引入稳定性碳同位素概念讲授光合碳代谢途径的尝试

引入稳定性碳同位素概念讲授光合碳代谢途径的尝试 引入稳定性碳同位素概念讲授光合碳代谢 途径的尝试 植物生理学通讯第41卷第5期,2005年10月665 引入稳定性碳同位素概念讲授光合碳代谢途径的尝试 易现峰孔祥生史国安黄华 河南科技大学农学院,河南洛阳471003 光合作用是植物生理学中比较重要的一个章 节,也是植物生命活动中的核心过程之一,有 C,C和景天酸(CAM)3种不同类型碳代谢途 径,在许多植物生理学教科书中,对此介绍得比 较明白.我们在教学过程中感到,尽管多次强调 C,C和CAM3种途径的主要异同点和相应植物 类群的主要特征,但绝大多数学生仍然对此缺少 感性认识,甚至有些迷茫.鉴于此,我们在讲 授植物不同光合途径的过程中,引入稳定性碳同 位素概念,这不仅使学生在学习过程中掌握了一 门与植物生理学相关的技术方法,也增强了学生 对3种碳代谢途径的理解.现介绍如下. 1同位素 尽管”同位素”已经成为一个熟知的名词, 但对其结构特征,学生中很少有人能正确完整地 表述出来,所以我们在讲解之前对此先加说明和 讲解,指出:所谓同位素是指原子内具有相同质 子数而中子数不同的一类元素的总称.为了给学 生更为直观的印象,我们以H同位素为例,绘出 原子结构(图1).由此,学生很容易理解自然界 中H的3种同位素:氕,氘和氚.氕不具有中 子,而氘和氚分别具有1个和2个中子,但是它 们的质子数都是1个(图1). ???氕 ?质子 氘 .中子 氚 ?电子 图1自然界中氢的3种同位素 2稳定性同位素 提到同位素,很多学生一下子会想起放射性 同位素,而对稳定性同位素的概念却不一定明 确.为了不让学生产生混淆,我们在讲解过程 中,特别提出稳定性同位素与放射性同位素在概 念上的区别:稳定性同位素是同位素中不具有放 射性的一类元素.如氢同位素中的氕和氘即为稳 定性同位素,不具有放射衰变的特性,而氚则具 有很强的放射性.在自然界中碳元素具有3种同 位素,即C,?C和HC.C和C是稳定性的, 而HC具有放射性,衰变后形成C,并附带讲明 这也是放射性碳同位素测年的理论依据. 3稳定性碳同位素 接下来,我们介绍与光合作用关系密切的同 位素及与稳定性碳同位素相关的知识:碳元素有 两种中子数不同的稳定性同位素C和?C.同时 向学生传递这样,个信息:绝对的同位素含量很 难测定,所以,一般用?C/C的比率表示某种物 质中这两种稳定性同位素的丰富度.由于这个比 率在通常情况下非常小,很难说明一些科学问 题.比如对于大气来讲,其中?C约占大气碳总 量的1.1%,C占98.9%,这一比值仅为 0.0lll22.植物体内也存在天然的稳定性碳同位 素C和?C,二者的比值比大气中的还小[1’21.一 般是将其与一国际标准物质进行比对后,取相对 值阐述科学中的问题.即: 6C(%)=【(13C/C)./(C/C).ta—l】~100 其中,6?C为样品稳定性碳同位素比值,以百分 率(%)表示,它是间接表示某物质中碳同位素组 成或含量的一个指标;(?C/C).和(?C/C).分别 是样品和标准品中两种稳定性同位素含量的比值. 目前,国际上使用的标准品一般为PDB,即美国 南卡罗来那州的一种生物拟剑石[3】.6?C值可以 同位素质谱仪(IRMS)~0定[1,. 4稳定性碳同位素与植物的光合途径 基于C,C和CAM植物结构和碳同化途径 收稿2005—02—22修定2005—08—29 资助河南科技大学人才引进基金(04018). E—mail:yxfeng1975@l26.tom.Tel:0379—64282340 666植物生理学通讯第41卷第5期,2005年10月 的特点,绝大多数学生可以从解剖学,酶学和光 合特性等理解不同光合途径的基本概念.尽管稳 定性碳同位素技术早就被用来作为判别不同光合途 径的一种手段,但大多数植物生理学的教材中很 少提及,即使有也多作为附加内容,教师很少讲 解,学生也不一定看得明白.所以,我们结合 这些内容,引入稳定性碳同位素技术.我们是这 样讲解的:首先提及Nier和Gulbransen[是最早 观察到植物对较重的碳同位素C的利用比C少 的科学家(这里其实埋下了一个伏笔,很多学生在 此提出为什么植物吸收C比C少的问题).以 后,随着3种不同的碳同化途径的相继发现,科 学家又发现3种不同碳同化途径的植物稳定性碳同 位素也具有明显的差别:典型的c植物的6c值 介于一1.7%一一1.1%之间,平均值约为一1.3%;而 c植物的6c值在一3.4%一2.5%之间,平均值约 为-2.7%:CAM植物则介于二者之卅.