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(jì)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(guò)程中色素之間的能量傳遞與日光能的轉(zhuǎn)換機(jī)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(jìn)入植物體內(nèi)的生理活動(dòng)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(lái)，葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)［2］飛速發(fā)展，大多是對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)值的變化來(lái)研究重金屬、稀土金屬等因素對(duì)植物光合作用的影響［3，4］?？梢?jiàn)，葉綠素及金屬葉綠素的熒光性是研究植物光合作用的一個(gè)有效手段。

1 金屬離子對(duì)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(diǎn)［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(jìng)爭(zhēng)，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(jī)制類(lèi)似，都是間接或直接導(dǎo)致葉綠素的合成發(fā)生變化，進(jìn)而抑制或促進(jìn)光合作用。

對(duì)于觀點(diǎn)(2)，很多專(zhuān)家、學(xué)者進(jìn)行了對(duì)植物噴灑、施加金屬元素的實(shí)驗(yàn)，從中找到了一些理論根據(jù):Dwight等［6］通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為稀土離子可與鎂離子發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，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(qiáng)等［8］研究證明Nd3+進(jìn)入纖細(xì)裸澡細(xì)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(shí)楊俊林［9］也證明有稀土－葉綠素的形成。通過(guò)銅、鋅和鎳等重金屬脅迫藻類(lèi)植物的實(shí)驗(yàn)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(rèn)為:金屬對(duì)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(guò)研究金屬葉綠素的性能，尤其是熒光特性，并以此來(lái)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(lèi)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(lèi)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(xiàn)報(bào)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(guò)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(guò)渡金屬葉綠素的熒光特性

葉綠素分子結(jié)合了過(guò)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?yàn)榛鶓B(tài)的熒光物質(zhì)與猝滅劑(過(guò)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(guò)幾種過(guò)渡金屬(Cu、Zn、Fe、Co、Ni)葉綠素a熒光光譜的測(cè)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(zhǎng)上，過(guò)渡金屬葉綠素較葉綠素a均有一定程度的藍(lán)移。而胡明波［17］在研究中也發(fā)現(xiàn)，銅葉綠素的熒光強(qiáng)度和脫鎂葉綠素a相比下降了95%，發(fā)射波長(zhǎng)向短波些許移動(dòng);錳葉綠素的熒光強(qiáng)度幾乎下降到了0。關(guān)于其猝滅作用的強(qiáng)弱原理可能和過(guò)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(jià)態(tài)等都有可能直接影響卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)的熒光強(qiáng)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(qiáng)弱有區(qū)別，其發(fā)射波長(zhǎng)也有一定規(guī)律性，且發(fā)光區(qū)域只在紅帶區(qū)。熒光強(qiáng)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(zhǎng)上，較葉綠素二者都藍(lán)移。

2.2 稀土金屬葉綠素衍生物熒光性

有報(bào)道認(rèn)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(lèi)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(guò)渡金屬元素非常不同的結(jié)果。發(fā)射波長(zhǎng)、熒光強(qiáng)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(cè)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(lèi):(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(wú)熒光峰，475 nm處有強(qiáng)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(lán)帶區(qū)域稀土葉綠素配合物有較強(qiáng)的熒光發(fā)射，此外，稀土葉綠素在藍(lán)帶的熒光強(qiáng)度比紅帶強(qiáng)。稀土葉綠素在藍(lán)帶區(qū)域的獨(dú)特發(fā)光性質(zhì)可以作為稀土葉綠素是否形成的一個(gè)重要標(biāo)志。

從現(xiàn)有報(bào)道中可以看出:稀土葉綠素的熒光性較過(guò)渡金屬葉綠素來(lái)說(shuō)，情況相對(duì)復(fù)雜。第一，熒光在紅帶和藍(lán)帶都有;第二，藍(lán)帶熒光較紅帶熒光更強(qiáng);第三，不同的稀土離子其熒光峰值不同。這是因?yàn)橄⊥猎嘏c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(huì)互相影響。

