傳遞體，如FMN、CoQ和各種細胞色素等。分子氧是電子傳遞鏈中最后的電子受體。糖酵解和檸檬酸循環(huán)產生的NADH＋H＋和FADH2中的電子和H＋，沿著電子傳遞鏈上各電子傳遞體順序地傳遞，最后到達分子氧。在這一過程中，所釋放的能量就通過磷酸化而被儲存到ATP中。所以這里的ATP的形成是發(fā)生在線粒體內膜上。這里發(fā)生的磷酸化作用是和氧化過程的電子傳遞緊密相關的，所以和底物水平磷酸化不同，稱為氧化磷酸化。關于氧化磷酸化的機制，目前公認的是化學滲透學說。該學說是英國人P．Mitchell經過大量實驗后于1961年首先提出的，其主要論點是認為呼吸鏈存在于線粒體內膜之上，當氧化進行時，呼吸鏈起質子泵作用，質子被泵出線粒體內膜之外側（膜間隙），造成了膜內外兩側間跨膜的電化學勢差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP與Pi合成ATP。每2個質子順著電化學梯度，從膜間隙進入線粒體基質中所放出的能量可合成一個ATP分子。一個NADH＋H＋分子經過電子傳遞鏈后，可積累6個質子，因而共可生成3個ATP分子；而一個 FADH2分子經過電子傳遞鏈后，只積累4個質子，因而只可以生成2個ATP分子。一個葡萄糖分子經過有氧呼吸的全過程，總共能生成的ATP分子數統(tǒng)計如下：
糖酵解：①底物水平的磷酸化…………………………………4個ATP（細胞質基質）
②已糖分子活化消耗…………………………………2個ATP（細胞質基質）
�、郛a生2分子NADH＋H＋，經過電子傳遞生成……4個或6個ATP（線粒體）
凈積累………………………………………………6或 8個ATP
丙酮酸氧化脫羧：產生2分子NADH＋H＋（線粒體），可生成………………6個ATP
檸檬酸循環(huán)：①底物水平磷酸化（線粒體）…………………………………2個ATP
�、诋a生6個NADH＋H＋（線粒體），可生成…………………18個ATP
�、郛a生2分子FADH2（線粒體），可生成……………………4個ATP
總計生成…………………………………………………36或38個ATP
在糖酵解過程中產生的2分子NADH＋H＋為什么有時生成4個ATP，有時又生成6個ATP呢？這是因為：糖酵解是在細胞質基質中進行的，在真核生物中，細胞質基質中的NADH＋H＋不能通過正常的線粒體內膜，線粒體外的NADH＋H＋可將其所帶的H轉交給某種能透過線粒體膜的化合物，進入線粒體內以后再氧化。胞質中的NADH＋H＋是通過下列兩種穿梭運送的系統(tǒng)而到達線粒體基質，然后再通過線粒體內膜上的呼吸鏈進行氧化的。
�、� 磷酸甘油穿梭系統(tǒng)：胞質中含有以NADH＋H＋為輔酶的磷酸甘油脫氫酶可以將磷酸二羥丙酮還原為磷酸甘油，后者可以擴散到線粒體基質內。線粒體基質內，則有另一種含有FAD的α-磷酸甘油脫氫酶，它可催化進入的1-磷酸甘油脫氫，形成FADH2。于是胞質內的NADH＋H＋便間接地形成了線粒體基質內的FADH2，后者通過呼吸鏈產生ATP，每1分子FADH2可產生2分子ATP。這種穿梭作用主要存在于肌肉、神經組織中。所以葡萄糖在這些組織中徹底氧化所產生的ATP比其他組織中要少2個，即產生36個ATP。
�、� 蘋果酸-草酰乙酸穿梭系統(tǒng)：胞質中含有蘋果酸脫氫酶，可催化草酰乙酸還原為蘋果酸，后者可以進入線粒體基質。線粒體基質內則有另一種蘋果酸脫氫酶，可催化進入的蘋果酸脫氫形成草酰乙酸和NADH＋H＋，于是胞質內的NADH＋H＋上的H便間接地被轉運進入線粒體基質中。草酰乙酸則通過基質和胞質均含有的谷-草轉氨酶的作用，從基質返回胞質中。每1分子NADH進入線粒體內膜的呼吸鏈氧化可產生3分子ATP。在心臟、肝、腎等細胞中，胞質中的NADH＋H＋屬于此種穿梭。所以1分子葡萄糖在這些組織中徹底氧化所產生的ATP分子數為38個。
