玉米叶片光合速率的测定

① 光合速率的测定

【原理】

植物进行光合作用形成有机物，而有机物的积累可使叶片单位面积的干物重增加，但是，叶片在光下积累光合产物的同时，还会通过输导组织将同化物运出，从而使测得的干重积累值偏低。为了消除这一偏差，必须将待测叶片的一半遮黑，测量相同时间内叶片被遮黑的一侧单位面积干重的减少值，作为同化物输出量（和呼吸消耗量）的估测值。这就是经典的“半叶法”测定光合速率的基本原理。测定时须选择对称性良好、厚薄均匀一致的两组叶片，一组叶片用于测量干重的初始值，另一组（半叶遮黑的）叶片用于测定干重的终了值，不但手续烦琐，而且误差较大。“改良半叶法”采用烫伤、环割或化学试剂处理等方法来损伤叶柄韧皮部活细胞，以防止光合产物从叶中输出（这些处理几乎不影响木质部中水和无机盐分向叶片的输送），仅用一组叶片，且无须将一半叶片遮黑，既简化了手续，又提高了测定的准确性。

【仪器与用具】

分析天平（感量0.1mg）1台；烘箱1台；称量皿（或铝盒）2个（或者20个）；剪刀1把；刀片；金属或有机玻璃模板1块；打孔器1支；纱布2块；热水瓶或其他可携带的加热设备；附有纱布的夹子2个；毛笔2支；有盖搪瓷盘1个；纸牌20个；铅笔1支等。

【试剂】

石蜡；

5%～10%三氯乙酸。

【方法】

1.选择测定叶片 实验可在晴天上午7～8点钟开始。预先在田间选定有代表性的叶片（如叶片在植株上的部位、年龄、受光条件等应尽量一致）10张，挂牌编号。

2.叶片基部处理 根据材料的形态解剖特点可任选以下1种：

(1) 对于叶柄木质化较好且韧皮部和木质部易分开的双子叶植物，可用刀片将叶柄的外皮环割0.5cm左右宽，切断韧皮部运输。

(2) 对于韧皮部和木质部难以分开的小麦、水稻等单子叶植物，可用刚在开水（水温90℃以上）中浸过的用纱布包裹的试管夹，夹住叶鞘及其中的茎秆烫20秒左右，以伤害韧皮部。2个夹子可交替使用。如玉米等叶片中脉较粗壮，开水烫不彻底的，可用毛笔蘸烧至110～120℃的石蜡烫其叶基部。

(3) 对叶柄较细且维管束散生，环剥法不易掌握或环割后叶柄容易折断的一些植物如棉花,可采用化学环割。即用毛笔蘸三氯乙酸（蛋白质沉淀剂）点涂叶柄，以杀伤筛管活细胞。

为了使经以上处理的叶片不致下垂，可用锡纸、橡皮管或塑料管包绕，使叶片保持原来的着生角度。

3. 剪取样品 叶基部处理完毕后，即可剪取样品，记录时间，开始进行光合速率测定。一般按编号次序分别剪下对称叶片的一半（中脉不剪下），并按编号顺序将叶片夹于湿润的纱布中，放入带盖的搪瓷盘内，保持黑暗，带回室内。带有中脉的另一半叶片则留在植株上进行光合作用。过4～5h后（光照好，叶片大的样品，可缩短处理时间），再依次剪下另外半叶。同样按编号包入湿润纱布中带回。两次剪叶的次序与所化时间应尽量保持一致，使各叶片经历相同的光照时数。

4. 称重比较 将各同号叶片之两半对应部位叠在一起，用适当大小的模板和单面刀片（或打孔器），在半叶的中部切（打）下同样大小的叶面积，将光暗处理的叶块分别放在两个称量皿（或铝盒）中（必要时放在20个称量皿中，每一样品放入一个称量皿）。先在105℃下杀青10min，然后在80℃下烘至恒重（约5h），在分析天平上分别称重，将测定的数据填入表21-1中,并计算结果。

