金属叶绿素荧光性在金属对植物光合作用影响中的应用

刘淑萍，王燕

(河北联合大学化学工程学院，河北唐山 063009)

0 引言

二十世纪40～60年代间，已有许多学者研究了各种不同溶剂的叶绿素溶液的吸收光谱与荧光光谱［1］，企图获得光合作用过程中色素之间的能量传递与日光能的转换机制，发现光合作用中金属离子的影响是诸多因素之一。因此，金属进入植物体内的生理活动及所形成的金属叶绿素的荧光发光规律等就需要深入研究讨论。近些年来，叶绿素荧光动力学技术［2］飞速发展，大多是对叶绿素荧光参数值的变化来研究重金属、稀土金属等因素对植物光合作用的影响［3，4］。可见，叶绿素及金属叶绿素的荧光性是研究植物光合作用的一个有效手段。

1 金属离子对植物光合作用的影响

金属离子在植物体内的存在形式多种多样，作用也各异。而与光合作用相关的形式，目前主要集中为三点［5］:(1)金属离子可与叶绿蛋白结合，或可直接与叶绿素结合;(2)金属离子可于镁离子发生竞争，取代镁离子形成叶绿素衍生物;(3)金属离子还可与磷化合间接影响叶绿蛋白的合成。重金属与稀土的作用机制类似，都是间接或直接导致叶绿素的合成发生变化，进而抑制或促进光合作用。

对于观点(2)，很多专家、学者进行了对植物喷洒、施加金属元素的实验，从中找到了一些理论根据:Dwight等［6］通过实验认为稀土离子可与镁离子发生竞争，从而改变叶绿体结构并影响叶绿素合成。还有洪法水等［7］发现天然铁芒萁中稀土离子也配位到了叶绿素卟啉环内。沈志强等［8］研究证明Nd3+进入纤细裸澡细胞内部，取代了叶绿素中心Mg2+，形成稀土叶绿素衍生物。同时杨俊林［9］也证明有稀土－叶绿素的形成。通过铜、锌和镍等重金属胁迫藻类植物的实验中［10，11］，也得到了重金属取代叶绿素中的镁离子形成重金属叶绿素的确凿证据。

所以我们可以大胆认为:金属对于叶绿素的作用在一定程度上是由于金属取代了镁离子与叶绿素形成了金属叶绿素衍生物，影响了植物体内叶绿素的合成，继而使光合作用发生变化。因此，可以通过研究金属叶绿素的性能，尤其是荧光特性，并以此来探讨植物的光合作用。

2 金属叶绿素的荧光特性

金属叶绿素衍生物是由叶绿素分子中卟啉环内金属离子的取代或环外金属离子的成盐所形成的一类化合物，包括:1)金属叶绿素，如铁叶绿素、锌叶绿素等;2)金属叶绿酸盐，如铜叶绿酸钠、铁叶绿酸锌［12］等;3)脱镁叶绿酸盐，如脱镁叶绿酸钙［13］。此类化合物热、光的稳定性和抗氧化性都较叶绿素更好。

据目前文献报道，植物体外人工合成的、天然植物体内存在的或人工培养的植物体内合成的金属叶绿素衍生物已有多种。取代离子为过渡金属的有 Cu、Zn、Fe(Ⅱ/Ⅲ)、Co、Ni、Mn、Cr、Pd、Ag、Hg、Cd、Ru、Pt［14］、Au［15］;稀土金属有 La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Yb、Y、Tb［9］、Tm［14］、Ce［7］;其它族金属有 Pb、Sn［14］。

2.1 过渡金属叶绿素的荧光特性

叶绿素分子结合了过渡金属元素后，大多表现为荧光减弱或荧光猝灭。其猝灭原因为基态的荧光物质与猝灭剂(过渡金属离子)反应生成非荧光的化合物，导致荧光的猝灭。

通过几种过渡金属(Cu、Zn、Fe、Co、Ni)叶绿素a荧光光谱的测定［16］，发现除铜叶绿素无荧光外，其余的均有较弱荧光。在发射波长上，过渡金属叶绿素较叶绿素a均有一定程度的蓝移。而胡明波［17］在研究中也发现，铜叶绿素的荧光强度和脱镁叶绿素a相比下降了95%，发射波长向短波些许移动;锰叶绿素的荧光强度几乎下降到了0。关于其猝灭作用的强弱原理可能和过渡金属的性质有关，金属离子的电荷排布、半径大小、离子价态等都有可能直接影响卟啉环结构的荧光强弱。

上述看出，金属叶绿素衍生物的荧光性具有特异性，不同的衍生物其荧光性强弱有区别，其发射波长也有一定规律性，且发光区域只在红带区。荧光强弱上，金属叶绿素都较叶绿素是荧光减弱的，但不同的金属离子，其猝灭程度不一;发射波长上，较叶绿素二者都蓝移。