2．無氧呼吸的過程
（1）酒精發(fā)酵：酵母菌和其他一些生物，甚至一些高等植物，在缺氧條件下，都以酒精發(fā)酵的形式進行無氧吸吸。這一過程簡單地說就是葡萄糖經糖酵解而成為丙酮酸，丙酮酸脫羧放出CO2而生成乙醛，乙醛被NADH＋H＋而還原成酒精（見下圖）。
�。�2）乳酸發(fā)酵：是某些微生物，如乳酸菌的無氧吸吸過程。高等動物有乳酸發(fā)酵過程。人在激烈運動時，氧一時供應不足，葡萄糖酵解產生的部分丙酮酸不能氧化脫羧，因而不能進入三羧酸循環(huán)，這時丙酮酸就進入乳酸發(fā)酵途徑（見下圖）。
乳酸菌可以使牛奶發(fā)酵制成奶酪和酸牛奶。泡菜、酸菜、青貯飼料能夠較長時間地保存，也都是利用乳酸發(fā)酵積累的乳酸，抑制了其他微生物活動的緣故。
糖酵解是厭氧過程，但不是專性的，在有氧及無氧條件下均能進行。在正常的有氧條件下，通過糖酵解形成的丙酮酸進入線粒體的基質中被完全氧化，形成的NADH＋H＋通過兩種穿梭系統(tǒng)進入線粒體內膜的呼吸鏈被氧化。在缺氧條件下，NADH＋H＋不能進入呼吸鏈。要保持糖酵解繼續(xù)進行，NADH＋H＋必需再氧化。這時丙酮酸在細胞質基質中脫羧形成乙醛，乙醛在乙醛脫氫酶作用下，以 NADH＋H＋作為還原劑形成乙醇，或是丙酮酸在乳酸脫氫酶作用下，直接被NADH＋H＋還原為乳酸，從而使NADH＋H＋氧化為NAD＋，再接受糖酵解過程脫下的氫。故1分子葡萄糖無論是進行了酒精發(fā)酵還是乳酸發(fā)酵，均只產生2分子ATP。
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1．春化作用
低 溫對植物成花的促進作用稱為春化作用。某些植物在其個體發(fā)育的某一個時期對低溫有特殊要求，只有經低溫的處理后，才能形成花芽。如冬小麥一般在秋季播種， 冬前經歷一段營養(yǎng)生長，經受低溫后，于第二年夏初開花結實。冬小麥春播不抽穗，是因為未能滿足它對低溫的要求。如將萌動的種子放在0～5℃的低溫中，經過30～50天，就可以春播而正常開花結實。一年生的冬性禾谷類作物、二年生的植物如甜菜、蘿卜和大白菜以及某些多年生草本植物如牧草，都有春化現象。春化過程中感受低溫的部位是芽內的分生組織，其作用只能隨著細胞的分裂傳遞給子細胞。
2．植物的光周期誘導
�。�1）植物感受光周期的部位和時期
試驗證明，植物感受光周期刺激的部位是葉片而不是生長點。如將短日植物菊花做如下處理：a．葉片在短日照下，生長點處在長日照；b．葉片進行長日照處理，生長點處在短日照下。結果a處理開了花，而b處理不開花。對光周期反應敏感的植物，如蒼耳，只要有一片葉子、甚至半片葉子獲得所需要的光周期即能使植物開花。蘿卜、日本牽牛也如此。
植物對光周期的反應與葉齡有關，一般講子葉無感光能力，幼嫩葉片的感受能力很小，充分展開的成熟葉片感受能力最強，老葉也失去感受能力。不同植物開始對光周期表現敏感的年齡也不同，如大豆、日本牽牛是在子葉伸展期，水稻在5～7葉時期，紅麻則在6葉期。
�。�2）光周期中光與黑暗的意義
許多試驗證明，對于短日照植物，在光周期中真正起誘導作用的是一定長度的黑暗，只要暗期達到臨界夜長，不管先期的長短，短日植物均能開花。（如下圖所示）
長日和短日或長夜或短夜影響蒼耳開花的圖解
