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试析光合作用的研究动向
2014-3-26
来源:科学网
点击数: 2267          作者:英驰科技
  • 试析光合作用的研究动向

    作者:亦云

    来源:植物学报

     

    摘要 光合作用被称为“地球上最重要的化学反应”和“生命界最重大的顶极创造之一”,在生物演化、生物圈形成和运转及人类诞生与经济和社会的可持续发展等过程中都处于非常关键的地位。从最近召开的国际和国内光合作用会议来看,当前进行的研究呈现出领域越来越宽广、层次越来越深入、技术越来越先进的特点:研究重点集中在探讨光合作用反应机理、结构与功能,揭示光合机构组装、运转与调节机制及光合作用与人类可持续发展3个方面。

     

    1 光合作用的重要性

    诺贝尔奖委员会在1988年宣布光合作用一项研究成果获奖的评语中称“光合作用是地球上最重要的化学反应”(Frängsmyr and Malmström,1992)。光合作用受到如此重视,其原因是在人们目前已知的宇宙星体中,只有地球表层有一个由大量生物形成的生物圈在运转,而其形成和维持都需要依靠光合作用提供的有机物和氧气。当生物演化到人类出现,并逐渐组成社会和进行各种生产活动时,更需要大量的食物、燃料和多种植物来源的原料,它们都直接或间接地由光合产物转化而成。因此,给予光合作用过程如此高的评价是非常恰当的。

    光合作用是将太阳辐射能转变为化学能,并利用它将无机物合成有机物的过程,无数生物的生命活动都直接或间接地在消耗这些光合产物,并在此基础上演化和蓬勃发展(Xiong and Bauer,2002)。因此,光合作用既是生命科学的重大基本问题,又与人类的生存及生产实践紧密相关。为此,世界各国纷纷投入大量的人力、物力和财力进行光合作用的研究以揭示这一“生命界最重大的顶极创造”(Lawton et al.,2005)。进入21世纪以后,科学技术迅速发展,可是人们的食物还要直接或间接地来源于光合产物。燃料和工业生产的原料虽逐渐在利用核能和多种矿产,但由光合产物转变而成的资源仍非常重要。现在人们已经认识到,要促进经济和社会的可持续发展,尽可能利用可再生资源和维护好生态环境。地球表层生长的各种植物进行的光合作用是******规模地利用太阳能将CO2和水等无机物转化为有机物并释放氧气的过程,它形成了大量的可再生资源并维护着生态环境的平衡。当前令人担心的是大量使用石油和煤等化石燃料会引起CO2浓度剧增,产生温室效应,故正大力提倡节能减排。而利用当代植物光合作用转化成的产物则不会增加大气中的CO2浓度,如大量植树造林将使CO2转变成有机物长期地贮存起来而更具“碳汇”功能。因此,人们深切体会到光合作用不仅与地球上生物演化有关,而且对当前经济和社会的可持续发展的贡献也非常巨大。这一认知促进了世界各国加大研究光合作用原理和应用力度。

    2 国际光合作用大会和中国光合作用研究及有关会议简述

    2.1 国际光合作用大会

    为给全世界广大的光合作用研究者提供学术交流与合作研究的平台,早在1935年就召开过“光合作用专题讨论会”。1968年,在Helmut Metzner的领导下召开了“第1次国际光合作用大会”,以后每3年举办1次,各国科研人员都可提供摘要并参加会议。1992年,在日本名古屋召开了“第9次国际光合作用大会”并成立了“国际光合作用协会(International Society of Photosynthesis Research, ISPR)”,历次会议召开的时间和地点见表1(Govindjee, 2004;Govindjee and Knaff,2006)。最近,第15次国际光合作用大会于2010年8月22–27日在中国北京召开。自1995年第10次国际光合作用大会以来,每次大会都有了明确的主题(表1),这是会议主办和承办单位认为光合作用和当前世界现状有关的重要方面。从表1可知,生物圈运转、全球前景、能源、食物和环境等都是全世界研究者关注的热点。从近2次国际光合作用大会参加者投送的论文摘要所属专题,大致可了解当前光合作用的研究动向(表2,表3)。简明扼要地讲,对光合作用的机理研究不仅在进一步深入,而且对光合机构的信号转导、组装、运转和调控等方面有了较全面的揭示;此外,还增加了联系全球气候变化、农业生产、生物能源和模拟光合结构功能的应用研究。

