全 文 ：植物生理学通讯 第 40 卷 第 1期，2004 年 2 月 111
收稿 2003-02-08 修定　 2003-10-22
资助 山东省优秀中青年科学家奖励基金项目(No.02BS021)。
* 通讯作者(E-mail: hqyang@sdau.edu.cn, Tel:0538-8249660）。
植物叶绿体和线粒体的超微弱发光
张新华 杨洪强*
山东农业大学园艺学院, 泰安 271018
Ultraweak Bioluminescence of Chloroplast and Mitochondria in Plants
ZHANG Xin-Hua, YANG Hong-Qiang*
College of Horticulture, Shandong Agricultural University, Taian 271018
提要 介绍叶绿体和线粒体的超弱发光基础，以及各自的发光特点与影响因素。
关键词 叶绿体；线粒体；超弱发光
随着现代光子计数技术的发展，现已发现几
乎所有的活组织或细胞在代谢过程中都能自发地辐
射出一种极其微弱的光子流[1,2]。这种光不同于荧光
素-荧光素酶体系那样的高效率生物发光，而是一
种极其微弱的低水平的化学发光（强度为105~108
h V . s - 1 . m - 2 ），称为生物系统的超微弱发光
（ultraweak or superweak bioluminescence, UWL）[3,4]。
目前的研究表明，UWL 与生物系统的氧化代谢、
细胞凋亡、光合作用、生长调节以及能量转换等
都有密切的关系[5~7]。活细胞的这种超微弱发光是
一种来自细胞内的本原的信号。检测这种本原信
号，破译其所携带的与生命活动相关的信息，可
以了解各种生命过程的真实现象。
近代物理学的理论表明，核外电子获得的能
量会跃迁到激发态，当由激发态回到基态时会发
出相应波长的光来。生物物理与生物化学的研究
表明，为维持正常的生命活动，细胞内不断进行
着各种各样的由电子传递引发的生物氧化反应。
在这些反应中，一些生物大分子获得能量而被激
发，其核外电子从基态向较高能级的激发态跃
迁，处于激发态的电子很不稳定，当其回落到低
能级轨道时会以光子的形式向外辐射能量，因而
发出各种强度的光，其中包括强度只有 105~108
hV.s-1.m-2的超微弱发光。线粒体和叶绿体是进行
生物氧化的主要细胞器，也是产生超弱发光的主
要部位。本文着重介绍叶绿体和线粒体的 UWL。
1 叶绿体和线粒体的发光基础
线粒体和叶绿体是细胞内进行能量转换的细
胞器。线粒体广泛存在于各类真核细胞中，叶绿
体存在于植物细胞中，它们能将光能、化学能转
换成驱动细胞进行生命活动所需要的生物能。它
们的形态特征都是封闭的双层单位膜结构，且内
膜经过折叠并演化为表面积极大扩增的内膜特化结
构系统—— 线粒体的嵴和叶绿体的类囊体。内膜
是能量转换的载体，大量扩增的内膜为线粒体的
氧化磷酸化和叶绿体光合作用的化学反应提供了场
所与框架。在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化
的电子传递链（呼吸链），在叶绿体的类囊体膜
上有进行光合磷酸化的电子传递链。这两条链按
一定的顺序和方向排列。其次，它围成了一个包
含能催化其它细胞生命化学反应的多种酶的内腔
（基质）[8 ]，从而构成了一个生物氧化还原反应
的完整体系。
在自然情况下，叶绿体就像一个精致微观的
换能器，不断地将光能转换为化学能贮存在有机
分子中。此时，反应中心的激发态叶绿素 a 分子
只能进行一种高效率的反应，即光氧化反应，而
不会发生电子传递的逆转。停止光照后光合需要
的能量来源截断，反应中心原初光化学反应推动
的一系列复杂的电子传递过程、质子的跨膜运输
以及与之相偶联的光合磷酸化过程都停止下来，
CO2 的同化过程也停下来。光氧化裂解水释放电
子的途径受阻，光系统Ⅱ反应中心 P +680 只有从
Pheo-夺取一个电子填补空穴，从而造成电子传递
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的逆转和激发态分子P*680 的形成。P*680 以光子的