對 于長日植物來講，只要暗期不超過臨界夜長，無論光期的長短，也都可使之開花�？梢赃@樣講，在光周期誘導中實際上是長夜誘導短日植物開花，抑制長日植物開 花。對于植物的開花來講，暗期比光照更重要。短日植物在超過一定的暗期長度時開花，長日植物則是在短于一定的暗期長度時開花。這也可由閃光實驗得到證實 （如下圖所示）。
長日照的暗間斷和長夜的光間斷對長日植物和短日植物影響的圖解
以上實驗證明，用閃光中斷長夜，盡管暗期的長度不變，卻使長日植物開了花，而短日植物的開花受到了抑制；用黑暗中斷長日，盡管光期變短，但卻仍然是長日植物開花，短日植物不開花。充分說明了一定長度的連續(xù)暗期在花誘導中的重要性。
�。�3）光敏色素在成花中的作用
植物體中有一種光敏色素。這種色素在植物體內以兩種狀態(tài)存在，一種是吸收紅光的狀態(tài)（Pr），吸收峰為660nm；另一種是吸收遠紅光的狀態(tài)（Pfr），吸收峰為730nm。Pr吸收紅光后則轉變成Pfr，而Pfr吸收遠紅光后則轉變成Pr。Pfr是具有生理活性的形式。當Pfr與某些物質形成復合物后，則引起成花刺激物的合成。所以光敏色素在成花反應中的作用在于感受光，并誘導成花刺激物的形成。
光敏色素除了作為誘導植物開花的光受體外，還在許多光調節(jié)過程如需光種子萌發(fā)和光形態(tài)建成反應中起光受體作用。
【競賽訓練題】
（一）選擇題
1．已知洋蔥表皮細胞ψw＝－10巴，置于哪種溶液中會出現質壁分離現象
A －10巴NaCl溶液 B －9巴甘油溶液
C －8巴葡萄糖溶液 D －15巴蔗糖溶液
2．吐水是由于高溫高濕環(huán)境下
A 蒸騰拉力引起的 B 根系生理活動的結果
C 土壤中水分太多的緣故 D 空氣中水分太多的緣故
3．把植物組織放在高滲溶液中，植物組織是
A 吸水 B 失水 C 水分動態(tài)平衡 D 水分不動
4．水分沿導管或管胞上升的主要動力是
A 吐水 B 內聚力 C 蒸騰拉力 D 根壓
5．永久萎蔫的引起是因為
A 土壤水分含量過低 B 土壤水勢過低
C 土壤鹽堿 D 土壤結冰
6．如果細胞外液的水勢高于植物細胞的水勢，這種溶液稱為
A 等滲溶液 B 高滲溶液 C 平衡溶液 D 低滲溶液
7．小麥的第一個水分臨界期，嚴格來說，就是
A 拔節(jié)期 B 分蘗期 C 幼穗分化期 D 孕穗期
8．水分在根及葉的活細胞間傳導的方向決定于
A 細胞液的濃度 B 相鄰細胞的滲透勢梯度
C 相鄰活細胞的水勢梯度 D 活細胞水勢的高低
9．在氣孔張開時，水蒸氣分子通過氣孔的擴散速度是
A 與氣孔面積成正比 B 與氣孔周長成正比
C 與氣孔面積無關，與氣孔周長有關
D 不決定于氣孔周長，而決定于氣孔大小
10．當細胞在0.25mol／L蔗糖溶液中吸水達動態(tài)平衡時，將該細胞置于純水中，將會
A 吸水 B 不吸水 C 失水 D 不失水
11．下列實驗條件下，在植物的較幼嫩部分缺素癥首先表現出來的是
A 鈣虧缺 B 氮虧缺 C 磷虧缺 D 鉀虧缺
12．根部吸收的礦質元素，通過什么部位向上運輸
A 木質部 B 韌皮部
C 木質部同時橫向運輸至韌皮部 D 韌皮部同時橫向運輸至木質部
13．植物體內大部分的氨通過哪種酶催化而同化？
A 谷氨酸脫氨酶 B 谷氨酰胺合成酶
C 轉氨酶 D 氨甲酰磷酸合成酶
14．植物根系對Cl－和NO3－的吸收，兩者之間是
A 相互對抗 B 相互促進
C 存在著競爭性抑制 D 不存在競爭性抑制
15．缺硫時會產生缺綠癥，表現為
A 葉脈間缺綠以至壞死 B 葉缺綠不壞死
C 葉肉缺綠 D 葉脈保持綠色
16．可引起活細胞失水并產生質壁分離的溶液是
