劉淑萍，王燕

(河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引言

二十世紀40～60年代間，已有許多學(xué)者研究了各種不同溶劑的葉綠素溶液的吸收光譜與熒光光譜［1］，企圖獲得光合作用過程中色素之間的能量傳遞與日光能的轉(zhuǎn)換機制，發(fā)現(xiàn)光合作用中金屬離子的影響是諸多因素之一。因此，金屬進入植物體內(nèi)的生理活動及所形成的金屬葉綠素的熒光發(fā)光規(guī)律等就需要深入研究討論。近些年來，葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)技術(shù)［2］飛速發(fā)展，大多是對葉綠素?zé)晒鈪?shù)值的變化來研究重金屬、稀土金屬等因素對植物光合作用的影響［3，4］?？梢姡~綠素及金屬葉綠素的熒光性是研究植物光合作用的一個有效手段。

1 金屬離子對植物光合作用的影響

金屬離子在植物體內(nèi)的存在形式多種多樣，作用也各異。而與光合作用相關(guān)的形式，目前主要集中為三點［5］:(1)金屬離子可與葉綠蛋白結(jié)合，或可直接與葉綠素結(jié)合;(2)金屬離子可于鎂離子發(fā)生競爭，取代鎂離子形成葉綠素衍生物;(3)金屬離子還可與磷化合間接影響葉綠蛋白的合成。重金屬與稀土的作用機制類似，都是間接或直接導(dǎo)致葉綠素的合成發(fā)生變化，進而抑制或促進光合作用。

對于觀點(2)，很多專家、學(xué)者進行了對植物噴灑、施加金屬元素的實驗，從中找到了一些理論根據(jù):Dwight等［6］通過實驗認為稀土離子可與鎂離子發(fā)生競爭，從而改變?nèi)~綠體結(jié)構(gòu)并影響葉綠素合成。還有洪法水等［7］發(fā)現(xiàn)天然鐵芒萁中稀土離子也配位到了葉綠素卟啉環(huán)內(nèi)。沈志強等［8］研究證明Nd3+進入纖細裸澡細胞內(nèi)部，取代了葉綠素中心Mg2+，形成稀土葉綠素衍生物。同時楊俊林［9］也證明有稀土－葉綠素的形成。通過銅、鋅和鎳等重金屬脅迫藻類植物的實驗中［10，11］，也得到了重金屬取代葉綠素中的鎂離子形成重金屬葉綠素的確鑿證據(jù)。

所以我們可以大膽認為:金屬對于葉綠素的作用在一定程度上是由于金屬取代了鎂離子與葉綠素形成了金屬葉綠素衍生物，影響了植物體內(nèi)葉綠素的合成，繼而使光合作用發(fā)生變化。因此，可以通過研究金屬葉綠素的性能，尤其是熒光特性，并以此來探討植物的光合作用。

2 金屬葉綠素的熒光特性

金屬葉綠素衍生物是由葉綠素分子中卟啉環(huán)內(nèi)金屬離子的取代或環(huán)外金屬離子的成鹽所形成的一類化合物，包括:1)金屬葉綠素，如鐵葉綠素、鋅葉綠素等;2)金屬葉綠酸鹽，如銅葉綠酸鈉、鐵葉綠酸鋅［12］等;3)脫鎂葉綠酸鹽，如脫鎂葉綠酸鈣［13］。此類化合物熱、光的穩(wěn)定性和抗氧化性都較葉綠素更好。

據(jù)目前文獻報道，植物體外人工合成的、天然植物體內(nèi)存在的或人工培養(yǎng)的植物體內(nèi)合成的金屬葉綠素衍生物已有多種。取代離子為過渡金屬的有 Cu、Zn、Fe(Ⅱ/Ⅲ)、Co、Ni、Mn、Cr、Pd、Ag、Hg、Cd、Ru、Pt［14］、Au［15］;稀土金屬有 La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Yb、Y、Tb［9］、Tm［14］、Ce［7］;其它族金屬有 Pb、Sn［14］。

