植物的光合作用及光感應_ pptx

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艳郑
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1 認知單元 (20) 植物的光合作用及光感應 Shih- Long Tu 涂世隆 Ins.tute of Plant and Microbial Biology Academia Sinica, Taipei, Taiwan. 中央研究院植物暨微生物學研究所光合作用的重要性大綱光合作用發生的位置光線的特性及參與光合作用的色素 Light reaction ( 光反應 ) Calvin cycle ( 卡爾文循環 ; 碳反應 ) C3, C4, CAM 植物葉綠素的合成及相關的應用研究植物的光感應及光型態調控 1

2 地表對太陽能的折射及吸收 Adapted from h-p://solarenergyfactsblog.com/solar- energy- diagram/ 光合作用的重要性 6 CO H 2 O + 光子 C 6 H 12 O O H 2 O Adapted from h-p:// farm.net/kidslinks/photosynthesis.html 2

3 Vascular plants 維管束植物 Non-vascular plants 無維管束植物 Algae 藻類 Cyanobacteria 藍綠菌光合作用的重要性大綱光合作用發生的位置光線的特性及參與光合作用的色素 Light reaction ( 光反應 ) Calvin cycle ( 卡爾文循環 ; 碳反應 ) C3, C4, CAM 植物葉綠素的合成及相關的應用研究植物的光感應及光型態調控 3

4 植物的葉片組織葉肉細胞維管束氣孔葉綠體的構造外膜內膜葉綠囊基質葉綠餅葉綠囊內腔葉綠囊膜 4

5 葉綠體的構造 : Electron micrograph of a chloroplast 基質基質板層葉綠餅葉綠體的構造 : Electron micrograph of a chloroplast 葉綠囊葉綠餅基質基質板層 5

6 葉綠囊膜上主要的四種蛋白質複合體葉綠囊膜上主要的四種蛋白質複合體光系統 II 細胞色素 b 6 f 光系統 I ATP 合成酶 6

7 光合作用的光反應 (light reaction) 及卡爾文循環 (Calvin cycle) ( 或稱碳反應, carbon reaction) 光合作用的重要性大綱光合作用發生的位置光線的特性及參與光合作用的色素 Light reaction ( 光反應 ) Calvin cycle ( 卡爾文循環 ; 碳反應 ) C3, C4, CAM 植物葉綠素的合成及相關的應用研究植物的光感應及光型態調控 7

8 光線是一種電磁波波長電磁波的波長 8

9 光譜儀 (spectrophotometer) 的原理分光器偵測器太陽光的光譜 (spectrum) 及葉綠素 (chlorophyll) 的吸收光譜 (absorption spectrum) 9

10 不同波長光線的光合作用效率 T. W. Engelmann, 1880 光合作用色素的化學結構葉綠素胡蘿蔔素膽色素 10

11 光合作用色素的吸收光譜光合作用的重要性大綱光合作用發生的位置光線的特性及參與光合作用的色素 Light reaction ( 光反應 ) Calvin cycle ( 卡爾文循環 ; 碳反應 ) C3, C4, CAM 植物葉綠素的合成及相關的應用研究植物的光感應及光型態調控 11

12 光合作用的光反應 (light reaction) 及卡爾文循環 (Calvin cycle) ( 或稱碳反應, carbon reaction) 葉綠囊膜上主要的四種蛋白質複合體光系統 II 細胞色素 b 6 f 光系統 I ATP 合成酶 12

13 光系統 I 及 II 上的光吸收蛋白光吸收蛋白上的葉綠素及胡蘿蔔素 13

14 光吸收蛋白上的能量傳遞及反應中心的電子生成 2 chlorophyll a 水分子裂解及電子生成 14

15 光系統 I 上的電子傳遞及 NADPH 生合成硫鐵蛋白 -NADP 還原酶還原態的硫鐵蛋白氧化態的硫鐵蛋白電子傳遞鏈及氫離子梯度光系統 II 細胞色素 b 6 f 光系統 I ATP 合成酶 15