    2.2 中国光合作用研究及有关会议

    1929年,李继侗先生在Annals of Botany上发表了中国光合作用研究的第1篇论文(Li,1929)。新中国成立后,在1956年(中国科学院上海植物生理研究所,殷宏章先生领导)和1960年(中国科学院植物研究所,汤佩松先生领导)先后成立了2个光合作用研究室。1978年,由殷宏章先生倡议,在广州召开了一次全国性的光合作用学术研讨会,会议邀请了许多与光合作用有关的农业、物理和化学等研究机构的相关科研人员参加,较广泛地讨论了光合作用问题,这对中国光合作用多学科的交流合作起到了推动作用。1980年11月23–28日,中国植物生理学会在上海召开了“全国光合作用生理生态学术研讨会”,正式出席会议的有来自全国39个研究所和教学单位的70多位科研人员和教师, 中国科学院生物学部、上海分院的领导及出版社和报社的同仁,中国植物生理学会理事长殷宏章先生在第1次全体会议上致开幕词,16位代表作了大会报告。进入20世纪80年代, 越来越多的科研工作者加入到了光合作用的研究队伍,进行了多领域多水平的研究。为增强全国光合作用研究者的沟通、交流与合作,中国植物生理学会、中国植物学会、中国科学院上海植物生理研究所光合作用实验室和中国科学院北京植物研究所光合作用研究中心于1981年在福建厦门联合主办了“第1次全国光合作用学术研讨会”。1984年在江苏扬州召开了第2次会议,此次会议邀请了几位国外从事光合作用研究的科学家参加,如Rajni Govindjee、Bacon Ke(葛培根)和Wah Soon Chow(曹华顺)。此后,中国每2年举行1次全国性的光合作用学术研讨会(如逢全国植物生理学会召开代表大会年份,就于大会中召开光合作用专题会议,不再另行举办),至今已召开过10余次。最近1次是于2008年9月18–22日在井冈山召开的“纪念殷宏章先生百年诞辰暨全国光合作用学术研讨会”。

    3 近年来国内外光合作用会议概况

    3.1第14次国际光合作用大会

    2007年7月22–27日,由国际光合作用协会主办、英国光合作用委员会协办的“第14次国际光合作用大会”(以下简称“第14次会议”)在英国格拉斯哥市苏格兰展览与会议中心举行。大会为期6天,主题是:光合作用——来自太阳的能量。来自42个国家的824名代表参加了本届大会,大会邀请了Daniel Nocera博士等11位国际著名专家作大会特邀报告(表2)。大会内容涉及26个研究领域,共146个专题报告。本届大会共收到摘要715份、海报600余份(表3)。大会前后还召开了7个专题卫星会议(表4)。

    3.2 第15次国际光合作用大会

    2010年8月22–27日,由国际光合作用协会主办、中国科学院植物研究所承办的“第15次国际光合作用大会”(以下简称“第15次会议”)在北京友谊宾馆召开。大会为期6天,主题是:光合作用——食物、能源和未来。来自42个国家的近1000名代表参加了本届大会,大会特邀诺贝尔奖获得者John Walker博士等14位国际著名专家作大会报告(表2)。大会内容涉及26个研究领域,共135个专题报告(表3)(除专题研讨会8、10、11、15和23为6个专题报告外,其余均为5个专题报告)。本届会议共收到摘要604份,海报500余份(表3)。大会前后召开了5个专题卫星会议(表4)。这是国际光合作用大会首次在中国举行,说明中国的光合作用研究工作日益得到国际同行的认可。大会为广大专家学者提供了学术交流和科研合作的平台,同时让世界各国学者更好地了解中国光合作用研究的进展。会议期间, 国际光合作用协会还举行了会员大会,选举产生了第16届国际光合作用协会执行委员会委员,继沈允钢和匡廷云院士之后,张立新研究员成为中国第3位执行委员。

