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CN:31-1600/Q
ISSN:1004-0374
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《生命科学》 2006, 18(1): 18-
从事光合作用研究的历程
沈允钢
中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所,上海200032
1 准备阶段
     1951年夏天,从浙江大学毕业后,我被分配到中国科学院实验生物研究所植物生理研究室(1953年分出,建植物生理研究所),跟随殷宏章先生工作。殷先生刚从国外回来,想开展光合作用研究。可是,实验室初建,条件较差,殷先生要我先做一些水稻、小麦籽粒中淀粉合成的生化研究。同时,他积极召开学术会议,让我们逐渐增加对光合作用的了解。20世纪50年代正是世界上光合作用研究突飞猛进的时期。特别是,以卡尔文等利用放射性同位素14C揭开了光合碳同化途径的奥秘最引人注目,接着不少研究结果表明光合作用中可能存在着两种不同的光化学反应的问题也拓宽了人们的视野。其实,这问题殷先生在他三十年前大学生时代的实验中已观察到了初步的迹象,所以他对这个问题很敏感,因而介绍文献时更能抓住要点,引人重视。可是,我当时却把主要精力放在淀粉合成的生化研究上,而对光合作用却想得不多,感到它的过程太复杂,需要高精尖的仪器设备和技术,可当时难以获得。殷先生循循善诱,要我去做一项田间实验——分析水稻籽粒中合成淀粉的物质来源。实验结果表明,合成籽粒淀粉的物质主要由开花后植株绿色部分的光合作用提供,而且在灌浆初期,光合作用形成的产物往往供不应求。在这种情况下,稻穗中常有一部分籽粒的代谢趋向停滞,变成瘪粒。当稻穗进入糊熟期时,虽然光合产物的供应常常多于成长中的籽粒的需要,但由于不能再进入瘪粒而只得在茎杆中积累了。因此,如能设法促进水稻灌浆期的光合作用就有可能减少瘪粒而获得增产。通过这个实验,我体会到了适时提高光合作用速率对增加农业产量的重要性,从而开始注意如何促进和保证光合作用进行的问题。恰巧这时我所派我去前苏联科学院生物物理所参加在1956年9至12月举办的放射性同位素在生物学中示踪应用的培训。经过这次学习,我们就可以用一些新的手段来研究光合作用了。
2 开展研究
      1957年,我们建立了放射性同位素实验室,并开始利用放射性同位素14C研究了水稻开花前后光合作用产物的转变与分配以及其灌浆期各叶间及分蘖间光合产物的运转情况。与此同时我还利用14C继续过去的生化工作,探讨籽粒成熟期和发芽期的碳水化合物转变特点。
      1959年,当时有一个“向科学进军”的号召,殷先生就对大家说,我们开展光合作用研究,不仅要结合生理问题做些工作,还必须直接去探讨其机理。当时正值美国Arnon 刚发现离体叶绿体可进行光合磷酸化,表明该反应在光合作用能量转换过程中可能担负重要功能,但该现象刚发现,了解很少,因此许多实验室都想深究。殷先生对我们说,他在十几年前就想尝试分析磷酸化是否参与光合作用中的能量转换,但由于缺乏良好的测试手段而无法着手。我们感到这是一个打开局面的好课题,于是就决定测定光合磷酸化的量子需要量。这是一个很重要的基本理论问题,又和我们想改善作物的光合效率有联系。可是要获得可靠数据相当困难,不但需要掌握多种技术,而且还必须用生理状态良好的植物材料测得最低的量子需要量,即最高的量子效率,才有理论价值。我们决定大家分工合作协力来完成,有的制作能准确测定光量子吸收值的热电堆;有的设法掌握测定微弱光下光合电子传递速率的方法。