这样, 学生马上就会意识到:既然C,C和CAM3类 植物内碳同位素组成存在明显差异,是不是可以 作为鉴别不同光合途径植物的一种便利手段?我们 因势利导,提出该部分的教学目的就是让学生明 白,稳定性碳同位素技术是一种方便,快捷,准 确度较高的判别光合途径的方法,而且目前有逐 渐取代传统的形态解剖学和酶学方法区分3种途径 的趋势[1,8~101. 5C,C和CAM植物稳定I生碳同位素组成的差异 由于3类光合途径的植物具有显着不同的稳 定性碳同位素比值,大部分学生经过以上的讲解 后可以理解为什么稳定性同位素技术可作为一种判 别碳固定途径的手段.有部分学生对不同光合途 径植物碳同位素组成差异的原因很有兴趣,如有 的曾提出这样的问题:为什么不同植物会出现稳 定性碳同位素的明显差异?对此,我们告诉学生 说:这是由于两种稳定性碳同位素(C和C)的中 子数不同而在质量上有微小差别,从而引起它们 的物理化学性质(如在气相中的传导速率,键能强 度等)有细小差别造成的【,,植物在吸收和同化 CO,的过程中就”偏爱”对较轻同位素c的吸收, 而对较重同位素C产生辨别效应(discrimination effect,A8),因此即会发生物质反应前后稳定性同 位素在组成上的不同.这种现象称为同位素的分 馏效应(fractionationeffect).不同光合途径植物碳 同位素的差异主要是由于同位素分馏效应的强弱不 同所致. 为了使学生进一步理解光合碳固定过程中稳 定性同位素分馏的过程,我们又引入以下内容: CO,的扩散,吸收和由酶系参与的羧化反应是影 响植物叶片同位素组成的过程[6,13,14】,这些物理, 化学以及生化反应可明显引发同位素分馏现象. 为了便于学生理解和掌握,我们将影响碳同位素 分馏的主要物理,化学过程汇总于表1,并作以 下讲解: 光合作用在固定CO,的过程中,植物对较轻 碳同位素的分馏主要发生于两个阶段(图2):CO的 吸收与扩散阶段以及CO,形成羧基的酶促羧化反 应阶段.1.一般说来,经过这样一个分馏过 程,植物合成的产物(葡萄糖)较原来所利用的底 物(一般均为CO)的同位素比值(6c)要低得多. 在此,我们告诉学生:造成这种差异的主要原因 是植物偏于对轻同位素的吸收,而排斥较重同位 素的吸收.但是为什么C,C和CAM3类植物 稳定性碳同位素组成会出现如此大的差异呢?这是 表1光合作用过程中相关的稳定性碳同位素的分馏效应 正值说明产物的6”C比反应物的小,负值则相反. 植物生理学通讯第41卷第5期,2005年10月667 扩散羧化与脱羧化 图2CO,固定过程中主要的同位素排斥阶段 黑色为同化反应:灰色为异化作用和其它逆过程;k., k,k,k为相应反应的速度常数.来自于大气的外源库中 的CO?进入生物组织形成内部COfi1到达光合作用部位,随后 转化为由羧化反应酶促形成CO,固定产物R—COOH.这样, 在此过程中较轻的碳同位素遂可以在生物组织中大量积累. 学生急于知道的,也是我们要讲解的.对此,我 们告诉学生:光合作用中CO,扩散阶段的同位素 效应较弱,接近于CO,在空气中的扩散效应(约 0.44%),也就是说,大气CO,在通过气孔进入气 孔下腔直至叶肉细胞(或叶绿体)的过程,其6?C 只降低0.44%左右.而随后的酶促羧化反应阶段 是造成C,C和CAM3类植物稳定性碳同位素组 成差异的主要原因,这个过程可引起产物(糖) 6?C的明显下降(2%%).在这个过程中究竟是 什么因素引发了同位素的剧烈下降?在此,我们 强调核心内容:指出3种不同类型植物中不同光 合羧化酶系统是”罪魁祸首”.我们又分别绘出 c和c植物CO,吸收和羧化过程示意图(图3,4), 这样讲解效果就更加好.我们首先向学生讲解C 植物叶片6?C值的形成过程和机制:大气CO,经 过边界层和气孔转运至内部并溶解于细胞液中, 进而扩散至叶绿体的过程,它引起的分馏很小(表 1),只能使大气CO,的6?C值下降0.62% (O.11%+O.44%+0.O7%)左右.而由1,5.二磷酸核 酮糖的羧化酶/加氧酶羧化引起的分馏效应则很 大气表皮叶内空间韧皮部 CO2 图3C植物光合作用中的CO固定主要过程 箭头粗细代表不同阶段的相对流量(包括逆过程);字母大小 代表不同阶段CO的相对浓度. 大,也就是说,它极不”喜欢”较重的碳同位 素”C,而”喜欢”羧化较多的轻同位素C,这 样,CO,固定后6?C值即进一步下降2.9%左右(表 1).