解析毛竹茎秆叶绿体结构与其高效碳同化的关系

竹类植物不仅经济价值高，观赏效果好，而且生态效益佳，是典型的集经济生态观赏效益于一体的多功能植物材料。毛竹(Phyllostachys edulis)是我国分布面积最广泛的一种竹类植物，其生物群落相对稳定，吸收利用CO2能力高，对全球碳平衡颇有贡献。本项目从毛竹发育期茎秆叶绿体的变化入手，通过研究发育期毛竹茎秆叶绿体结构、光合放氧和O2浓度梯度的格局、CO2梯度和pH的分布、光梯度分布及原理与荧光特性、碳同化特性，以及叶绿素蛋白复合物的组成与光谱特性，揭示毛竹茎秆叶绿体结构与功能相适应的关系。在此基础上，探讨毛竹茎秆叶绿体在其高效碳同化过程的生理作用。研究成果不仅加深人们对毛竹高产的理解，丰富植物茎干生理的内容；同时，进一步深化我们对叶绿体结构与功能的认识，也为全球碳平衡的研究提供理论依据。

毛竹 (Phyllostachys edulis) 是我国分布面积最广泛的竹种之一，其生物群落相对稳定，吸收利用CO2能力高，对全球碳平衡颇有贡献。为了探讨毛竹茎秆叶绿体在其碳同化中的作用，本研究采用激光共聚焦显微镜和投射电子显微镜对毛竹茎秆叶绿体分布和超微结构进行了观察；同时，观测了毛竹茎秆叶绿体荧光特性、碳同化特性，以及叶绿素蛋白复合物的组成与光谱特性。结果表明：茎秆中的叶绿体主要集中分布在表皮以下的基本组织中，维管束鞘周围的细胞内也存在大量的叶绿体，此特征类似于C4植物的花环结构；毛竹茎秆中的叶绿体发育完整，并存在大量淀粉粒。在毛竹出笋后快速生长期内，随着茎秆生长，色素含量不断增加，与反射光谱参数PSSRb、mSR705、CRI2、PRI、ARI1和ARI2之间具有显著的相关性。在毛竹茎秆中PEPC/Rubisco比值高达12.8倍，明显高于C3植物。毛竹茎秆和叶片的发射荧光光谱在685nm 和735nm处有两个主峰，四阶导数光谱中的6个峰分别是LHCII，CP43，CP47，RCI，LHCI的发射荧光峰和PSI和PSII的发射荧光肩锋；与叶片相比茎秆的RCI和LHCI的特征发射荧光峰有不同程度的红移。采用蓝绿温和胶电泳分析毛竹叶片和茎秆类囊体蛋白复合物，得到了分子量从100kDa到800kDa之间的5个条带，在第二向电泳中，各蛋白质复合物的各个亚基可以被清楚地分开。该成果为进一步揭示植物茎秆叶绿体结构与功能的关系，以及阐明植物茎干叶绿体的功能提供理论依据。