    3.3 2006年全国光合作用学术研讨会

    为更好地组织和联合全国光合作用科研人员申请2006年的“国家重点基础研究发展计划(973计划)”,促进中国光合作用研究的发展、交流与合作, 由中国科学院植物研究所光合作用研究中心、中国科学院上海植物生理生态研究所光合作用研究开放实验室、北京大学生命科学学院及扬州大学生命科学与技术学院联合举办了“2006年全国光合作用学术研讨会”,会议于2006年4月21–22日在扬州大学召开。来自中国科学院的植物研究所、上海植物生理生态研究所、物理研究所和化学研究所等7个研究所及北京大学、清华大学和四川大学等26所高校从事光合作用研究的143名代表参加了会议。在为期2天的会议上,31位代表围绕“光合膜蛋白质结构与功能、光合作用分子调控机理、光合作用功能基因组学、光合作用蛋白质组学和光合作用环境适应分子机理”等方面展现了国内光合作用研究的******成果, 并就光合作用研究的热点问题进行了热烈讨论。大会特邀报告有国际著名光合作用专家、国际光合作用协会主席、芬兰Turku大学Eva-Mari Aro教授的“拟南芥核基因对叶绿体发育的调控”、日本Nagoya大学Teruo Ogawa教授的“蓝藻二氧化碳浓缩机制******研究进展”、沈允钢院士的“光合磷酸化的功能协调和应用”、李振声院士的“提高小麦个体和群体光合效率及光合同化产物优化分配规律”和匡廷云院士的“多学科交叉在光合作用研究中的应用”。令人遗憾的是, 此次会议未能征集出版论文摘要汇编。

    3.4 2007年全国光合作用学术研讨会

    2007年9月20–22日,由中国植物学会和植物生理学会主办,中国科学院植物研究所光合作用研究中心、中国科学院上海植物生理生态研究所光合作用研究开放实验室和四川大学生命科学学院承办的“2007年全国光合作用学术研讨会”在四川大学召开。来自全国16个省(市)近40家科研教学单位的109位科研人员参加了此次会议。会议共收到90篇论文摘要, 31位研究人员从结构和功能、光合与发育、光保护、光合与环境、藻类光合作用、光合与农业及电子传递等方面作了专题报告,介绍了近年来中国光合作用研究取得的******进展(表5)。

    3.5 纪念殷宏章先生百年诞辰全国光合作用学术研讨会

    2008年9月19–22日,由中国植物生理学会光合与代谢专业委员会主办、江西省植物生理学会和江西农业大学承办的“纪念殷宏章先生百年诞辰全国光合作用学术研讨会”在江西省井冈山召开。来自全国19个省(市)52个单位的120多位代表参加了会议。会议首先集体缅怀中国光合作用研究先驱——殷宏章先生,然后33位研究人员按“光合作用机理探讨、光合机构运转与调控及光合作用与可持续发展”专题进行了分组报告,会议共收到76篇论文摘要(表5)。

    4 光合作用研究动向

    从最近2次国际和3次国内光合作用会议来看,当前进行的光合作用研究呈现出领域越来越宽广、层次越来越深入、技术越来越先进的特点,研究重点大致可分为3大方面(表6)。当然这样的区分是相对的,它们彼此间存在着密切的交叉和联系,从中可分析出光合作用的研究动向。

