稀土元素的理化特性與光合作用的關(guān)系及其作用機(jī)制.pdf

1、我國從上個世紀(jì)70年代就開始大規(guī)模推廣稀土微肥農(nóng)用，作用效果明顯。相關(guān)實(shí)驗室研究也證實(shí)適宜濃度的稀土元素處理能夠刺激植物生長發(fā)育，增強(qiáng)光合能力，提高作物產(chǎn)量和改善品質(zhì)。但是，目前有關(guān)稀土元素的植物生理效應(yīng)研究還不夠深入，特別是對稀土元素促進(jìn)光合作用這—地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)的相應(yīng)效應(yīng)和機(jī)理缺乏系統(tǒng)研究。對稀土元素理化特性對光合作用所產(chǎn)生的化學(xué)生物效應(yīng)也未得到闡明。鑒于此，我們選取鑭(La)、鈰(Ce)、釹(Nd)這三個稀土微肥中的主要組

2、成元素，圍繞光合作用能量傳遞轉(zhuǎn)換過程，即光能依次向電能，活躍化學(xué)能，穩(wěn)定化學(xué)能轉(zhuǎn)換這一過程，系統(tǒng)研究了稀土元素提高菠菜（光合作用常用模式植物）光合作用效應(yīng)的機(jī)制。并通過比較三種不同稀土元素的光合效應(yīng)差異，旨在闡明稀土元素獨(dú)特的4f層電子和變價特征以及與植物必需大量元素鈣的相似性對光合作用的影響。本文不但為研究光合作用提供了新思路，且可為高效稀土農(nóng)用尋求理論根據(jù)。
　　 實(shí)驗發(fā)現(xiàn)：
　　 1)稀土元素可促進(jìn)菠菜的光化學(xué)能力

3、，促進(jìn)菠菜光能的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配、光電轉(zhuǎn)換等各環(huán)節(jié)效率。La3+、Ce3+、Nd3+處理后，葉綠體膜特征吸收峰峰值增大，葉綠素a的Soret帶藍(lán)移，且Soret帶與Q帶峰強(qiáng)比增強(qiáng)，顯示葉綠體內(nèi)的色素捕光能力增加，特別是短波長的光更易吸收；熒光光譜也表明葉綠體捕光能力增加，且可促使葉綠素b和胡蘿卜、素吸收的光能迅速高效地傳遞到PSⅡ作用中心色素葉綠素a；使用雙通道葉綠素?zé)晒鈨x發(fā)現(xiàn)稀土元素同時促進(jìn)兩個光系統(tǒng)的光化學(xué)活性與電子傳遞效率，特別是

4、光系統(tǒng)Ⅱ活性得到顯著增加；同時還改善了光系統(tǒng)的光保護(hù)能力，增加其對光能的耐受能力；稀土元素還增加了葉綠體的全鏈電子傳遞活性、PSⅡ與PSI的DCIP光化學(xué)還原活性和氧氣釋放速率，進(jìn)一步說明稀土元素不但能增加光能吸收，且能將光能有效分配，促進(jìn)激發(fā)能向PSⅡ大量分配。其中具有1個4f層電子和變價特征(+4)的Ce3+處理效果最為明顯，其次為不具有變價特征，但有3個4f層電子的Nd3+，既不具有4f層電子結(jié)構(gòu)又不具有變價特征的La3+處理增加

5、幅度最小。提示稀土提高光合作用與其4f層電子結(jié)構(gòu)和變價特征有密切關(guān)系。
　　 2)稀土元素處理通過對LHCⅡ的調(diào)控顯著增加PSⅡ的活力。適當(dāng)濃度的La3+、Ce3+、Nd3+處理可使LHCⅡ去磷酸化，使光合機(jī)構(gòu)向狀態(tài)I轉(zhuǎn)換，從而相對增加PSⅡ的光吸收截面及光吸收，提高PSⅡ放氧活性。以擬南芥為實(shí)驗材料，發(fā)現(xiàn)稀土元素處理對LHCⅡ的另一條調(diào)控機(jī)制：LhcⅡb得到大量表達(dá)，提示稀土處理可顯著增加LHCⅡ在類囊體膜上的分布，促進(jìn)了PS