我和沈巩楙一起设法解决利用放射性同位素32P测定微量腺三磷合成的技术,同时还须摸索制备具有良好生理状态的离体叶绿体的途径。这样,经过半年多的努力,终于获得了一系列可靠的数据,在光合电子传递还原一个辅酶II的同时无论合成一个腺三磷与否,都需要利用4个光量子,这证明腺三磷合成和光合电子传递是耦联在一起的,此结果有力地表明了光合磷酸化是光合作用能量转换的一个重要部分反应。殷先生将这个研究结果带到1961年在莫斯科举行的第五届国际生化会议的光合作用专题组中发表,得到了与会代表的认可,并且还结识了国际上一些正在大力研究光合磷酸化的科学家。
      通过对光合磷酸化量子需要量的测定,不仅获得了可靠的结果,还使我们遇到了不少值得深入探讨的问题。这样,我们实验室围绕光合磷酸化问题对光合作用能量转换机理展开了多方面的研究,在20世纪60年代初就接连发表了十几篇论文。因此,我们成为国际上对光合磷酸化较早开展研究的实验室之一。当1985年人们为祝贺光合磷酸化发现者Arnon 75岁诞辰要出版一本专集时,邀请我们也提供一篇综述,我写的一篇题为“光合磷酸化机理的生理探讨”。在这一时期,我们工作中较受人重视的有两个问题。一个是光合磷酸化合成腺三磷与还原辅酶II的比值。当时学术界认为此比值的最高值为1,我们在测定光合磷酸化量子需要量时所发表的一系列数据中一大半比值是略微超过1的。我们只说这些数据表明耦联完全,没有多谈。过了几年,国外也有一些实验室得到超过1的比值,因此对此问题展开了讨论,并把我们的结果列为最早获得比值大于1的。此后,我们对该问题作过不少研究,表明我们得到的一些数据是可靠的,而国外有些比值接近2的数据可能测定方法上有问题。我们还发现,在植物遇到逆境等情况时,此比值常常会显著低于1。从整个光合作用过程看,每同化一个二氧化碳分子成糖需要此比值为1.5,因此其不够的腺三磷就可能要通过循环光合磷酸化等途径来提供。此时,光合机构中存在两种光化学反应已得到公认,已知包括氧释放和辅酶II还原及腺三磷合成的非循环光合磷酸化牵涉两种光系统,而循环光合磷酸化只要通过光系统I即可合成腺三磷而无氧化还原物质积累。这样,关于两种光系统间激发能协调分配的问题受到了人们的重视。我们实验室结合光合磷酸化途径的探讨,同时建立了一些光谱设备,就对两种光系统间的关系开展了研究,这样有利于扩展我们的工作范围,并且还接触到了光合机构演化的分析。测定光合磷酸化量子需要量时遇到另一个重要的问题是:当光强降很低时,腺三磷合成的效率显著下降,而光合电子传递的效率不变,这是一个奇怪的现象。我们猜测这也许是光合磷酸化的一部分中间产物的耗失在弱光下所占比例较大所造成的。为探讨这一可能性,我们采用了将光合磷酸化分阶段完成的办法,即先将叶绿体照光进行光合电子传递,接着在暗中才与腺三磷合成的底物接触而合成腺三磷。这样我们就可以分析在光下伴随光合电子传递形成的磷酸化中间产物在黑暗中不同条件下用于合成腺三磷的机理。通过这技术,我们测定了这中间产物的稳定性及其用于合成腺三磷的特点。当我们将这些结果发表后,美国康乃尔大学的Jagendorf 实验室也同时测得了光合磷酸化的中间产物。我们和他们是分别独立发现的,他们在论文中说明了这一点,并且在以后的论文中都并列引用。他们继续对该问题的探讨,证明磷酸化中间产物就是Mitchell 在1960年提出化学渗透假说中的跨膜氢离子浓度梯度,于是该问题受到了高度重视。我们实验室对该问题也继续研究,取得了三个比较重要的进展:一是实验表明,在接近生理状态的条件下,此跨膜氢离子梯度常主要是区域化的,这是国际上长期有争议的一个问题;二是用叶绿素毫秒延迟发光研究发现,光系统II氧化水时释放的氢离子可影响其快相的强度,这为探讨光系统II反应特性提供了有利条件;三是我们观察到,跨膜氢离子梯度的形成对膜的动态结构和光合过程有多种调节作用,这有助于开展光合机构运转的调控研究,并成为我们室中主要的探讨方向。1979年我国《植物生理学报》为纪念创刊15周年要我们写一篇综述,我们就以“探讨运转着的光合机构” 为题目作文。在1988年我们在上海举行了一次“光合作用的调节与效率”的国际学术讨论会,有40余位国外科学家参加。1994年国际光合作用期刊要我写一篇个人研究综述,我用的题目是“光合作用机理的动态研究”。