    4.1 光合作用反应机理、结构与功能的广泛探讨

    此方面的研究是在20世纪中叶开始掀起高潮的。Melvin Calvin(卡尔文)等阐明了光合作用中CO2的同化途径;Daniel Israel Arnon(阿农)等发现了光合磷酸化,San Pietro(圣•彼得罗)等从叶绿体中分离到铁氧还蛋白(Fd);Robert Emerson(爱默生)和Lawrence Roger Blinks(布林克斯)等分别观察到光合作用的双光增益效应和光色瞬变效应,使人们认识到光合作用中有2种光化学反应,它们必须协调发生,光合作用才能顺利进行。20世纪60年代初,人们把这些结果综合起来,进而对光合作用的基本过程有了一个大概认识,明确光合作用过程可分为原初反应、电子传递与光合磷酸化及碳同化三大阶段。此后几十年中,许多学科的科学家都努力研究它们的反应机理和结构功能,获得了不少的知识,但还有许多关键之处至今仍不清楚。这就成为目前许多实验室大力探讨的热点,很多工作已深入到分子水平,并取得了较大的进展。第14次、第15次会议分别收到这方面的摘要316篇和215篇,占总数的44.6%和35.9%;大会报告均为4个,分别占总数的36.4%和28.6%;卫星会议均为2个,分别占总数的28.6%和40.0%。2007年、2008年全国光合作用学术研讨会分别收到此方面的摘要32篇和21篇,占总数的35.6%和30.9%;专题报告分别为8个和14个,占总数的25.8%和48.3%(表6)。近几年来,此方面最集中和最突出的研究领域是放氧过程、光能捕获和同化力形成。

    4.1.1 放氧过程

    从水分子中释放氧气是光合作用独有的过程,参会论文摘要描述了利用电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance,EPR)、核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)和傅立叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)等多种先进波谱技术,从整体、细胞到蛋白复合体超分子水平对放氧机制进行的研究。其中,在Mn的参与和水作为底物的反应等机制的阐明上有了显著进展。此外,对锰离子在氧释放过程中的价态变化也有了更好的观测。第14次会议收到该方面的摘要60篇,占总数的8.5%;美国加利福尼亚大学Richard Debus教授作了题为Oxygen evolution”的大会报告。第15次会议收到该方面的摘要28篇,占总数的4.7%;美国耶鲁大学Gary Brudvig教授作了题为“Water oxidationchemistry of photosystem II and artificial 

    systems”的大会报告;专题研讨会上,日本沈建仁教授的出色工作“Crystal structure of oxygen evolving photosystem II at an atomic resolution”受到了与会代表的一致好评。

    4.1.2 光能捕获

    天线色素和反应中心色素蛋白复合体是光合作用高效吸能、传能和进行光能原初转化的结构基础,其结构与功能的研究是光合作用研究的热点之一。近年来,这方面的研究取得了较大的进展。其研究特点是物理和化学相关领域的广泛参与及与其它生物学科的相互交叉渗透和联合,如超快速光谱(飞秒、皮秒等时间分辨光谱)技术的发展与应用、各种先进的光谱和波谱技术的发展和介入、膜蛋白结晶技术和分子生物学研究的发展、多种突变株的获得和深入研究等。第14次会议收到该方面的摘要167篇, 占总数的22.6%;德国马普研究所的“Alfred Holzwarth作了题为Primary processes——from isolated complexes to intact plants”的大会报告;召开了“Light-Harvesting Systems Workshop”卫星会议。第15次会议收到该方面的摘要107篇,占总数的17.5%;美国加州大学伯克利分校的Graham Fleming作了题为“Design principles for 100% 

    quantum efficiency in photosynthetic light harvesting”的大会报告;召开了“Photosynthetic Light 

