一种通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法技术

本发明专利技术公开一种通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法，照射植物的光线中波长大于440nm光权重高的光作为长波光，波长小于或者等于440nm光的权重高的光作为短波光，使得长波光照射的植物产生的qE与短波光照射植物的qE之比：qE

【技术实现步骤摘要】
一种通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法


[0001]本申请涉及中药种植领域，尤其是适用于通过光调节叶绿素激发提高中药种植效率的领域。

技术介绍

[0002]光照射到植物叶片上，其能量将由叶绿素吸收，吸收的能量根据光量子的能级（波长越长，能级越低）分别引起叶绿素分子轨道的电子跃迁到一级激发态还是二级激发态（都是单线态）（图1）。植物进行光合作用的能量来自于太阳能，光合色素吸收太阳能，产生激发能，再经过类囊体膜的电子传递链上进行一系列氧化还原反应，最终进行能量转化，产生生物能（ATP）和还原势（NADPH2），提供叶绿体固定二氧化碳，合成碳水化合物的所需的能量和化学势。
[0003]虽然太阳能提供了光合作用过程所需的基本能量，但是，过强太阳能会使叶绿体产生过剩的激发能，导致活性氧等有害物质的产生，最终引起细胞死亡。为了应对多变的环境因子，植物产生了一系列的保护机制，包括非光化学淬灭和光破坏机制，就是说，叶绿体中过剩的激发能并不能转变为化学能，而是以热的形式（非光化学淬灭），或者部分的光合器官解体的形式消耗掉（光破坏），这部分能量消耗无疑降低了植物光合效率。因此，如何有效地设计光能输入是关系到植物光能利用效率的关键因素。植物的叶绿体中与吸收太阳能有关的光合色素有两大类分子，即：叶绿素（Chla和 Chlb）和各种类胡萝卜素分子。不同的光合色素由于其分子轨道分布不同而具有不同的跃迁能级，因而吸收具有不同能量的光子，由上所述，叶绿体吸收光能，产生的激发能具有两个去向，一个是光化学淬灭，这部分能量转化为生物质；而另一部分能量为非光化学淬灭，这部分能量作为维持细胞活动，过剩能量的消耗和光破坏。为了能够尽可能增加农作物的光合产量，必须尽量减少非光化学淬灭，增加光化学淬灭的成分。
[0004]叶绿素不同激发态的命运：1、二级激发态（蓝光区，或者400nm周围的光）弛豫到一级激发态（红光区，或者说是650nm周围的能量），一级激发态在弛豫到基态的过程中，可以引起一系列物理化学反应，最后将能量转换为化学能，体现为光合作用碳固定、产生生物量。但是，研究表明，由于太阳能很强，植物经常会面临能量过剩的状态，叶绿素吸收的能量并不能100%地转换为化学能，而是有相当部分要作为过剩能量消耗掉，所以，一级激发态的能量可以有以下不同的出路（图2）：1、光化学淬灭（光合作用、或者生物量积累），这部分能量是经过一系列氧化还原反应，最终转换成化学能（产生生物量）；2、经过斯托克斯位移（stokes shift）放出一部分能量，发出荧光（基础荧光，过剩能量消耗，光保护）；3、直接将能量传递给类胡萝卜素，以热的形式消耗过剩能量（过剩能量消耗，光保护）；4、叶绿素单线态激发态发生电子自旋，产生三线态激发态（长寿命激发态），而叶绿素的三线态激发态会与氧气作用产生活性氧自由基（ROS），ROS会引起光合色素氧化（光漂白）与光合作用色素蛋白复合体解体（光破坏），最后引起光合效率降低或者细胞死亡。所以，长寿命三线态的产生是破坏光合作用的。
[0005]不同叶绿素分子结构的差异导致其激发态的寿命不同，Chlb的激发能寿命非常短，目前科学的认知认为，Chlb能够非常迅速地将其激发能传递给Chla，而Chla的激发能寿命相对比较长，并且会根据其所在的介质不同而改变，当Chla的能量不能及时地转化成化学能，则会引起激发电子的自旋，产生长寿命的三线态激发态，进而导致活性氧的产生，引起光破坏。如果能通过调控减少Chla二级激发态的量，可以大大地降低叶绿素三线态的危害，达到合理地利用和分配类囊体膜的激发态分布，达到最佳的光合效率，增加作物产量。
[0006]现有技术中，对于入射光的不同波长光产生的一级激发态的去向以及对于光合作用效率的影响已经进行了大量的研究，但是，关于二级激发态对于不同一级激发态的影响、以及最终对于光合作用效率的影响的问题和技术，并没有解决。