表21-1 用改良半叶法测定光合速率的记载表

测定日期： 月 日
地点：

植物材料：
生育期：

平均光照强度（klx）
平均气温（℃）：

第一次取样时间：
第二次取样时间：

取样面积（cm2）：
光合作用时间（h）：

样叶编号
暗处理叶的干重（mg）
光照叶的干重（mg）
（光—暗）干重增量（mg）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

∑X

平均值

光合速率 mg·dm－2·h－1（以干物质计）

mg·dm－2·h－1（以CO2同化量计）

1

5. 计算

（1）按干物质计算

光合速率(mg·dm－2·h－1)=〔(光－暗)干重增量(mg)〕÷〔叶片切块面积(dm－2)×光合时间(h)〕

（2）按CO2同化量计算

由于叶片内光合产物主要为蔗糖与淀粉等碳水化合物，而1mol的CO2可形成1mol的碳水化物，故将干物质重量乘系数1.47（44/30=1.47），便得单位时间内单位叶面积的CO2同化量（mg·dm－2·h－1）。

上述是总光合速率的测定与计算，如果需要测定净光合速率，只需将前半叶取回后，立即切块，烘干即可，其他步骤和计算方法同上。

【注意事项】

1. 烫伤如不彻底，部分有机物仍可外运，测定结果偏低。凡具有明显的水浸渍状者，表明烫伤完全。这一步骤是该方法能否成功的关键之一。

2. 对于小麦、水稻等禾本科植物，烫伤部位以选在叶鞘上部靠近叶枕5mm处为好，既可避免光合产物向叶鞘中运输，又可避免叶枕处烫伤而使叶片下垂。

② 图表为某地夏季晴朗的某天，玉米和花生净光合速率测定值．如图表示玉米CO2同化途径．玉米叶肉细胞中有一

（1）中午11：00时，光照增强，温度过高，叶片气孔开放程度的下降，CO₂进入叶肉细胞受阻，故CO₂减少，导致花生光合作用速率降低；而玉米内有CO₂泵，在进入植物内的CO₂减少的情况下，仍可以维持细胞内较高的CO₂浓度；并且此时光照增强，促进光合作用加强．
（2）当注入抑制剂后，卡尔文循环（或暗反应、或C₃的还原）受阻，ATP的消耗降低，而光反应产生ATP不受影响，故ATP的含量呈上升趋势．
（3）与11：00时相比，17：00时，外界环境中光照强度较小，温度和CO₂浓度基本相同，故光合作用速率受光照强度限制．
（4）提取绿叶中的色素，应在研磨叶片时加入碳酸钙，防止色素被破坏，利用纸层析法分离色素，缺失的色素带应位于滤纸条的最下端．
故答案为：（1）CO₂玉米叶肉细胞内有“CO₂泵”，仍可以维持较高的细胞内CO₂浓度，此时光照强度增强，促使光合作用加强
（2）上升此时卡尔文循环（或暗反应、或C3的还原）受阻，ATP的消耗速率降低，而光反应产生的ATP的速率不受影响
（3）光照强度
（4）CaCO₃纸层析最下端