A 高滲溶液 B 中滲溶液 C 低滲溶液 D 等滲溶液
17．光合產物主要以什么形式運出葉綠體
A 丙酮酸 B 磷酸丙糖 C 蔗糖 D G-6-P
18．葉綠體中所含的脂除葉綠體色素外主要是
A 真脂 B 磷脂 C 糖脂 D 硫脂
19．將葉綠素提取液放到直射光下，則可觀察到
A 反射光為綠色，透射光是紅色 B 反射光是紅色，透射光是綠色
C 反射光和透射光都是紅色 D 反射光和透射光都是綠色
20．對植物進行暗處理的暗室內，安裝的安全燈最好是選用
A 紅光燈 B 綠光燈 C 白熾燈 D 黃色燈
21．在光合環(huán)運轉正常后，突然降低環(huán)境中的CO2濃度，則光合環(huán)的中間產物含量會發(fā)生哪種瞬時變化？
A RuBP量突然升高而PGA量突然降低
B PGA量突然升高而RuBP量突然降低
C RuBP、PGA均突然升高 D RuBP、PGA的量均突然降低
22．光合作用中蔗糖的形成部位
A 葉綠體間質 B 葉綠體類囊體 C 細胞質 D 葉綠體膜
23．維持植物正常生長所需的最低日光強度
A 等于光補償點 B 大于光補償點
C 小于光補償點 D 與日光強度無關
24．類胡蘿卜素屬于萜類化合物中的
A 倍半萜 B 三萜 C 雙萜 D 四萜
25．Hill反應的表達方式是
A CO2＋2H2O* (CH2O)＋H2O＋O2*
B CO2＋2H2A (CH2O) ＋A2＋H2O
C ADP＋P ATP＋H2O
D 2H2O＋2A 2AH2＋O2
26．光強度增加，光合作用速率不再增加時，外界的光強度為
A 光補償點 B CO2飽和點 C CO2補償點 D 光飽和點
27．抗氰呼吸受下列哪種抑制劑抑制
A 抗霉素A B 安密妥、魚藤酮 C CO D KCN、CO
28．通常酚氧化酶與所氧化的底物分開，酚氧化酶氧化的底物貯存在
A 液泡 B 葉綠體 C 線粒體 D 過氧化體
29．植物抗氰呼吸的P／O比值是
A 1 / 2 B 1 C 3 D 3
30．在呼吸作用的末端氧化酶中，與氧氣親和力最強的是
A 抗壞血酸化酶 B 多酚氧化酶
C 細胞色素氧化酶 D 交替氧化酶
31．水稻幼苗之所以能夠適應淹水低氧條件，是因為低氧時下列末端氧化酶活性加強的緣故
A 抗霉素A B 安密妥 C 酚氧化酶 D 交替氧化酶
32．植物呼吸過程中的氧化酶對溫度反應不同，柑橘果實成熟時，氣溫降低，則以下列哪種氧化酶為主
A 細胞色素氧化酶 B 多酚氧化酶 C 黃酶 D 交替氧化酶
33．呼吸躍變型果實在成熟過程中，抗氰呼吸加強，與下列哪種物質密切相關
A 酚類化合物 B 糖類化合物 C 赤霉素 D 乙烯
34．氨基酸作為呼吸底物時呼吸商是
A 大于1 B 等于1 C 小于1 D 不一定
35．當植物組織從有氧條件下轉放到無氧條件下，糖酵解速度加快，是由于
A 檸檬酸和ATP合成減少 B ADP和Pi減少
C NADH＋H＋合成減少 D 葡萄糖-6-磷酸減少
36．IAA氧化酶有兩個輔基，它們是
A Mg、Mn B Zn、酚 C Mn、單元酚 D Mg、單元酚
37．生長素促進生長的效應可被放線菌素D抑制，說明其作用機理涉及
A DNA合成過程 B RNA合成過程
C DNA合成和RNA合成 D 蛋白質合成過程
38．對IAA最敏感的植物器官是
A 芽 B 葉 C 根 D 莖
39．果實催熟可選用下列激素中的
A GA B KT C 乙烯 D ABA
40．生長素類的主要功能是
A 誘導器官分化 B 加速細胞生長 C 促進衰老 D 加速成熟
41．赤霉素對植物細胞的生理作用是
A 促進細胞伸長 B 促進細胞分化