2.2 稀土金属叶绿素衍生物荧光性

有报道认为:稀土元素可以使植物叶片中的叶绿素含量增加，从而增加了植物的光合潜能，特别是轻稀土的作用更为明显［18］。由于稀土金属本身就是一类具有荧光性的元素，因此它与叶绿素配合后的荧光性呈现出与过渡金属元素非常不同的结果。发射波长、荧光强度都有一定程度的改变。

杨俊林等［8］在410 nm光激发下分别测定了叶绿素和叶绿素-稀土的荧光光谱，按照其荧光光谱特征，大致可将稀土叶绿素分为三类:(l)440和475 nm处均有明显的荧光峰，如La3+、Pr3+、Nd3+、Yb3+和Y3+，(2)440 nm处无荧光峰，475 nm处有强的荧光峰，如Sm3+、Dy3+;(3)与叶绿素荧光峰基本相同，如Gd3+。

张军锋［13］也发现，在蓝带区域稀土叶绿素配合物有较强的荧光发射，此外，稀土叶绿素在蓝带的荧光强度比红带强。稀土叶绿素在蓝带区域的独特发光性质可以作为稀土叶绿素是否形成的一个重要标志。

从现有报道中可以看出:稀土叶绿素的荧光性较过渡金属叶绿素来说，情况相对复杂。第一，荧光在红带和蓝带都有;第二，蓝带荧光较红带荧光更强;第三，不同的稀土离子其荧光峰值不同。这是因为稀土元素与叶绿素卟啉环都属于可发荧光的物质，两者作用后的性质就会互相影响。

2.3 叶绿素和金属叶绿素荧光特性小结

过渡金属叶绿素与稀土金属叶绿素在荧光特性上最大的区别就是:过渡金属叶绿素发光波段只在红带，而稀土金属叶绿素红带、蓝带均发光，且蓝带荧光强度大于红带;还有过渡金属叶绿素荧光性较叶绿素或脱镁叶绿素整体表现为荧光猝灭，而稀土叶绿素则是在不同波段，发光有强有弱。

3 荧光特性在金属对植物光合作用中的应用

利用荧光性来研究植物光合作用是很有效的一个手段。目前，较为广泛使用的是叶绿素荧光技术，它利用植物体内叶绿素作为天然探针，对树木、盆栽、作物、藻类、草类等荧光参数进行测定，以其变化值分析植物光合作用的强弱。重金属叶绿素衍生物大部分为荧光猝灭，抑制光合作用。而稀土金属进入叶绿素分子后，荧光有强有弱，对光合作用有促进也有抑制。

3.1 重金属对植物的胁迫作用

重金属对植物的胁迫作用体现在它的毒害和抑制光合作用，继而影响植物的正常生长。

施翔［19］等对树木盆栽的荧光参数进行了测定，Fv/Fm(Fv/Fm表示PSⅡ的最大光化学量子产量，正常生理活动下，较稳定，通常用来反应植物光合作用的能力)值减少，表明植物受到重金属铅、锌、铜的毒害。朱宇林［20］等也有相似结论:重金属Cd胁迫银杏的最大光化学效率Fv/Fm均明显下降，使银杏叶片产生了光抑制现象。此结论在大量文献中都得到过说明，涉及的植物有菹草、浮萍、微藻、芥菜、玉米等，涉及的重金属包括 Cr、Mn、Cu、Zn 等［21-25］。

重金属进入植物后叶绿素荧光的改变与人工合成金属叶绿素荧光猝灭的情况是相一致的，而且一般随着金属离子浓度的增加，荧光参数改变明显，即PSⅡ反应中心由于重金属离子的侵入已经发生损害，阻碍了光和电子的传递，光合作用受抑制明显［25］。

3.2 稀土金属对植物光合作用的影响

稀土金属对于植物的光合作用也有不少人研究过。于海兵［27］研究了糯玉米幼苗，表明施用农用稀土能显著提高荧光参数Fv/Fm，ETR，NPQ，Fv/F0，Yield，qP。低浓度时，随着农用稀土浓度提高，光合作用也逐渐地提高，当浓度达到400 mg/kg后，随着农用稀土浓度升高，光合作用反而降低。在对水稻幼苗、鹅毛竹和黄花蒿植株的光合作用［28-30］研究中也得到相似结论。

可见，稀土元素对植物的影响与重金属有明显区别。在一定浓度范围内，稀土可以促进植物的光合作用，这一点与重金属是相反的，可能由于稀土离子本身是一类可发光离子，它与叶绿素分子的结合在一定范围内可促进光和电子的传递。但浓度过大时，促进作用反而就会转为抑制作用，这一点与重金属是相同的，可能由于大量稀土离子的进入，破坏了叶绿体结构，导致光合作用下降。

因此，通过文献结论发现:金属进入植物体后，其荧光性和光合作用变化都与单纯测定人工合成的金属叶绿素衍生物的荧光性是有一定关联性和一致性的。将二者联合起来用以研究金属对植物光合作用的影响是有一定可行性的。