3 机理和生理研究的结合
      殷先生要我们不局限于光合生理工作而开展机理研究,并不是不重视生理。恰恰相反,他经常强调要把机理与生理结合起来的。他在谈到一些国外的某些研究报告时,常常带着保留的态度说,这仅是离体的实验,在体内的情况要复杂得多,尚需仔细验证。因此在殷先生的指导下,我们逐渐既重视光合作用机理研究,又注意和生理结合,这样既可克服离体实验可能带来的扭曲,又有助于将研究成果应用于生产实际。
      生理研究注意综合地了解生物表现出来的功能,而机理探讨则需深入到分子等水平上分析其具有这些功能的原理。前者常常要考虑多种复杂因素的影响,后者则希望简化实验的条件,因而要把两者结合起来常常是相当困难的,这需要从两方面都努力延伸。殷先生不但鼓励我们去做,而且他还带头去开拓。在20世纪50年代末,我国农业中大搞密植深耕创高产的试验,我所派出不少人员去蹲点总结经验,我也参加到河南西平去了解小麦高产的情况。殷先生到各地看过之后,就向我们作了如何从理论上分析作物群体光能利用的报告,使大家思想上提高认识。接着在他领导下还成立专门的研究小组,在我国较早地开展了数学模拟研究。我在农村蹲点时,深深感到缺乏在田间探测作物光合作用的手段,因此,在调回所里搞光合作用基础研究后,仍和同事们摸索了几种可以到野外测定光合作用的方法,包括改进半叶干重法、用塑料袋到田间取气样带回实验室分析的技术等。这样,我们虽然主要搞基础研究,但也在夏季到田间做些生理工作,并努力使之和基础研究结合起来。在这些工作中也得到了一些值得深入探讨的结果。例如,我们观察到各种植物光合作用形成的产物及其输出有两类不同的规律:一类是水稻、小麦、蚕豆等,其叶片中形成的产物以蔗糖为主,在白天进行光合作用时大部分产物已输出叶片;另一类是棉花、大豆等,其叶片中形成的产物以淀粉为主,在白天进行光合作用时大部分产物留在叶中,待夜间才输出。按文献中报告的光合产物积累、转化与输出所阐明的机理来看,这与磷酸盐的供应有关,供应充足时则光合产物变成蔗糖输出。我们对棉花、大豆等在光下以积累淀粉为主的叶片加以高磷酸盐处理,则输出略有增加,但仍以积累淀粉为主。这个现象与文献中所阐明的机理只是在趋势上符合,而和不同植物的遗传及生理特性结合起来的了解还差得较多,需进一步深入。
      从机理研究成果出发,结合生理和应用来开展工作,我们考虑得最多的是光合磷酸化。既然人们测得植物中光合电子传递和磷酸化在耦联完全时所产生腺三磷和还原辅酶II的比值只有1.3左右,其腺三磷量尚不足以满足同化二氧化碳成糖之需要,何况我们还观察到自然条件下生长的植物中,此耦联常常是不完全的,比值会显著低于1,那么提高光合机构中腺三磷的供应就有可能提高光合作用的速率。我们实验室对该问题做了一系列研究。找到两大类通过增加腺三磷供应来提高光合作用的途径:一条是设法改善自然条件下植物光合机构的耦联效率,因为我们观察到植物光合电子传递和磷酸化耦联不完全的一个重要原因是类囊体膜上的腺三磷合酶有漏能损失。我们发现不少物质在低浓度处理后有减少其漏能损失的效应,这些物质包括植物中存在的多元酸、细胞分裂素等。在这些物质处理后的第二天光合作用常可提高15%以上。另一条途径是设法促进叶片等光合机构的循环光合磷酸化。这可以用催化循环光合磷酸化的辅助因子处理叶片,或用低浓度的亚硫酸盐促进循环电子传递的运转,处理后第二天光合作用也常可提高15%以上。虽然通过这些途径只能将光合作用提高几天,在作物生育的关键时刻处理,常可获得增产效果。