C 只促進細胞分裂 D 促進細胞分裂和分化
42．在IAA濃度相同條件下，低濃度蔗糖可以誘導維管束分化，有利于
A 韌皮部分化 B 木質部分化
C 韌皮部和木質部都分化 D 韌皮部、木質部都不分化
43．GA合成的前體是
A 類胡蘿卜素 B 1-氨基環(huán)丙烷-1-羧基 C 色氨酸 D 甲羥戊酸
44．葉子的脫落和葉柄離層的遠軸端和近軸瑞生長素的相對含量有關，下列哪種情況將使葉子不脫落？
A 遠軸端生長素濃度等于近軸端濃度 B 遠軸端生長素濃度小于近軸端濃度
C 遠軸端生長素濃度大于近軸端濃度
45．提高植物根冠比的肥水措施是
A 多施氮肥多澆水 B 多施氮肥少澆水
C 多施氮肥、鉀肥 D 多施磷肥、控水
46．植物正常生長需要
A 晝夜溫度都高 B 較高日溫較低夜溫
C 較低日溫較高夜溫 D 晝夜都是25℃
47．將北方的冬小麥引種至廣東栽培，結果不能抽穗結實，這是因為
A 氣溫高 B 日照長 C 雨水多 D 光照強
48．利用暗期間斷抑制短日植物開花，下列哪種光最有效？
A 紅光 B 藍紫光 C 遠紅光 D 綠光
49．假如要使菊花提前到"五一"節(jié)開花，可對正常生長的菊花作如下哪種處理？
A 高溫處理 B 低溫處理 C 長日照處理 D 短日照處理
50．Pfr對光譜的吸收峰是
A 660nm B 685nm C 652nm D 725nm
51．冬小麥需要經過下列哪項條件，才能通過春化作用
A 高溫 B 低溫 C 長日照 D 短日照
52．在自然條件下，光周期所需要的光照強度是
A 低于光合作用所需要的光照強度
B 大于光合作用所需要的光照強度
C 等于光合作用所需要的光照強度
D 不需要考慮光照強度
53．果實成熟時由硬變軟的主要原因是
A 單寧分解 B 有機酸轉變?yōu)樘?/p>
C 淀粉轉變成可溶性糖 D 果膠質轉變?yōu)榭扇苄怨z
54．植物進入休眠后，體內哪種物質含量增高
A 生長素 B 乙烯 C 赤霉素 D 脫落酸
55．秋天路燈下的法國梧桐落葉較晚是因為
A 路燈下的法國梧桐光合作用時間延長，葉中積累了較多的糖
B 由于路燈散發(fā)的熱使空氣溫度升高
C 由于路燈下光照時間延長，延遲了葉內誘導休眠物質的形成
D 由于路燈的光延長了葉片的生長期
56．植物受到SO2污染后，其體內會出現植物激素增加的現象，這種激素是
A ABA B IAA C 乙烯 D GA
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57．一個細胞的ψw＝－8巴，在初始質壁分離時的ψs＝－16巴，設該細胞在初始質壁分離時比原來體積縮小4％，計算其原來的ψs和ψp各是多少巴？
58．寫出下列生理過程所進行的部位：
（1）光合磷酸化： 。
�。�2）HMP途徑： 。
�。�3）C4植物的C3途徑： 。
59．根據葉綠體色素的有關知識回答下列問題：
�。�1）葉綠素與類胡蘿卜素的比值一般是 ，葉綠素a / b的比值是：C3植物為 ，C4植物為 ；而葉黃素 / 胡蘿卜素為 。
�。�2）陰生植物的葉綠素a／b比值，比陽生植物 ，高山植物的葉綠素a / b比值比平原地區(qū)植物 ，同一植物在強光條件下，其葉綠素a / b比值比弱光條件下的 ，同一葉片隨著葉齡的增加，叫綠素a／b比值亦隨之 。
60．解釋下列現象：（1）天南星種植物的佛焰花序放熱很多，其原因是它進行
的結果。（2）在制綠茶時要立即殺青，這是為防止 ，避免 產生。
61．指出兩種參與下列生理過程調節(jié)的主要激素，而且它們之間的作用是相互對抗的。
（1）頂端優(yōu)勢： ， 。
