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光胁迫适应及其机制

先看一道试题：

植物接受过多光照可能对进行光合作用的相关细胞器造成损害，因此植物需要一种名为“非光化学淬灭”（NPQ）的机制来保护自身，在NPQ的作用下多余的光能会以热能的形式散失。该机制的启动和关闭特点如图一所示，其中符号“”代表抑制作用。

（1）由图一推测，在光照强度以及其他环境因素均相同的情况下，状态③比状态①的光合作用强度_____（强/弱/相等）。关于NPQ机制从开启到缓慢关闭过程中的一系列生理变化中，导致上述差异的内部原因主要是：_____、_____。

（2）科学研究者研发了一种转基因烟草（VPZ），相比野生烟草（WT）其在由强光转为弱光后NPQ机制关闭的时间缩短。图二为分别在恒定光强和波动光强下测得的两种烟草的CO2最大固定速率。

①农作物一半的光合作用是在有各种阴影时进行的。结合图一推断，同样环境条件下VPZ的产量比WT的产量_____（高/低）

②由图二分析可知，转基因烟草（VPZ）相比野生烟草（WT）的优势是：_____。

（3）如图三所示装置是研究光合作用和呼吸作用常用的实验装置之一（实验室除自变量外其他条件相同且适宜）。若A内为水培阳生植物，请用多套该装置设计实验初步估测A植物的光补偿点大小（已知实验所用光照强度分别为200Lux、500Lux、800Lux、1100Lux、1400Lux、1700Lux，用液滴移动的距离来表示气体变化量）写出实验设计思路，并从数学模型角度进行结果分析。_____。

答案：弱[H]（NADPH、还原氢）下降?ATP的合成量下降?高?在波动光强下，VPZ的最大光合速率（CO2最大固定率）比WT高?实验设计思路：取7套装置在B中各加入一定浓度的二氧化碳缓冲液（或一定浓度NaHCO3溶液）将整个装罝分别放在?OLux、200Lux、500Lux、800Lux、1100Lux、1400Lux、1700LUX光照下相同时间，记录液滴移动的距离

结果以横坐标表示光照强度，纵坐标表示O2的吸收或释放量，用描点作图法将所得数据连接成曲线。曲线与横坐标交点处的光照强度即为该植物的光补偿点大小

解析：根据题干信息分析，NPQ是一种“非光化学淬灭”的机制，能将多余的光能会以热能的形式散失，说明其影响的是光合作用的光反应阶段。据图分析，图一中①到②为多云转晴，NPQ机制迅速启动，而②到③为晴转多云，NPQ机制缓慢关闭，NPQ机制从启动到缓慢关闭的过程中，很多光能以热能的形式散失了，导致光反应减弱，进而抑制了二氧化碳的利用。根据图二分析可知，波动光照条件下，VPZ的最大二氧化碳固定率比WT要高。

（1）由图一推测，在光照强度以及其它环境因素均相同的情况下，状态③中虽然NPQ受到抑制，但是关闭比较缓慢，仍然有少部分光能被转化成热能散失，最终导致状态③比状态①的光合作用强度弱。由于NPQ机制关闭过程缓慢，导致色素吸收的光能减少，光反应减弱，导致类囊体内还原氢浓度下降，光反应减弱，从而导致ATP的合成量下降，由于部分光能仍以热能形式散失，从而使光合作用强度减弱。

（2）根据题意可知，转基因烟草（VPZ）与野生烟草（WT）相比，其在由强光转为弱光后NPQ机制关闭的时间缩短；并且柱形图中看出，恒定光强时两种植物的CO2最大固定速率相等，而波动光照下转基因烟草CO2最大固定速率高，因此同样环境条件下VPZ的产量比WT的产量高。

（3）该实验的目的是设计实验初步估测A植物的光补偿点大小，实验设计思路为：取7套装置在B中各加入一定浓度的二氧化碳缓冲液（或一定浓度NaHCO3溶液），将整个装罝分别放在?OLux、200Lux、500Lux、800Lux、1100Lux、1400Lux、1700LUX光照下相同时间，记录液滴移动的距离。然后以横坐标表示光照强度，纵坐标表示O2的吸收或释放量，用描点作图法将所得数据连接成曲线，曲线与横坐标交点处的光照强度即为该植物的光补偿点大小。

此题情境“过多光照（光胁迫）对植物有何影响”教材没有提到。

那么，过多光照对植物有何影响呢？

一、什么是光胁迫？

植物的光胁迫是指光照强度超过或低于植物光合作用的适宜范围，从而对植物造成伤害的现象。具体来说，当光照强度过高时，会导致光抑制现象，即光合作用效率降低，甚至可能引起光系统的不可逆破坏；而光照不足时，即所谓荫蔽胁迫已经在往期中进行了分享，请看相关内容。今天主要讨论强光下植物的适应。

二、强光胁迫下植物的适应

1.光合作用的动态适应

植物在自然环境中经常面临光照强度和光质的波动，这要求它们能够快速调整光合作用以维持生理功能。例如，植物通过动态适应机制来应对高光和低光条件。在高光条件下，植物会增加光合系统II（PSII）的容量，提高电子传递速率，并通过光化学淬灭（NPQ）来保护光系统免受过度激发能量的伤害。而在