对此,有的学生可能要问:同样是C植物, 为什么它们的6?C值差异那么大?我们作了这样 的讲解:指出这是由于两个过程协同作用的结 果.如果气孔扩散很迅速(即气孔阻力很小,这 个过程的分馏效应也很弱),1,5.二磷酸核酮糖的 羧化酶/加氧酶的羧化反应又是起决定性作用的, 则植物叶中6”C的值即为一3.7%(即大气CO,的6?C 减去分馏效应值2.9%,目前全球大气中CO,的 6”C平均值为一0.8%左右);相反,如果扩散速度 很慢(气孔阻力很大),这时,对分馏效应起决定 性作用的是CO,本身,则植物叶中6?C的值为 一 1.2%【_-(O.8+0.44)%].还应强调的是,这两种 极端条件在自然界中是不可能存在的,而是二者 的共同作用,这样,植物叶中的6?C值应介于两 个极端值之间(一3.6%一一1.2%).讲到这里,我们 还告诉学生:1,5.二磷酸核酮糖的羧化酶/加氧酶 对CO羧化阻力要远远高于扩散阻力(表1),因 而,C,植物吸收CO:基本上是由RuBP羧化酶羧化 速度而不是由扩散速度决定的.也就是说,C植 物极端的6?C值(一1.2%)只能在理想状态下存在, 所以,C植物的6?C值一般在-3.4%-2.5%. 对于C植物,我们是这样讲解的:与C植 物不同,C植物的光合作用包括两种酶的运作过 程(图4).CO:最初通过气孔进入叶中,首先被C 植物存在的碳脱水酶羧化形成HCO;(这个过程对 CO的分馏效应为O.11%),后在叶肉细胞(at绿体) 被磷酸烯醇丙酮酸(PEP)羧化酶吸收.脱羧形成的 CO被RuBP羧化酶所固定,以后的过程则和C途 径基本上相同.因此,气孔扩散和PEP羧化酶的 羧化过程对C植物6?C值的大小起决定性作用. 正如分析C植物的6”C值一样,我们作了以下假 定:如果气体的扩散和吸收很容易,而PEP羧化 酶的羧化反应又是主要限制性因素(其对CO,的分 馏效应为0.2%),则c植物的6?c值接近一1.1% 【一(O.8+0.2+0.11)%,O.11%是脱水酶羧化CO2所 产生的分馏];相反,如果扩散是限制性的,而羧 化很容易,则C植物的6”C值接近一1.5%【一(O.8+ O.44+O.11+0.O7)%,0.11%是CO,溶解于水所产生 668植物生理学通讯第4l卷第5期,2005年l0月 图4C植物光合作用中CO2固定的主要过程 箭头粗细代表不同阶段的相对流量(包括逆过程).字母大 小代表不同阶段CO:的相对浓度. 的分馏,0.07%是CO,在水溶液中扩散所产生的 分馏效应】.讲到这里,有的学生会问:既然C 植物的6BC值在一1.1%,一1.5%之间,为什么还会 出现?一1.7%的情况呢?对此,我们作了这样的 解释:参与羧化的PEP羧化酶的分馏效应很弱(对 “C的排斥效应很弱),但是由于RuBP羧化酶有较 高的分馏效应(表1),尽管这种分馏效应在C植物 中不能明显表现出来,但也可以引起6”C值的下 降,这样就可以解释为什么C植物的6”C值介 一 1.7%一1.1%之间.在讲完C和C植物稳定性碳 同位素的差异后,我们还提及CAM途径,指出: 具有CAM途径的肉质植物由于它可以同时利用 1,5.二磷酸核酮糖的羧化酶/加氧酶和PEP羧化酶 进行羧化反应,所以,它们的碳同位素组成介于 C3和C4植物之间. 讲授到最后作小结:C,C和CAM3种不 同类型植物稳定性碳同位素的差异,主要是由其 中酶系对较重碳同位素(?C)的排斥力不同造成 的.C植物中的1,5一二磷酸核酮糖羧化酶在羧化 固定CO,过程中,对较重同位素”C具有很强的排 斥效应,植物组织(叶片)保留的C就较多,从 而形成较低的6”C值;而C植物的磷酸烯醇丙酮 酸羧化酶对”C的排斥效应相对较弱,吸收和整合 的”C也较多,因而6”C值较高:CAM途径的植 物由于可以同时利用这两种酶,其6”C值居于二 者之间.因而,测定植物稳定性碳同位素就可以 判别不同光合途径.通过以上一系列的讲解,学 生既可以清楚地理解3种光合途径的概念以及它们 之间的异同,又能掌握以稳定性碳同位素技术作 为鉴定光合途径的方法及其相关原理,从而达到 了我们的教学目的. 参考文献 lYiXF,YangYQ,ZhangXAeta1.NoCplantsfoundatthe HaibeiAlpineMeadowEcosystemResearchSrationin Qinghai,China:Evidencefromstablecarbonisotopestudies. 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