4 展望

随着叶绿素荧光现象的发现，人们对此产生了兴趣，通过这些现象帮助深入了解光合作用的机理和过程，为我们认识更多的生物生理活动提供了方法和途径。并实现了由荧光动力学技术测定荧光参数，荧光平均寿命与荧光量子产值等方法来研究植物的光合作用。植物光合作用影响因素诸多，如重金属、稀土金属等，那么这些金属离子是如何影响叶绿素荧光的?是如上述文献中提到的金属离子取代叶绿素中镁离子形成金属叶绿素，还是金属离子本身和镁一样，可直接合成金属叶绿素?这些都有待进一步的证实研究。

所以说，从不同角度，不同途径研究植物的光合作用及其影响因素，不仅将使我们更加准确的了解其机理作用，同时为今后的生产、生活提供更多的理论依据和现实效用。

［1］梅镇安.叶绿素在活体中的荧光现象［J］.发光学报，1978，(5):54-64.

［2］冯建灿，胡秀丽，毛训甲.叶绿素荧光动力学在研究植物逆境生理中的应用［J］.经济林研究，2002，20(4):14-18.

［3］张景平，黄小平.叶绿素荧光技术在海草生态学研究中的应用［J］.海洋环境科学，2009，28(6):772-778.

［4］梁英，王帅，冯力霞，等.重金属胁迫对纤细角毛藻生长及叶绿素荧光特性的影响［J］.中国海洋大学学报，2008，38(1):59-67.

［5］胡勤海，管丽莉，叶兆杰，等.稀土元素对小球藻叶绿素(a)含量及其亚显微结构的影响［J］.中国环境科学，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，魏正贵，赵贵文.稀土在天然植物铁芒萁体内结合形式的光谱学研究［J］.高等学校化学学报，2001，22(11):1790-1794.

［8］沈志强，康琳，金承志.轻稀土离子可以被纤细裸藻277摄入细胞内部［J］.科学通报，1999，4(415):1590-1596.

［9］杨俊林，李汉杰，闻宏涛.叶绿素一稀土的光谱研究［J］.中国稀土学报，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］刘淑萍.天然叶绿素铁锌盐的制备方法［P］.中国:CN200710061547.2，2007-10-03.

［13］陶海鹏，李晓勇.脱镁叶绿酸钙的制备［J］.华西药学杂志，2002，17(2):120.

［14］张军锋.稀土及铅镉卟啉配合物的制备分离和性质研究［D］.武汉:武汉大学，2004.

［15］田生望，肖乾秀，季业伟，等.叶绿素及其衍生物的实验与临床研究简析［J］.中医药学刊，2004，22(2):286-288.

［16］焦杰英，李赛君，陈健，等.过渡金属叶绿素的合成和光谱研究［J］.自然科学进展，1999，9(5):405-412.

［17］胡明波.叶绿素类卟啉化合物离子识别功能的研究［D］.山东:山东师范大学，2009.

［18］乔庆东.稀土叶绿素的形成及吸收光谱［J］.抚顺石油学院学报，1995，15(4):39-41.

［19］施翔，陈益泰，王树凤，等.3种木本植物在铅锌和铜矿砂中的生长及对重金属的吸收［J］.生态学报，2011，31(7):1818-1826.

［20］朱宇林，曹福亮，汪贵斌，等.Cd、Pb胁迫对银杏光合特性的影响［J］.西北林学院学报，2006，21(1):47-50.

［21］陈辉，施国新，徐勤松，等.Cr6+对菹草叶绿素荧光参数、抗氧化系统和超微结构的胁迫影响［J］.植物研究，2009，29(5):559-564.

［22］李伶，袁琳，宋丽娜，等.镉对浮萍叶绿素荧光参数的影响［J］.环境科学学报，2010，30(5):1062-1068.

［23］Nirupama Mallick，F.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］吴惠芳，刘鹏，龚春风，等.Mn胁迫对龙葵和小飞蓬生长及叶绿素荧光特性的影响［J］.农业环境科学学报，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］鲁艳，李新荣，何明珠，等.重金属对盐生草光合生理生长特性的影响［J］.西北植物学报，2011，31(2):370-376.

［27］余海兵，刘正，王波，等.农用稀土对糯玉米幼苗光合变化和生理指标的分析［J］.中国稀土学报，2011，29(1):119-124.

［28］徐建明，汪鑫，樊趁英，等.稀土镧对水稻幼苗生长及叶绿素荧光动力学参数的影响［J］.江苏农业学报，2009，25(1):117-122.

［29］林候.镧稀土对鹅毛竹光合作用及叶绿素荧光特性的影响［D］.南京:南京林业大学，2007.

［30］周洁，张霁，郭兰萍，等.稀土元素镧对黄花蒿光合作用及青蒿素积累的影响［J］.中草药，2010，41(8):1371-1374.