6、Ⅱ?qū)饽艿奈眨⒋偈筁HCⅡ三聚體化，導(dǎo)致基粒堆積狀況的調(diào)整，從而改變了PSI和PSⅡ的電子流動次數(shù)，使得激發(fā)能由PSI向PSⅡ分配。三種稀土元素處理效果仍為Ce3+＞Nd3+＞La3+。
　　 3)稀土元素處理增加光合碳同化能力。La3+、Ce3+、Nd3+處理后Rubisco羧化活力增強(qiáng)，干物質(zhì)增加明顯。這是因為稀土元素在體內(nèi)誘導(dǎo)出Rubisco-Rubisco活化酶的超復(fù)合體：在稀土處理的菠菜體內(nèi)純化Rubiseo時獲得

7、一大分子量蛋白，其光譜學(xué)性質(zhì)，巰基含量及二級結(jié)構(gòu)均與純Rubiseo不同，SDS-PAGE電泳分析發(fā)現(xiàn)除Rubiseo的大小亞基(55kD，14.4kD)之外，還具有Rubisco活化酶的45和41kD的兩個亞基。非變性PAGE電泳分析證明除具有Rubisco的一條帶(560kD)以外，還有一條分子量在1200kD左右的蛋白帶，即Rubisco全酶與16個Rubisco活化酶亞基組成的超復(fù)合體。使用Rubisco和Rubisco活化酶抗

8、體經(jīng)蛋白印跡實(shí)驗證實(shí)了Rubisco-Rubisco活化酶超復(fù)合體的形成。Rubisco-Rubisco活化酶超復(fù)合體被認(rèn)為是Rubiseo在體內(nèi)實(shí)行活性所必需的中間產(chǎn)物，但一直沒得到證實(shí)。我們的發(fā)現(xiàn)首次為這一模型提供了實(shí)驗證據(jù)。
　　 4)實(shí)驗發(fā)現(xiàn)稀土元素處理誘導(dǎo)Rubisco-Rubisco活化酶超復(fù)合體產(chǎn)生的機(jī)制可能有兩條。一是通過RT-PCR，NorthemBlotting和Real-timePCR技術(shù)證明稀土元素能明顯

9、促進(jìn)Rubisco大小亞基，特別是Rubisco活化酶亞基mRNA表達(dá)，使體內(nèi)Rubisco活化酶蛋白的表達(dá)上調(diào)，提高Rubisco活化酶/Rubisco比例，從而增加了Rubisco-Rubiseo活化酶超復(fù)合體的含量。Ce3+處理后這種增強(qiáng)作用比La3+和Nd3+處理更顯著，顯然這與Ce3+的4f電子層結(jié)構(gòu)和變價特征有密切關(guān)系。二是稀土元素可能提供了Rubisco和Rubisco活化酶之間的“額外”連接，穩(wěn)定Rubisco-Rubi

10、sco活化酶超復(fù)合體結(jié)構(gòu)。Ce3+與Rubisco體外實(shí)驗證明Ce3+與Rubisco直接結(jié)合：第一層與8個O原子配位，鍵長為2.55A:在第二配位層與6個O原子配位，鍵長為3.69A。這改善了蛋白的結(jié)構(gòu)，最終提高了酶活性。
　　 5)Cc3+與大量元素Ca2+的化學(xué)性質(zhì)極為接近，但Ce3+的電荷高于Ca2+，因而離子勢大，對以離子鍵為主的化合物，則稀土離子的結(jié)合穩(wěn)定性要高于鈣離子，因而有人將稀土離子稱為“超級鈣”。它不但可以占

11、據(jù)鈣的位置，還將取代已結(jié)合的鈣離子。實(shí)驗證明，缺鈣菠菜在施加適當(dāng)濃度的CeCl3后，缺鈣癥狀得以緩解，干重和鮮重增加，葉綠素含量增加，光合效率和放氧活力增強(qiáng)，Rubisco羧化活力，氮代謝相關(guān)酶活性也得到一定恢復(fù)。Ce3+處理還能顯著提高菠菜正常生長條件下以及缺鈣條件下抗氧化系統(tǒng)活力，提高SOD、CAT、APX、GPX等抗氧化酶酶活性，降低超氧自由基、丙二醛含量，保持光合作用正常進(jìn)行。體外實(shí)驗發(fā)現(xiàn)Ce3+能與脫鈣PSⅡ結(jié)合，與氨基酸的0