    Harvesting”卫星会议。

    4.1.3 同化力形成

    光合作用同化力的形成包括相互偶联的电子传递和光合磷酸化两部分,涉及很多调节过程。其中,比较重要的有电子传递链的多条途经、光合磷酸化对电子传递速率的影响、形成ATP与NADPH的准量关系及偶联效率的变动。第14次会议收到该方面的摘要77篇,占总数的10.9%;美国华盛顿州立大学的David Kramer教授作了题为“The plumbing of photosynthesis,integrating

     the electron and proton transfer reactions in vivo”的大会报告;召开了“State Transitions”卫星会议。第15次会议收到该方面的摘要59篇, 占总数的9.7%;英国诺贝尔奖获得者John Walker和日本京都大学Toshiharu Shikanai教授分别作了题为“How ATP is made in mitochondria”和“Regulatio

    of photosynthetic electron transport by PSI cyclic electron transport”的大会报告; 召开了Molecular

    Basis of Photosynthetic Energy and ElectronTransfer and Related espiratory Processes Processes”卫星会议。

    4.2 光合机构组装、运转与调节的深入揭示

    有关光合机构组装、运转与调节的研究在近30年来蓬勃兴起,着重揭示的是光合作用各过程之间的联系及结构功能是如何随生理状态和环境条件的不同而变动。它是前一方面研究达到一定程度后的自然延伸,既有助于阐明前一方面研究中难以解决的疑难问题和发现的新问题,又可为基础研究通向应用搭建桥梁,因而发展速度很快。第14次、第15次会议分别收到该方面的摘要216篇和291篇,占总数的30.5%和48.6%;大会报告分别为2个和5个,占总数的18.2%和35.7%;卫星会议分别为3个和2个,占总数的42.9%和40.0%。2007年、2008年全国光合作用学术研讨会分别收到该方面的摘要28篇和24篇, 占总数的31.1%和35.3%;专题报告均为9个,分别占总数的29.0%和31.0%。最近会议中此方面研究所占的比例已略超“光合作用反应机理、结构与功能的广泛探讨”方面,说明它已成为光合作用研究最为活跃的一部分。它将分子、细胞器、器官和整体水平的研究贯穿起来进行,即把机理研究和生理研究有机结合起来。

    4.2.1 叶绿体有关组分的生物合成与组装

    由于叶绿体中的蛋白复合体和一些光合色素生物合成的遗传信息常常是一部分携带在叶绿体基因组上,另一部分携带在细胞核基因组上,因此它们的合成和组装不但需要一系列步骤间的密切协调,而且还涉及一些多肽或中间产物穿过叶绿体被膜或类囊体膜到达合适部位的过程。显然,其中包含着许多非常复杂而微妙的问题,吸引了众多科学家去深入阐释。第14次、第15次会议分别收到该方面的摘要84篇和54篇,占总数的12.3%和9.0%(表6);大会报告均为2个,分别占总数的18.2%和14.3%(表2,表6)。两次会议中与此方面相关的大会(专题)报告有“Chlorophyll biosynthesis: enzymology on a global scale”(英国谢菲尔德大学Neil Hunter教授)、“Assembly of photosynthesis proteins in the chloroplast: do it yourself provided the nucleus sets the rhythm”(德国生物物理化学研究所Francis-André Wollman教授)、“Organelle communication”(澳大利亚国立大学Barry Pogson教授)、“Assembly and dynamics of photosynthetic complexes”(瑞士日内瓦大学Jean-David Rochaix教授)、“Cell-specific differentiation of chloroplasts in maize to

     accommodate C4 metabolism and an update on the Arabidopsis chloroplast proteome”(德国慕尼黑大学Jürgen Soll教授)和“Photosynthetic proteomics”(美国康奈尔大学Klaas Jan van Wijk教授)。

    4.2.2 光合作用中部分反应的弹性衔接和协调

    光合作用实际进行的情况要比目前阐释的大致途径复杂得多,具体原因正在深入追踪中。例如,2种光化学反应所引起的电子传递是串联在一起的,在多变的环境中保证2种光化学反应可协调地发生就必须有一个灵活的控制途径。科学家已发现了一些端倪,但距离阐明其奥秘还相差甚远。电子传递和光合磷酸化的偶联是电子在类囊体膜上进行定向传递产生质子动力势来推动ATP的合成, 但其详情和准量关系至今尚未确切了解。至于通过它们形成的NADPH和ATP, 如何在比例和数量上适合光合碳同化和各种需能过程,更是知之甚少,至今还只能做一些定性描述。这方面研究往往与“同化力形成”紧密联系在一起而不可分割。第14次、第15次会议分别收到该方面的摘要130篇和106篇,占总数的18.4%和17.4%;大会报告分别为2个和3个,占总数的18.2%和21.5%。第14次和第15次会议就此方面还分别召开了“CAM and C4 