技术实现思路

[0007]为了解决上述通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法调节问题，本专利技术提供一种通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法，公开了通过降低入射光中能够引起叶绿素a(Chla)二级激发态的光质的权重而提高作物产量的方法，通过改变入射光谱中“长/短波”比例，达到降低光破坏、进而提高植物光合作用效率。
[0008]叶绿素的吸收能级根据其分子结构及所处的环境不同而不同，而叶绿体则也根据入射光的能级（波长）引起不同叶绿素的激发态跃迁，而按照本申请对植物叶绿素进行不同光质条件下的激发，并利用以下公式计算激发能不同的弛豫方式：1Chl
* = Fn+PQ+NPQ
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(1)其中：1Chl
*
:叶绿素分子吸收太阳能产生的单线态激发能；Fn：基础荧光（维持植物本身的热量平衡，分子振动等等）；PQ：光化学淬灭（经过一系列电子传递过程，进行能量转换，产生生物能ATP，还原势NADPH2）；NPQ：非光化学淬灭，此部分的能量消耗是光合作用中非常重要的过程，即通过以不同形式消耗掉过剩能量，避免过剩能量对于光合器官的伤害，所谓光保护过程。光合作用的NPQ有不同形式，根据能量淬灭过程的机理分为以下三个部分：NPQ=qE + qT + qI
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中：qE: 快相激发能淬灭：这一过程直接和高能淬灭有关，由类囊体膜跨膜质子梯度调控，与叶黄素循环和玉米黄素的产生有关，是一个非常迅速的能量淬灭过程，持续时间为飞秒到一分钟内，这部分淬灭过程能够有效地消耗掉过剩能量，保护光合组织； qT：中间相激发能淬灭：这个过程与状态转换有关，通过光合膜蛋白的磷酸化/去磷酸化过程，产生蛋白质的构象变化，进而在光合膜不同光系统之间迁移，通过这种形式在不同光系统之间分配激发能，这种形式的能量淬灭持续时间比qE长，能够持续10分钟左右；qI：慢相激发能淬灭：也称光破坏/光抑制。是一个与光合膜色素蛋白复合体解体有关的过程，这部分淬灭方式持续的时间很长，达到几个小时以上，甚至引起细胞死亡。
[0009]由此确定本申请的技术方案：通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法。
[0010]具体来说，本申请的技术方案包括：一种通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法，照射植物的光线中波长
大于440nm光权重高的光作为长波光，波长小于或者等于440nm光的权重高的光作为短波光，使得长波光照射的植物产生的qE与短波光照射植物的qE之比：qE
长波
/qE
短波
>1.1，长波光中波长大于440nm光权重高是指∑(380nm
‑
440nm)/∑(441nm
‑
550nm)<1；短波光中的小于或者等于440nm光的权重高是指∑(380nm
‑
440nm)/∑(441nm
‑
550nm)>1；∑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法，其特征在于：照射植物的光线中波长大于440nm光权重高的光作为长波光，波长小于或者等于440nm光的权重高的光作为短波光，使得长波光照射的植物产生的qE与短波光照射植物的qE之比：qE
长波
/qE
短波
>1.1，长波光中波长大于440nm光权重高是指∑(380nm
‑
440nm)/∑(441nm
‑
550nm)<1；短波光中的小于或者等于440nm光的权重高是指∑(380nm
‑
440nm)/∑(441nm
‑
550nm)>1；∑为光谱图中相应区域的积分面积。2.根据权利要求1所述的通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法，当其中照射植物的光线采用包括自然光的光线时，qE
长波
/qE
短波
>3.0；或者照射植物的光线采用白色LED光源，其中蓝光峰值为470nm的长波LED入射光作为长蓝光，蓝光峰值为440nm的短波LED入射光作为短蓝光，使得长蓝光照射植物产生的qE与短蓝光照射植物产生的qE之比：qE
长蓝光
/qE
短蓝光
>1.9。3.根据权利要求2所述的通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法，其特征在于：qE
长波
/qE
短波
>3.1或者qE
长蓝光
/qE
短蓝光
>1.95。4.根据权利要求2至3中任一项所述的通过降低叶绿素A二级激发态提高光合效率的方法，其特征在于：qI
长...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：赣江新区活草生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：