2.1 過渡金屬葉綠素的熒光特性

葉綠素分子結(jié)合了過渡金屬元素后，大多表現(xiàn)為熒光減弱或熒光猝滅。其猝滅原因為基態(tài)的熒光物質(zhì)與猝滅劑(過渡金屬離子)反應(yīng)生成非熒光的化合物，導(dǎo)致熒光的猝滅。

通過幾種過渡金屬(Cu、Zn、Fe、Co、Ni)葉綠素a熒光光譜的測定［16］，發(fā)現(xiàn)除銅葉綠素?zé)o熒光外，其余的均有較弱熒光。在發(fā)射波長上，過渡金屬葉綠素較葉綠素a均有一定程度的藍移。而胡明波［17］在研究中也發(fā)現(xiàn)，銅葉綠素的熒光強度和脫鎂葉綠素a相比下降了95%，發(fā)射波長向短波些許移動;錳葉綠素的熒光強度幾乎下降到了0。關(guān)于其猝滅作用的強弱原理可能和過渡金屬的性質(zhì)有關(guān)，金屬離子的電荷排布、半徑大小、離子價態(tài)等都有可能直接影響卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)的熒光強弱。

上述看出，金屬葉綠素衍生物的熒光性具有特異性，不同的衍生物其熒光性強弱有區(qū)別，其發(fā)射波長也有一定規(guī)律性，且發(fā)光區(qū)域只在紅帶區(qū)。熒光強弱上，金屬葉綠素都較葉綠素是熒光減弱的，但不同的金屬離子，其猝滅程度不一;發(fā)射波長上，較葉綠素二者都藍移。

2.2 稀土金屬葉綠素衍生物熒光性

有報道認為:稀土元素可以使植物葉片中的葉綠素含量增加，從而增加了植物的光合潛能，特別是輕稀土的作用更為明顯［18］。由于稀土金屬本身就是一類具有熒光性的元素，因此它與葉綠素配合后的熒光性呈現(xiàn)出與過渡金屬元素非常不同的結(jié)果。發(fā)射波長、熒光強度都有一定程度的改變。

楊俊林等［8］在410 nm光激發(fā)下分別測定了葉綠素和葉綠素-稀土的熒光光譜，按照其熒光光譜特征，大致可將稀土葉綠素分為三類:(l)440和475 nm處均有明顯的熒光峰，如La3+、Pr3+、Nd3+、Yb3+和Y3+，(2)440 nm處無熒光峰，475 nm處有強的熒光峰，如Sm3+、Dy3+;(3)與葉綠素?zé)晒夥寤鞠嗤?，如Gd3+。

張軍鋒［13］也發(fā)現(xiàn)，在藍帶區(qū)域稀土葉綠素配合物有較強的熒光發(fā)射，此外，稀土葉綠素在藍帶的熒光強度比紅帶強。稀土葉綠素在藍帶區(qū)域的獨特發(fā)光性質(zhì)可以作為稀土葉綠素是否形成的一個重要標志。

從現(xiàn)有報道中可以看出:稀土葉綠素的熒光性較過渡金屬葉綠素來說，情況相對復(fù)雜。第一，熒光在紅帶和藍帶都有;第二，藍帶熒光較紅帶熒光更強;第三，不同的稀土離子其熒光峰值不同。這是因為稀土元素與葉綠素卟啉環(huán)都屬于可發(fā)熒光的物質(zhì)，兩者作用后的性質(zhì)就會互相影響。

2.3 葉綠素和金屬葉綠素?zé)晒馓匦孕〗Y(jié)

過渡金屬葉綠素與稀土金屬葉綠素在熒光特性上最大的區(qū)別就是:過渡金屬葉綠素發(fā)光波段只在紅帶，而稀土金屬葉綠素紅帶、藍帶均發(fā)光，且藍帶熒光強度大于紅帶;還有過渡金屬葉綠素?zé)晒庑暂^葉綠素或脫鎂葉綠素整體表現(xiàn)為熒光猝滅，而稀土葉綠素則是在不同波段，發(fā)光有強有弱。

3 熒光特性在金屬對植物光合作用中的應(yīng)用

利用熒光性來研究植物光合作用是很有效的一個手段。目前，較為廣泛使用的是葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，它利用植物體內(nèi)葉綠素作為天然探針，對樹木、盆栽、作物、藻類、草類等熒光參數(shù)進行測定，以其變化值分析植物光合作用的強弱。重金屬葉綠素衍生物大部分為熒光猝滅，抑制光合作用。而稀土金屬進入葉綠素分子后，熒光有強有弱，對光合作用有促進也有抑制。