    Metabolism”、“Research Frontiers with Rubisco, the ‘Elixir of Life’ in the Biosphere”和“Exploiting 

    the Engine of C4 Photosynthesis to Better Serve Humanity”卫星会议。

    4.2.3 光合机构运转及对环境变动的响应和适应

    光合作用是植物的重要功能, 光合机构的运转必然要与植物的其它生理活动密切配合。植物发育阶段的变化及其生理状态的更迭都会使它们对光合产物需求的数量和质量不同。尽管人们已经知道这些信息的传递是通过激素和电波等多种途径实现的,但对其分子机理和详情的了解才刚刚开始。植物光合作用需要从太阳接受光能,从空气中吸收二氧化碳,从土壤中吸收水分和其它无机营养才能顺利进行。因此,光合机构的运转需要与环境有非常密切的物质和能量交换,而环境又是时刻变动着的,无论光、温、水、肥、气或者其它生物因素的改变都会影响光合作用的顺利进行。光合机构具有巧妙的应变能力,在一般情况下它能“逆来顺受”,在不利的环境中不仅可避免自身受到伤害,而且还可保持相当的活性。当前很多实验室的科研人员正在努力探讨它们的适应机理。第14次会议上,美国哈佛大学的Jenq-Yunn Sheen教授作了题为“Sugar 

    and energy sensing and signaling networks in plants”的大会报告;第15次会议上,澳大利亚国立大学的Barry Pogson教授作了题为“Chloroplast to nuclear signaling during light and drought stress”的大会报告。第14次、第15次会议分别收到该方面的摘要118篇和104篇,占总数的16.7%和17.4%。

    4.3 光合作用与人类的可持续发展

    保证人类的食物供应、提供生产和生活所需的可再生能源和资源及维护适宜的生态环境,就必须要努力改善和加强植物的光合作用。光合作用研究如何更好地实现上述目标,促进经济和社会的可持续发展是光合作用会议中特别关注的实际问题,最近2次会议的主题“ Photosynthesis: Energy from the Sun ” 和“Photosynthesis: Food, Fuel, and the Future”就是******的体现。因此,国际上对光合作用的研究在探究其反应机理及机构运转调节的同时,也越来越重视将其与人类的可持续发展有机结合。第14次、第15次会议分别收到该方面的摘要176篇和93篇,占总数的24.9%和15.5%;大会报告均为5个,占总数的45.5%和35.7%;卫星会议分别为2个和1个,占总数的28.6%和20.0%。2007年、2008年全国光合作用学术研讨会分别收到该方面的摘要30篇和23篇,占总数的33.3%和33.8%;大会报告分别为14个和6个,占总数的45.2%和20.7%。此方面的研究始于20世纪中叶的农业第1次绿色革命,但目前已不局限于此,而是涉及整个植物生产系统、可再生能源、生态环境、气候变化和生物演化(表7)。从最近的2次国际光合作用大会可以看出,改善光合作用、提高作物产量仍是大家一直努力的重要研究方向,但光合作用与能源、环境和气候关系的研究也正逐渐呈现出星火燎原之势。