16 ATP 合成酶 (F 1 F o ATP synthase) 的作用機制及結構光反應合成 ATP 及 NADPH 光系統 II 細胞色素 b 6 f 光系統 I ATP 合成酶 16

17 光合作用的重要性大綱光合作用發生的位置光線的特性及參與光合作用的色素 Light reaction ( 光反應 ) Calvin cycle ( 卡爾文循環 ; 碳反應 ) C3, C4, CAM 植物葉綠素的合成及相關的應用研究植物的光感應及光型態調控光合作用的光反應 (light reaction) 及卡爾文循環 (Calvin cycle) ( 或稱碳反應, carbon reaction) 17

18 卡爾文循環的三個主要階段 RuBP 固碳再生 PGA 還原卡爾文循環 18

19 卡爾文循環中的固碳及還原反應固碳還原 RuBP PGA RuBP carboxylase/oxygenase (Rubisco) RuBP carboxylase/oxygenase (Rubisco) 的組成 19

20 醣類的生合成果糖磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸澱粉蔗糖光合作用的重要性大綱光合作用發生的位置光線的特性及參與光合作用的色素 Light reaction ( 光反應 ) Calvin cycle ( 卡爾文循環 ; 碳反應 ) C3, C4, CAM 植物葉綠素的合成及相關的應用研究植物的光感應及光型態調控 20

21 植物的葉片組織葉肉細胞維管束氣孔 C4 及 C3 植物葉片切面的比較葉肉細胞 C4 維管束維管束鞘細胞 C3 21

22 C4 植物葉片切面葉肉細胞上表皮維管束鞘細胞下表皮 C4 植物的碳反應蘋果酸鹽 22

23 代表性的 C4 植物玉米甘蔗高粱 CAM 植物的碳反應 Crassulacean Acid Metabolism 23

24 代表性的 CAM 植物仙人掌鳳梨光合作用的重要性大綱光合作用發生的位置光線的特性及參與光合作用的色素 Light reaction ( 光反應 ) Calvin cycle ( 卡爾文循環 ; 碳反應 ) C3, C4, CAM 植物葉綠素的合成及相關的應用研究植物的光感應及光型態調控 24

25 葉綠素的生合成路徑紫質葉綠素的生合成路徑 IV 25

26 地表對太陽能的折射及吸收 Adapted from h-p://solarenergyfactsblog.com/solar- energy- diagram/ 太陽能板的光電反應 26

629-634 植物是隨處可見的太陽能工廠紫質染劑製成的太陽能板能量轉換效率 : 12.

27 模擬葉綠素的太陽能板染劑葉綠素 YD2 及 YD2-o-C8 紫質染劑 Science 4 November 2011: Vol. 334 no pp 植物是隨處可見的太陽能工廠紫質染劑製成的太陽能板能量轉換效率 : 12.5 % 光合作用效率 < 6% Adapted from h-p://news.pchome.com.tw/magazine/report/li/scienific/6843/ htm 27

28 光合作用的重要性大綱光合作用發生的位置光線的特性及參與光合作用的色素 Light reaction ( 光反應 ) Calvin cycle ( 卡爾文循環 ; 碳反應 ) C3, C4, CAM 植物葉綠素的合成及相關的應用研究植物的光感應及光型態調控 Gravity Light Temperature Humidity Wind CO 2 Herbivores Pathogens Ethylene Soil microorganisms Toxic minerals and compounds Mineral nutrients O 2 Parasites Soil quality Water status 28

29 光線影響植物所有階段的生長與發育 phy: phytochrome cry: cryptochrome phot: phototropin 生物週期氣孔開閉葉綠體移動避開遮蔽向光性開花萌芽去白化植物的光受器及其載色體 29

30 太陽光的光譜 (spectrum) 及葉綠素 (chlorophyll) 的吸收光譜 (absorption spectrum) Blue-light responses 3. Chloroplast movement ( 葉綠體移動 ) 1. Phototropism ( 向光性 ) 2. Inhibition of hypocotyl elongation ( 抑制下胚軸伸長 ) 4. Stomatal opening ( 氣孔開閉 ) 30

