基于捕光色素分子光能吸收的植物光合作用光响应机理模型的理论研究

目前主要的植物光合作用响应模型主要有生化模型和经验模型，但由于这两类模型均未涉及植物捕光天线色素分子的光能吸收、传递和转化，因而无法描述植物的光抑制和光适应现象，即这些模型是不全面的。为此，本项目以植物PSII捕光天线色素分子为基本单元，应用量子力学中的能级跃迁理论和统计物理学中的费米-狄拉克统计原理，讨论PSII捕光天线色素分子的光能吸收截面、激发态平均寿命、能级简并度、PSII捕光天线色素分子数、电子从PSII传递到PSI的时间及PSII的光化学量子效率等参数与光能吸收之间的关系，为研究植物光合作用光响应机理提供了一条新途径。本研究拟从PSII捕光天线色素分子的光能吸收过程出发，利用物理学中的有关理论，阐明植物光合作用光响应的分子生物学机制，并结合植物生化模型和植物光合作用中的成熟理论，构建植物光合作用光响应机理模型。可望加深对植物光合生理的理解，为深入研究光合作用机制提供理论依据。

光合作用对光响应与捕光色素分子的物理参数存在什么关系不清楚。本项目基于捕光色素分子的光能吸收，通过光能的吸收、激发和退激发、传递、电荷分离等过程，利用激子的共振传递理论、分子物理学中能级跃迁理论和费米--狄拉克量子统计原理、PSII电荷分离理论研究光能从吸收、激子的激发和退激发、共振传递和电荷分离等过程对光合作用的影响。研究了光合作用对光响应机理，同时构建了光合作用对光响应机理模型。同时，用该机理模型拟合不同植物的光合作用对光响应数据。结果表明：该模型不仅能很好地拟合这些响应数据，获得的光合参数与实测值相符合，同时还可以从机理上解释植物的光合生理现象，如可逆光抑制、光适应和PSII动力学下调。相应的成果发表在《Photosynthesis Research》、《Planta》和《Photosynthetica》，且有阶段性成果被《New Phytologist》接受。此外，该模型还可以给出捕光色素分子的本征光能吸收截面、荧光最小寿命和光合电子的利用效率等。因此，该模型为我们认识植物的光合特性提供了理论依据。