    4.3.1 光合作用与植物生产

    改善光合作用及提高作物产量始终是大家努力的研究方向。有人预测在21世纪上半叶会出现以提高植物在自然条件下光合作用效率为中心的第2次绿色革命,它将比第1次绿色革命的影响更深刻、更广泛且巨大。第1次绿色革命是在农业生产中以培育矮秆直立叶型作物品种为中心,以显著提高大田群体光能利用率,使尽可能多的光合产物转变为经济产量。第2次绿色革命则是力求在第1次绿色革命的基础上更进一步提高植物叶片等光合机构的光能转化效率,使其由目前高产田的不到2%上升到接近光合作用在自然条件下可利用太阳能的理论效率(接近5%)。这就需要人们能及时诊断植物光合机构在田间光能利用率不高的原因,并提供合适的改善措施。要做到这一点,难度非常大,既需要深入掌握光合作用的机制,又需要有相应的监测、分析和调控的高新技术。然而,科学的进步已使人们感到这并不是高不可攀的,当前已出现不少可喜的苗头。例如,对光合机构运转与调节的研究已使人们可通过测定叶片的荧光和气体交换等来大致推断其光合作用效率不高的限制因子。如果再大力加强探讨,并与空间遥感、全球定位和地理信息系统及计算机控制技术等结合起来,完全有希望做到随时监测和改善植物在自然条件下的光合作用,从而使未来农业获得大幅度增产。第14次会议收到该方面的摘要15篇,占总数的2.1%;菲律宾国际水稻研究所的John Sheehy教授作了题为“Harnessing photosynthesis 

    for tomorrow’s world: humans, crop production and poverty alleviation”的大会报告; 会议设立了“Photosynthesis: a fundamental tool for modern agriculture and forestry”专题研讨会。第15次会议收到该方面的摘要17篇,占总数的2.8%;英国剑桥大学Julian Hibberd教授作了题为“The 

    feasibility of transferring C4 photosynthesis into C3 crops to increase yield”的大会报告;会议设立了“Crop yield improvement”专题研讨会;召开了“Exploiting the Engine of C4 Photosynthesis to 

    Better Serve Humanity”卫星会议。

    4.3.2 光合作用与再生能源

    使用煤炭、石油和天然气等化石燃料可导致大气中的CO2浓度不断上升并产生温室效应,进而引起全球气候变化。如何能减缓这种灾害性事态的发展速度呢?很重要的一项措施就是利用当代植物光合作用所产生的可再生能源;加强植物种植,把大气中的CO2固定起来,成为新的可再生能源,为人类所利用。除此以外,物理学家模拟植物对光能利用的机理开发光电池,实现人工捕获太阳能,目前这一方面已成为一大研究热点。第14次会议收到该方面的摘要22篇,占总数的3.2%;麻省理工学院Daniel Nocera教授作了题为“Photosynthesis:a blueprint for powering the planet”的大会报告。第15次会议收到该方面的摘要26篇,占总数的4.3%;美国宾夕法尼亚大学的Leslie Dutton教授、意大利摩西和基索菲(Mossi & 

    Ghisolfi, 简称M&G)集团研发公司的Dario Giordano教授和瑞士洛桑联邦理工学院的Michael 

    Graetzel教授分别作了题为“Principles of electron/proton transfer for engineering artificial solar 

    converters”、“Second generation ethanol: ready for the biofuels market”和“Photovoltaic cells which 

    mimic photosynthesis”的大会报告。此外, 从近两次的会议主题“Photosynthesis: Energy from the 

    Sun”、 Photosynthesis: Food, Fuel, and the Future”及召开的卫星会议和设立的专题研讨会也可看出“光合作用与再生能源”方面研究的重要性。第14次会议召开了“Solar Energy and Artificial 

    Photosynthesis”卫星会议; 设立了“ Bioenergy and photosynthesis ” 和“ Artificial photosynthesis 

    symposium”专题研讨会。第15次会议召开了“2nd International Symposium on Solar Cells and 

    Solar Fuels”卫星会议; 设立了“Mimicking photosynthetic light harvesting”、“Plant derived biofuel”和“Microbial derived biofuels”专题研讨会。