③ 回答下列有关光合作用的问题．表为某地夏季晴朗的某天，玉米和花生净光合速率测定值．图表示玉米CO2同化

（1）中午11：00时，光照增强，温度过高，叶片气孔开放程度的下降，CO₂进入叶肉细胞受阻，故CO₂减少，导致花生光合作用速率降低；而玉米内有CO₂泵，在进入植物内的CO₂减少的情况下，仍可以维持细胞内较高的CO₂浓度；并且此时光照增强，促进光合作用加强．
（2）当注入抑制剂后，卡尔文循环（或暗反应、或C₃的还原）受阻，ATP的消耗降低，而光反应产生ATP不受影响，故ATP的含量呈上升趋势．
（3）与11：00时相比，17：00时，外界环境中光照强度较小，温度和CO₂浓度基本相同，故光合作用速率受光照强度限制．
（4）从外界吸收的CO₂是植物积累的葡萄糖的量是相对应的，两者物质的量之比为1：6．由表可知每小时每平方米玉米比花生吸收CO₂的物质的量为72mmol，所以在10分钟内玉米多吸收CO₂12mmol，产生的葡萄糖为2mmol，即360mg/m²．
（5）在光反应中，叶绿体利用光能将水分解为氧气和还原态的氢．
（6）光反应过程中，ATP的中的能量来源于H⁺的电化学势能．本题中，注射NH4⁺后消除了膜内外的H⁺的浓度差，电化学势能为零，所以无法合成ATP．
故答案为：
（1）CO₂ 玉米内有CO₂泵，在进入植物内的CO₂减少的情况下，仍可以维持细胞内较高的CO₂浓度；此时光照强度增强，促进光合作用加强
（2）上升此时卡尔文循环（或暗反应、或C₃的还原）受阻，ATP的消耗降低，而光反应产生ATP不受影响
（3）光照强度
（4）360
（5）水
（6）B

④ 简要介绍测定光合速率的三种方法及原理。

一、半叶法或改良半叶法（金秀 感谢我吧 By 少威~）

此法测定大田光合作用速率较实用且较简单，无需特殊仪器设备，但精确度较差。在光照之前，选取对称叶片。切下一半称得其干重，另一半叶片留在植株上进行光合作用，经过一定时间，再切取另一半相当面积的叶片，称其干重。单位面积上单位时间内干重的增加，即代表光合作用速率，用干重mg/dm2h 表示，这叫光合生产率或净同化率。沈允钢等在经典半叶法基础上加以改进，提出改良半叶法，基本做法同上。剪下对称的半片叶片，放在暗处并保持一定湿度，这半片叶片虽不能进行光合作用，但仍可照常进行呼吸作用。另一半留在植株上进行光合作用，为避免在处理过程中光合产物通过韧皮部向外输送，可先在叶柄基部用热水（或热石蜡液）烫伤或用呼吸抑制剂处理，以阻止叶片光合产物外运。前后两次取样干重的差值（包括呼吸消耗在内）即为该植物叶片的光合生产率。也可在不对称的叶片上，用钻孔器在叶面的一半钻取一定面积的叶片圆片，两次取样，求其干重差值。

二、co2吸收量的测定

测定植物吸收co2的数量可用红外线co2分析仪或ph比色法，由于co2对红外线有较强的吸收能力，co2含量的变化即可灵敏地反映在检测仪上。红外线co2分析仪，国内已有生产，既可在室内用叶室进行活体测定，又可在田间利用大气采样器采取气样带回实验室借助该仪器检测分析。ph比色法是利用甲酚红作指示剂，其原理是nahco3溶液中的co2与密闭系统中空气的co2总是保持平衡状态，叶片在密闭条件下进行光合作用，不断吸收密闭系统空气中的co2，使得nahco2溶液中的co2减少，ph值发生改变，根据溶液中指示剂颜色的变化，即可推算出co2浓度的变化，从而求出该叶片的光合强度。ph比色法适合在野外自然条件下进行测定，缺点是精确度较低。

三、o2的释放量测定

氧电极法是一种实验室常用的测氧技术。氧电极由嵌在绝缘棒上的铂和银所构成，以氯化钾为电解质，外覆聚乙烯薄膜，两极间加0.6～0.8v的极化电压，溶氧可透过薄膜在阴极上还原，同时在极间产生扩散电流。此电流与溶解氧浓度成正比，电极输出的记号，可在自动记录仪上记录下来。叶片在进行光合作用时如光合速率高，则放氧量多，溶解氧也多，叶片光合作用的放氧量，可以作为测定光合速率的指标。此法灵敏度高，操作简单，并可连续测定光合作用变化过程。也可用来测定呼吸作用。

