采用无损伤测定技术研究植物光合机构非线性电子传递途径的生理生态功能

Photosynthesis is the only significant solar energy storage process on Earth, supplies oxygen, food, fuel and energy. Understanding on the limiting factors in photosynthesis, is crucial for not only crop yield improvement, but also plant performance enhancement in harsh environment. By using non-intrusive techniques combined, this project aims to quantify in vivo photosynthetic electron fluxes originated from various sources. Then, kinetic models of fluxes around photosynthetic membrane complexes will be developed. Based on these results, the regulation and key limiting factors will be elucidated. A general outcome is to provide insights into improvements of plant performance in harsh environment.

提高植物光合作用效率是大幅提高粮食产量的最有效手段，也是提高植物对逆境适应能力的关键途径，具有重要的科学和实践意义。理论认为，通过调控多种非线性光合电子传递流量可以提高光合作用效率。然而目前研究非线性光合电子传递或采用离体方式，或采取定性描述手段，或未注意无损伤测定技术应用的局限性，不利于揭示自然状态下各非线性电子传递途径的生理生态功能。本研究拟发展两种无损伤测定技术（沿叶横截面的叶绿素荧光影像技术和P700氧化还原动力学），以精确测量各种非线性电子传递流量，在此基础上重点研究变化环境下非线性电子传递的2种主要途径（环式电子传递和水－水循环）之间的关系，揭示自然状态下光合电子流的调控机制，并最终为提高光合作用效率提供重要的理论参考。

理论认为，通过调控多种非线性光合电子传递流量可以提高光合作用效率。然而目前研究非线性光合电子传递缺少无损伤测定技术，不利于揭示自然状态下各非线性电子传递途径的生理生态功能。本研究拟发展两种无损伤测定技术，并研究变化环境下非线性电子传递的主要途径－环式电子传递的生理生态功能，揭示自然状态下光合电子流的调控机制，并最终为提高光合作用效率提供重要的理论参考。.我们研发了非损伤测定叶片内部PSII最大光化学量子产量(Fv/Fm)异质性的装置，以及非损伤精确测定环式电子传递流量的技术方法。系统研究了C3植物的PSII：PSI比例、氧气对PSII光抑制的影响、光抑制条件下活性PSII含量沿叶垂直梯度分布特征、环境胁迫下环式电子传递的生理功能。研究发现：C3植物的PSII：PSI比例大于1，氧气对PSII光抑制有多重效应、光抑制条件下活性PSII含量分布有异质性、CET主要由PGRL1-PGR5途径组成。采用这些非损伤研究方法研究了消落带植物的光合增强效应，发现，气孔导度增大是导致消落带植物光合增强的主要原因。.本项目建立的这些非损伤测定技术体系，是研究非线性光合电子传递生理生态功能的关键，为提高光合作用效率提供了重要的方法和技术基础。