�。�2）黃瓜性別分化： ， 。
62．回答下列問題：
�。�1）春化作用的感受部位是 ，而光周期感受部位是 。
（2）要使冬小麥春播仍能開花結實，需要進行 處理；要使菊花提前到"五· 一"節(jié)開花，可進行 處理。
�。�3）將原產北方（高緯度）的植物移到南方（低緯度），植物將 開花，而將南方植物移到北方時，植物將 。
63．保衛(wèi)細胞在光照下，pH ，淀粉磷酸化酶 ，這樣細胞中水勢 ，水分 ，結果氣孔 。
64．下列說法是否正確，請予判斷：
�。�1）1mol／L蔗糖溶液與1mol／LNaCl溶液的滲透勢是相同的。
�。�2）落葉喬木在春天芽剛萌動時，主要依靠根壓吸收水分。
�。�3）葉綠素的螢光波長往往要比吸收光的波長要長。
（4）高產植物都是低光呼吸植物，而低光呼吸植物也是高產植物。
65．右圖是簡化了的光反應圖解，據圖回答下列問題：
�。�1）指出右圖中A～D物質的名稱：
A． B． C． D．
（2）電子的最終供體是 ，電子最終受體是 。
�。�3）進行光化學反應的場所是圖中的 。
�。�4）E過程稱為 。
�。�5）D物質的重要特點是 。
�。�6）從能量角度看光反應的實質是 。
66．將某一綠色植物置于密閉的玻璃容器中，在一定條件下不給光照，CO2的含量每小時增加8mg；如給予充足的光照后，容器內CO2的含量每小時減少36mg，據實驗測定上述光照條件下光合作用每小時能產生葡萄糖30mg。請回答：
（1）上述條件下，比較光照時呼吸作用的強度與黑暗時呼吸作用強度是 。
�。�2）在光照時該植物每小時葡萄糖的凈生產量是 。
�。�3）若一晝夜中先光照4小時，接著處置在黑暗的情況下20小時，該植物體內有機物含量的變化是 。
【參考答案】
�。ǎ┻x擇題
1 D 2 B 3 B 4 C 5 A 6 D 7 D 8 C 9 B 10 A 11 A 12 A 13 B 14 D 15 B 16 A 17 B 18 C 19 B 20 B 21 A 22 C 23 B 24 D 25 D 26 D 27 B 28 A 29 B 30 C 31 D 32 C 33 D 34 D 35 A 36 C 37 C 38 C 39 C 40 B 41 A 42 B 43 D 44 C 45 D 46 B 47 A 48 A 49 D 50 D 51 B 52 A 53 D 54 D 55 C 56 C
（二）簡答題
57．設原細胞體積為100％，初始質壁分離時為原體積的96％，根據公式P1V1＝P2V2，則：
100％·ψs＝96％·（－16巴） 所以ψs＝－15.36巴 又因為ψp＝ψw－ψs
所以ψp＝－8－（－15.36）－7.36（巴） 故該細胞原來的滲透勢為－15.36巴，壓力勢為7.36巴。
58．（1）類囊體膜 （2）細胞質 （3）鞘細胞和葉肉細胞葉綠體
59．（1）3︰1 3︰1 4︰1 2︰1（2）低 高 高 降低
60．（1）抗氰呼吸 （2）多酚氧化酶活化 醌類物質
61．（1）IAA CTK （2）IAA GA
62．（1）生長點 葉 （2）春化 遮光或短日處理 （3）提前 延遲開花
63．增多 水解淀粉為葡萄糖一1一磷酸 下降 進入保衛(wèi)細胞 張開
64．（1）╳（2）√（3）√（4）╳
65．（1）H2O PSⅡ（P680） PSⅠ（P700） NADP＋（氧化型輔酶Ⅱ） （2）H2O NADP＋ （3）B和C （4）（非循環(huán)式） 光合磷酸化 （5）易與H結合，又易與H分離 （6）光能→電能→活躍的化學能
66．（1）相同 （2）24.5454 （3）增加