⑤ 玉米和小麦是我国两种重要的粮食作物，下列甲图和乙图分别是不同条件下两种农作物的净光合作用速率测定结

（1）曲线图乙中玉米的净光合作用速率大于小麦的净光合作用速率，总光合作用速率=净光合作用速率+呼吸作用速率，若玉米和小麦的呼吸强度相同，则玉米固定CO₂的能力高于小麦．影响光合作用速率的环境因素主要由：CO₂浓度、光照强度和温度．C点是玉米CO₂浓度的饱和点．因此C点时限制玉米光合作用速率提高的主要环境因素是光照强度和温度．
（2）乙图中小麦在12时的光合作用出现“午休现象”是因为温度过高，气孔关闭，二氧化碳供应不足，暗反应速率下降．玉米没有“午休现象”是因为温度过高或干旱，叶片气孔关闭，但能利用叶肉细胞间隙的低浓度CO₂进行光合作用，从而保证C₃的供应充足所以光合作用不受影响，而C3植物小麦则不能，光合效率降低．
（3）①表格中的c、d是在不同高温下测得的光合作用速率，若c=d，则说明高温对玉米叶片光合作用的影响不大．
②实验设计时遵循对照原则，若去掉1、3组，仅通过2、4组相互对照只能得出两种植物在高温下光合作用的差异，由于缺乏自身对照，不能得出高温分别对两种植物光合作用影响程度的大小．因此，去掉1、3组的方案不可行．
故答案为：
（1）高于 光照强度和温度
（2）暗反应（固定CO₂） 固定细胞间隙较低浓度的CO₂ C₃
（3）①高温对玉米叶片光合作用的影响不大
②不可行（仅通过2、4组相互对照只能得出两种植物在高温下光合作用的差异，）缺乏自身对照，不能得出高温分别对两种植物光合作用影响程度的大小．

⑥ 植物叶片总光合速率怎么测定

答：可以从以下三个方面测定：1、氧气的释放量。2、二氧化碳的吸收量。3、有机物的生成量。

⑦ 将发育状况不同的玉米叶片分四组实验，净光合速率及相关指标的变化见表（注：所测数据为平均值，“-”表

（1）与D组相比，B、C组的叶绿素含量低，导致光能吸收不足；气孔回相对开放度小，导致答二氧化碳供应不足，最终使净光合速率偏低．
（2）由于将A、D分别置于光温恒定的密闭容器中，A的叶肉细胞吸收不到氧气，进行无氧呼吸，产生酒精；D的叶肉细胞中，缺少CO₂，光反应产生的ATP不能用于暗反应，因而含量增多．
（3）D的新叶已成熟，不再生长，因而合成生长素的能力低，生长素主要由植物的分生区产生．新叶成熟后光合作用增强，因此叶绿体中基粒增多．
故答案为：
（1）二氧化碳吸收不足 叶绿素含量低
（2）酒精 增多
（3）低 基粒

⑧ （2008西城区二模）有一种测定叶片光合速率的方法--半叶干重法，实验过程如下：注：1．光合速率是单位面

（1）①由于发育状况不同的叶片，其光合作用和呼吸作用有差异，违背了单一变量原则．
②筛管的作用是运输有机物，故阻止筛管运输功能的目的是：防止叶片合成的有机物向外运输．导管的作用是运输水分和无机盐，故导管也受阻，叶片将会出现萎蔫．
③光照不影响呼吸速率，故光叶与暗叶的呼吸速率基本相同或没有明显差异．
④光叶进行光合作用产生有机物，暗叶不进行光合作用，进行呼吸作用消耗有机物．故光叶与暗叶干重出现差异
（2）①叶片干重是指叶片光合作用积累的干物质量（或有机物量），根据X的计算公式可得X的单位为mg/cm³?h
②6CO₂+12H₂O