3.1 重金屬對植物的脅迫作用

重金屬對植物的脅迫作用體現(xiàn)在它的毒害和抑制光合作用，繼而影響植物的正常生長。

施翔［19］等對樹木盆栽的熒光參數(shù)進行了測定，F(xiàn)v/Fm(Fv/Fm表示PSⅡ的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，正常生理活動下，較穩(wěn)定，通常用來反應(yīng)植物光合作用的能力)值減少，表明植物受到重金屬鉛、鋅、銅的毒害。朱宇林［20］等也有相似結(jié)論:重金屬Cd脅迫銀杏的最大光化學(xué)效率Fv/Fm均明顯下降，使銀杏葉片產(chǎn)生了光抑制現(xiàn)象。此結(jié)論在大量文獻中都得到過說明，涉及的植物有菹草、浮萍、微藻、芥菜、玉米等，涉及的重金屬包括 Cr、Mn、Cu、Zn 等［21-25］。

重金屬進入植物后葉綠素?zé)晒獾母淖兣c人工合成金屬葉綠素?zé)晒忖绲那闆r是相一致的，而且一般隨著金屬離子濃度的增加，熒光參數(shù)改變明顯，即PSⅡ反應(yīng)中心由于重金屬離子的侵入已經(jīng)發(fā)生損害，阻礙了光和電子的傳遞，光合作用受抑制明顯［25］。

3.2 稀土金屬對植物光合作用的影響

稀土金屬對于植物的光合作用也有不少人研究過。于海兵［27］研究了糯玉米幼苗，表明施用農(nóng)用稀土能顯著提高熒光參數(shù)Fv/Fm，ETR，NPQ，F(xiàn)v/F0，Yield，qP。低濃度時，隨著農(nóng)用稀土濃度提高，光合作用也逐漸地提高，當濃度達到400 mg/kg后，隨著農(nóng)用稀土濃度升高，光合作用反而降低。在對水稻幼苗、鵝毛竹和黃花蒿植株的光合作用［28-30］研究中也得到相似結(jié)論。

可見，稀土元素對植物的影響與重金屬有明顯區(qū)別。在一定濃度范圍內(nèi)，稀土可以促進植物的光合作用，這一點與重金屬是相反的，可能由于稀土離子本身是一類可發(fā)光離子，它與葉綠素分子的結(jié)合在一定范圍內(nèi)可促進光和電子的傳遞。但濃度過大時，促進作用反而就會轉(zhuǎn)為抑制作用，這一點與重金屬是相同的，可能由于大量稀土離子的進入，破壞了葉綠體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光合作用下降。

因此，通過文獻結(jié)論發(fā)現(xiàn):金屬進入植物體后，其熒光性和光合作用變化都與單純測定人工合成的金屬葉綠素衍生物的熒光性是有一定關(guān)聯(lián)性和一致性的。將二者聯(lián)合起來用以研究金屬對植物光合作用的影響是有一定可行性的。

4 展望

隨著葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，人們對此產(chǎn)生了興趣，通過這些現(xiàn)象幫助深入了解光合作用的機理和過程，為我們認識更多的生物生理活動提供了方法和途徑。并實現(xiàn)了由熒光動力學(xué)技術(shù)測定熒光參數(shù)，熒光平均壽命與熒光量子產(chǎn)值等方法來研究植物的光合作用。植物光合作用影響因素諸多，如重金屬、稀土金屬等，那么這些金屬離子是如何影響葉綠素?zé)晒獾?是如上述文獻中提到的金屬離子取代葉綠素中鎂離子形成金屬葉綠素，還是金屬離子本身和鎂一樣，可直接合成金屬葉綠素?這些都有待進一步的證實研究。

所以說，從不同角度，不同途徑研究植物的光合作用及其影響因素，不僅將使我們更加準確的了解其機理作用，同時為今后的生產(chǎn)、生活提供更多的理論依據(jù)和現(xiàn)實效用。

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