      我们力求将机理研究和生理研究结合起来的愿望碰到了较好的机遇。1983年,我们到比利时去参加第六届国际光合作用会议。英国科学家Hall教授来找我,希望我们能承担联合国环境规划署的科研项目“热带亚热带草地自然生态系统的生物生产力和光合作用”的中国区域中心的工作。我们同意了。他们就在1984年到上海来,在我们协助下开办一个光合作用知识和有关技术的培训班,全国各地有几十人来参加。接着我们就和位于浙江富阳的林科院亚热带林业研究所合作测定毛竹的生物生产力和光合作用。这促进了我们的光合作用研究向生态方面扩展,并且获得了国际上刚出现的携带式光合作用测定仪器,它不仅可在野外较方便地测定植物的光合作用,而且还可同时记录有关的光强、温度、湿度等数据,并由此可计算叶片的气孔导度、叶腔内的二氧化碳浓度等。接着我们又添置了携带式测定叶片荧光的仪器。有了这些仪器设备,显著改善了我们在野外将光合作用机理和生理结合起来研究的条件。我们不仅努力完成所承担的联合国环境规划署的科研项目,而且还连续多年在夏天到青海去研究高原自然条件下植物的光合作用。那儿日照强、昼夜温差大、但气压低,所以植物光合机构的运转有不少特点。因此,1989年我应邀到瑞典参加第八届国际光合作用会议作专题报告时就以“在自然环境中光合作用的一些限制因素”为题,力求把光合作用生理和机理结合起来分析。
4 展望
      通过这五十年的光合作用研究,我对其意义的认识在不断增加。它不仅是植物独有的功能,影响着植物生命活动的各个方面,而且与地球上所有生物的演化和繁荣有着极其重要的联系。现在我们人类社会的物质文明,由于无节制地开采矿产资源、滥伐森林、乱垦草原等而面临难以为继的困境,因此已将“可持续发展”逐渐当作中心议题。它牵涉的方面很多,其中以食物的供应、可再生资源的生产和合适生存环境的维护为最重要,而它们都和如何改善植物的光合作用功能有紧密联系,因为光合作用利用太阳能将无机物合成有机物是规模最大、最切实可行的过程。人们的食物直接或间接都来源于光合作用合成的产物,在可见的将来仍只有这条出路。光合作用产物转化而成的各种有机物,如纤维、橡胶、木材等,早已是人类生产中大量应用的可再生物质资源,今后种类还会大量增加。最近,由于感到石油、天然气等化石燃料(它们也是过去由光合产物转变而成的)在21世纪中将消耗殆尽,所以寻找可再生能源已成为人们非常关心的问题,其中如何加强植物的光合作用,并设法高效利用其合成的物质,最后又可充分利用其中所固定的太阳能来作燃料实在是最基本和切实可行的途径。关于维护合适生存环境,现在人们谈得最多的是由于大量燃烧化石燃料导致大气中有温室效应的二氧化碳浓度增加而引起全球气温剧变所造成的灾害问题。其重要的解决途径之一,就是大量使用当代光合产物作燃料,并加强树木的光合作用将它转变成有机物较长期地贮存起来。
      总之,世界的演变使我认识到光合作用在社会可持续发展中的作用越来越重要。2004年秋天在加拿大举行的第十三届国际光合作用会议的主题是“光合作用的基础知识导致改善植物生产力和平衡全球的气候”,这表明国际光合作用研究也在重视加强机理和生理及应用的结合了。我国人均资源占有量远低于世界平均水平,人均耕地面积仅为世界平均水平的1/6,更需要加强光合作用研究来提高植物生产力和改善环境。我虽然已年近八十,仍然应该继续认真钻研,积极做一些力所能及的工作。
 
 
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