    4.3.3 光合作用与生物圈运转

    光合作用是地球上几乎一切有机物的原初生产者和大气中氧气的提供者。没有植物的光合作用, 地球上的生物圈就难以形成和维持。植物光合作用的出现是生命演化过程中的转折点和生物圈形成及运转的关键环节。要使生物圈良性运转下去, 就必须研究光合作用与其的相互关系。一般体现在3个方面, 即生态环境、气候变化和生物演化, 目前已引起人类的广泛关注, 将成为一大研究方向。第14次会议收到生态环境方面的论文摘要34篇(占总数的4.8%)、气候变化方面的24篇(占4.4%)和生物演化方面的15篇(占2.1%);美国卡耐基研究所Joseph Berry教授、华盛顿大学Robert Blankenship教授和罗格斯大学Paul Falkowski教授分别作了题为“The 

    Breathing of a planet: a confluence of atmospheric science with plant physiology”、“The 

    Evolutionary transition from anoxygenic to oxygenic photosynthesis”和“How the evolution of 

    oceanic photosynthesis shaped the biogeochemistry of earth”的大会报告; 设立了与此相关的“ Origin and evolution of photosynthetic systems”、“Perception of the environment and signaling”、“Global climate change―terrestrial”、“Global climate change―aquatic”和“Photosynthetic 

    mechanisms under stress: regulation and improvement”专题研讨会; 召开了“VIth International 

    Symposium on Inorganic Carbon Utilization by Aquatic Photosynthetic Organisms”和“Imaging 

    and Integrating Heterogeneity of Plant Functions: Function Biodiversity from Cells to the Biosphere”卫星会议。第15次会议收到生态环境方面的论文摘要31 篇( 占总数的5.2%), 气候变化方面的16 篇( 占2.7%); 中国科学院吴国雄教授和以色列理工学院的Debbie Lindell教授分别作了题为Formation, variation variation and projection of climate”和“Photosynthesis genes in cyanobacterial 

    viruses: what is going on?”的大会报告; 设立了与此相关的“Perception of environmental stress

     and acclimation”、“Marine photosynthesis and global impact”、“Photosynthesis and new 

    environmental challenges”和“Global photosynthesis and climate change”专题研讨会;召开了“VIIth International Symposium on Inorganic Carbon Utilization by Aquatic Photosynthetic Organisms”卫星会议。

    最后, 值得一提的还有两点。(1) 对海洋生物光合作用的关注。在第14次和第15次会议及2007年全国光合作用学术研讨会上围绕这一方面都有大会报告、专题研讨会和卫星会议(表2–表4)。海洋生物形态结构的特异性、生存环境的特殊性和生物演化的过渡性, 使得它们在生物演化、改善生态环境、应对气候变化和制造生物能源等方面具有独特的优势, 因此越来越受到人类的青睐。(2) 光合作用研究与计算机科学的交叉越来越深入。从以前的群体光合作用模拟走向了光合机理和生理过程的模拟, 并逐步发展成为一门重要的分支学科——计算系统生物学Computational Systems Biology)。第15次会议虽然收到此方面的论文不多, 但为此单独设立了专题研讨会。

    参考文献

    Frängsmyr T, Malmström BG (1992). Nobel Lectures in Chemistry (1981–1990). Singapore: 

    World Scientific Publishing Company Private Limited. pp. 515–516.

    Govindjee R (2004). A list of photosynthesis conferences and of edited books in photosynthesis. Photosyn Res 80, 447–460.

    Govindjee R, Knaff D (2006). International photosynthesis congresses (1968–2007). 

    Photosyn Res 89, 1–2.

    Lawton G, Phillips H, Douglas K, George A, Wilson C, Holmes B, Gosline A, Nowak R (2005). Life\'s top 10 greatest inventions. New Sci 186, 26–35.

    Li TT (1929). The immediate effect of change of light on the rate of photosynthesis. Ann Bot 43, 587–601.

    Xiong J, Bauer CE (2002). Complex evolution of photosynthesis. Annu Rev Plant Biol 53, 503–521.

     

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