31 Phototropism ( 向光性 ) Asymmetrical growth and bending; mediated by phototropins blue light Etiolated corn coleoptiles Phycomyces Arabidopsis seedlings 低等植物及高等植物的向光性有些許不同 Higher plants 0 hr 9 hr John M. Christie Lower plants 0 min 5 min 20 min 60 min Meske and Hartmann,

Inhibition of hypocotyl elongation ( 抑制下胚軸伸長 )

over- expressor Chloroplast movement ( 葉綠體移動 )

32 Inhibition of hypocotyl elongation ( 抑制下胚軸伸長 ) mediated by cryptochromes WT CRY1 - CRY1 + PHYB - WT CRY1- CRY1 + PHYB - WT CRY1- CRY1 + PHYB - CRY1 - : CRY1 deficient mutant CRY1 + : CRY1 over- expressor Chloroplast movement ( 葉綠體移動 ) mediated by phototropins Science 291, (2001) 32

33 Stomatal opening ( 氣孔開閉 ) mediated by phototropins 氣孔開閉主要由二個因子調節 : 1. CO 2 ( 二氧化碳 ) 2. Light light dark 生長在黑暗中及光線下的植物幼苗 33

34 種子萌芽是一種光可逆的反應 mediated by phytochromes Domain organization of plant phytochrome 34

35 光感應機制在農業上的應用之一 : 抑制植物避開遮蔽的反應來增加農作物種植密度 35

36 光合作用的重要性大綱光合作用發生的位置光線的特性及參與光合作用的色素 Light reaction ( 光反應 ) Calvin cycle ( 卡爾文循環 ; 碳反應 ) C3, C4, CAM 植物葉綠素的合成及相關的應用研究植物的光感應及光型態調控 References: Buchanan, et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2001 Taiz & Zeiger, Plant Physiology, 2010 Smith, et al., Plant Biology,

37 光合作用及能量循環生產者消費者分解者 37

38 植物細胞中的葉綠體 Adapted from h-p://inhabitat.com/mit- scienists- create- arificial- solar- leaf- that- can- power- homes/ 葉綠囊膜上主要的四種蛋白質複合體 38

Rough endoplasmic reiculum ( 粗糙內質網 ) 9. Golgi complex ( 高基氏體 ) 10. Secretory vesicles ( 分泌囊泡 ) 11.

39 Animal cell vs Plant cell 1. Plasma membrane ( 細胞膜 ) 2. Mitochondria ( 粒線體 ) 3. Lysosome ( 溶體 ) 4. Nuclear envelope ( 核膜 ) 5. Nucleolus ( 核仁 ) 6. Nucleus ( 細胞核 ) 7. Smooth endoplasmic reiculum ( 平滑內質網 ) 8. Rough endoplasmic reiculum ( 粗糙內質網 ) 9. Golgi complex ( 高基氏體 ) 10. Secretory vesicles ( 分泌囊泡 ) 11. Peroxisome ( 過氧化體 ) 12. Cytoskeleton ( 細胞骨架 ) 13. Microvilli ( 微絨毛 ) 14. Cell wall( 細胞壁 ) 15. Vacuole ( 液泡 ) 16. Chloroplast ( 葉綠體 ) 電子傳遞鏈 39

40 ATP 合成酶的結晶結構循環電子傳遞鏈 40

41 葉綠素的生合成路徑 I 葉綠素的生合成路徑 II 紫質 41

42 葉綠素的生合成路徑 III 42

43 葉綠體內累積的澱粉顆粒 43

(Microsoft Word - 1012-2\256\325\260\310\267|\304\263\254\366\277\375.doc)

$(Microsoft Word - 1012-2\256\325\260\310\267|\304\263\254\366\277\375.doc)$ 國立屏北高級中學 101 學年度第 2 學期第 2 次校務會議紀錄壹會議名稱 :101 學年度第 2 學期第 2 次校務會議貳時間 :102 年 6 月 28 日 ( 星期五 ) 下午 13 時 10 分參地點 : 本校圖書館四樓視聽會議室肆出列席人員 : 詳如簽到簿伍主