2.3 葉綠素和金屬葉綠素?zé)晒馓匦孕〗Y(jié)

過(guò)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(guò)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(lán)帶均發(fā)光，且藍(lán)帶熒光強(qiáng)度大于紅帶;還有過(guò)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(qiáng)有弱。

3 熒光特性在金屬對(duì)植物光合作用中的應(yīng)用

利用熒光性來(lái)研究植物光合作用是很有效的一個(gè)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(duì)樹(shù)木、盆栽、作物、藻類(lèi)、草類(lèi)等熒光參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，以其變化值分析植物光合作用的強(qiáng)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(jìn)入葉綠素分子后，熒光有強(qiáng)有弱，對(duì)光合作用有促進(jìn)也有抑制。

3.1 重金屬對(duì)植物的脅迫作用

重金屬對(duì)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(zhǎng)。

施翔［19］等對(duì)樹(shù)木盆栽的熒光參數(shù)進(jìn)行了測(cè)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(dòng)下，較穩(wěn)定，通常用來(lái)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(xiàn)中都得到過(guò)說(shuō)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(jìn)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(duì)植物光合作用的影響

稀土金屬對(duì)于植物的光合作用也有不少人研究過(guò)。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(shí)，隨著農(nóng)用稀土濃度提高，光合作用也逐漸地提高，當(dāng)濃度達(dá)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(duì)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(jiàn)，稀土元素對(duì)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(jìn)植物的光合作用，這一點(diǎn)與重金屬是相反的，可能由于稀土離子本身是一類(lèi)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(jìn)光和電子的傳遞。但濃度過(guò)大時(shí)，促進(jìn)作用反而就會(huì)轉(zhuǎn)為抑制作用，這一點(diǎn)與重金屬是相同的，可能由于大量稀土離子的進(jìn)入，破壞了葉綠體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光合作用下降。

因此，通過(guò)文獻(xiàn)結(jié)論發(fā)現(xiàn):金屬進(jìn)入植物體后，其熒光性和光合作用變化都與單純測(cè)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(lái)用以研究金屬對(duì)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(duì)此產(chǎn)生了興趣，通過(guò)這些現(xiàn)象幫助深入了解光合作用的機(jī)理和過(guò)程，為我們認(rèn)識(shí)更多的生物生理活動(dòng)提供了方法和途徑。并實(shí)現(xiàn)了由熒光動(dòng)力學(xué)技術(shù)測(cè)定熒光參數(shù)，熒光平均壽命與熒光量子產(chǎn)值等方法來(lái)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(xiàn)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(jìn)一步的證實(shí)研究。

所以說(shuō)，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(zhǔn)確的了解其機(jī)理作用，同時(shí)為今后的生產(chǎn)、生活提供更多的理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)效用。

［1］梅鎮(zhèn)安.葉綠素在活體中的熒光現(xiàn)象［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，1978，(5):54-64.

［2］馮建燦，胡秀麗，毛訓(xùn)甲.葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)在研究植物逆境生理中的應(yīng)用［J］.經(jīng)濟(jì)林研究，2002，20(4):14-18.

［3］張景平，黃小平.葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在海草生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2009，28(6):772-778.

［4］梁英，王帥，馮力霞，等.重金屬脅迫對(duì)纖細(xì)角毛藻生長(zhǎng)及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懀跩］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，38(1):59-67.

［5］胡勤海，管麗莉，葉兆杰，等.稀土元素對(duì)小球藻葉綠素(a)含量及其亞顯微結(jié)構(gòu)的影響［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1996，16(3):204-207.

［6］Dwight E，Talburt，George T.Some metabolic Effects of rare earth cations on aspergillus niger cells［J］.Mycologia，1972，64(3):551-557.

［7］洪法水，魏正貴，趙貴文.稀土在天然植物鐵芒萁體內(nèi)結(jié)合形式的光譜學(xué)研究［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22(11):1790-1794.

［8］沈志強(qiáng)，康琳，金承志.輕稀土離子可以被纖細(xì)裸藻277攝入細(xì)胞內(nèi)部［J］.科學(xué)通報(bào)，1999，4(415):1590-1596.

［9］楊俊林，李漢杰，聞宏濤.葉綠素一稀土的光譜研究［J］.中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，1992，10(1):86-88.

［10］Kupper H，Kupper F，Spiller M.Environmental relevance of heavy metal-substituted chlorophylls using the example of water plants［J］.J.Exp.Bot.，1996，47(2):259-266.

［11］Kowalewska G，Hoffmann S K.Identification of the copper porphyrin complex formed in culture of blue-green alga Anabaena variabilis［J］.Acta.Physiol Plant.，1989，11:39-50.

［12］劉淑萍.天然葉綠素鐵鋅鹽的制備方法［P］.中國(guó):CN200710061547.2，2007-10-03.

［13］陶海鵬，李曉勇.脫鎂葉綠酸鈣的制備［J］.華西藥學(xué)雜志，2002，17(2):120.

［14］張軍鋒.稀土及鉛鎘卟啉配合物的制備分離和性質(zhì)研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2004.

［15］田生望，肖乾秀，季業(yè)偉，等.葉綠素及其衍生物的實(shí)驗(yàn)與臨床研究簡(jiǎn)析［J］.中醫(yī)藥學(xué)刊，2004，22(2):286-288.

［16］焦杰英，李賽君，陳健，等.過(guò)渡金屬葉綠素的合成和光譜研究［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，1999，9(5):405-412.

［17］胡明波.葉綠素類(lèi)卟啉化合物離子識(shí)別功能的研究［D］.山東:山東師范大學(xué)，2009.

［18］喬慶東.稀土葉綠素的形成及吸收光譜［J］.撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，15(4):39-41.

［19］施翔，陳益泰，王樹(shù)鳳，等.3種木本植物在鉛鋅和銅礦砂中的生長(zhǎng)及對(duì)重金屬的吸收［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31(7):1818-1826.

［20］朱宇林，曹福亮，汪貴斌，等.Cd、Pb脅迫對(duì)銀杏光合特性的影響［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，21(1):47-50.

［21］陳輝，施國(guó)新，徐勤松，等.Cr6+對(duì)菹草葉綠素?zé)晒鈪?shù)、抗氧化系統(tǒng)和超微結(jié)構(gòu)的脅迫影響［J］.植物研究，2009，29(5):559-564.

［22］李伶，袁琳，宋麗娜，等.鎘對(duì)浮萍葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(5):1062-1068.

［23］Nirupama Mallick，F(xiàn).H Mohn.Use of chlorophyll fluorescence in metal-stress research:a case study with the green microalga Scenedesmus［J］.Ecotoxicology and Environment Safety，2003，55(1):64-69.

［24］吳惠芳，劉鵬，龔春風(fēng)，等.Mn脅迫對(duì)龍葵和小飛蓬生長(zhǎng)及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懀跩］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(4):653-658.

［25］Catriona M O Macinnis-Ng，Peter J Ralph.Towards a more ecologically relevant assessment of the impact of heavy metals on the photosynthesis of the seagrass，Zostera capricorni［J］.Marine Pollution Bulletin，2002，45(1-12):100-106.

［26］魯艷，李新榮，何明珠，等.重金屬對(duì)鹽生草光合生理生長(zhǎng)特性的影響［J］.西北植物學(xué)報(bào)，2011，31(2):370-376.

［27］余海兵，劉正，王波，等.農(nóng)用稀土對(duì)糯玉米幼苗光合變化和生理指標(biāo)的分析［J］.中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，2011，29(1):119-124.

［28］徐建明，汪鑫，樊趁英，等.稀土鑭對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)及葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的影響［J］.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009，25(1):117-122.

［29］林候.鑭稀土對(duì)鵝毛竹光合作用及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懀跠］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2007.

［30］周潔，張霽，郭蘭萍，等.稀土元素鑭對(duì)黃花蒿光合作用及青蒿素積累的影響［J］.中草藥，2010，41(8):1371-1374.