形式释放能量回到基态时，就产生反应中心电荷
重合时的发光。这样，贮存在 ATP 中的部分能量
又重新以光子的形式由叶绿素分子释放出来[9]。
Eva和Humio [10]曾指出叶绿体类囊体膜光合磷酸化
电子传递链上的电子泄漏，能产生大量的活性氧
基团，叶绿素分子受激发，于是产生生物光子发
射。此外，叶绿体的形成和数量也影响 U W L 的
强度[11]。
线粒体是生物体的能量供应站，也是糖、脂
肪、氨基酸最终氧化释能的场所。线粒体还是细
胞中产生活性氧的一个重要部位。Chance等[12]证
明，在正常生理情况下约有2%的氧消耗于线粒体
活性氧的产生。生成的活性氧主要是超氧阴离子
自由基和过氧化氢。它们是由呼吸链底物端漏出
的电子引起氧分子单电子还原而生成的。线粒体
的自由基代谢水平，或呼吸链的电子漏程度以及
由其所控制的能量转换和生物体的代谢活性，都
可直接影响 UWL 强度的变化。线粒体的完整性对
UWL 的强度也有调节作用[3]。
2 叶绿体超微弱发光的特点
目前，还不能将 U W L 与植物的某一生理过
程或某一化学反应联系起来而圆满解释植物超弱发
光现象。但普遍认为植物的 UWL 和外界光激发有
直接关系。叶绿体是植物进行光能吸收、转化、
能量贮存的场所。所以，许多研究者认为植物的
UWL 与植物光形态建成和光合作用等生长代谢过
程有密切联系。
李韶山和潘瑞炽[13]报道，蓝光和其它光明显
影响水稻幼苗叶绿体的发育和光合作用。李德红
等[14]研究发现不同的光质对水稻幼苗的UWL 也有
很大影响，在白光下生长的水稻幼苗的 UWL 比蓝
光下高 30%~65%。这可能是因为蓝光处理后水稻
幼苗叶绿体的发育受阻，叶中叶绿素a和叶绿素b
含量降低，其光合速率远远低于普通白光处理的
水稻所致。王维江等[11]在黄化绿豆芽实验中发
现，从暗中不见光的黄化幼苗开始到光下培养3 h
后，随着光培养时间的延长，其光诱导的延迟发
光强度也随之加强，不同部位的 UWL 强度不同，
胚芽发光最强，胚轴上部和子叶次之，未变绿的
胚轴下部与根部最小（接近本底）。李德红等[15]
发现，绿豆和花生幼苗在光形态建成期间 UWL 逐
渐增强，恰好与叶绿体的发育过程相对应；而在
黄花苗中则观测不到这种现象，完成光形态建成
的正常幼苗根中没有叶绿素，其光诱导的 UWL 强
度也非常低。他们的实验还发现，植物叶片的
UWL 与其所处的生长发育阶段密切相关。叶片是
植物进行光合作用的主要器官，成熟叶片的光合
作用强，其 U W L 也较强；光合作用相对较弱的
叶片，如未展开的幼叶、伸长叶和老叶的 U W L
强度较弱。洒金榕（Codiaeum variegatum ）是
一种色素缺失型植物，其叶片上间杂有许多黄色
斑点。谭石慈等[9]研究其叶片的 UWL 时观察到，
叶片的黄色斑点和叶脉在超弱发光图象中呈现为暗
区，而叶片的绿色部分则呈现为亮区。这说明洒
金榕叶片的绿色部分有 UWL，而黄色部分没有。
他们进一步取叶片的黄色和绿色部分，分别提取
色素进行检测时发现，黄色部分只含有胡萝卜素
和叶黄素，而绿色部分除这两种色素之外还含有
叶绿素a、b。
为进一步确认 U W L 的性质，许多学者对植
物叶片的UWL 光谱特性进行了研究。李德红等[15]
发现，花生叶片在427.3和 496.5 nm处各有一很
强的峰，在707.8和730.3 nm处各有一较强的峰。
经比较发现，UWL 光谱分布特征与叶绿素的吸收
光谱很相似，只是峰值明显向长波方向偏移。他
们还根据花生叶片的 U W L 衰减曲线证明这种
UWL 不是叶绿素分子的延迟荧光或磷光，而可能
是来自光合作用两个光系统（PS Ⅰ、PS Ⅱ）的
能量遗失。谭石慈等[9] 研究白菜叶片和叶绿体的
UW L 光谱时发现，叶片与叶绿体的 U W L 光谱极
为相似。二者在 485、580~5 90、650、685、
725~735 nm附近均存在较强的峰，发光强度随着
时间的延长而很快地衰减，但光谱分布基本保持
不变。叶片与叶绿体之间发光光谱的这种一致性
说明叶片的 U W L 主要来自叶绿体。此外，李德
红等[16]还对白菜叶绿体的 UWL 机制进行了研究。
他们观察到，无论是将叶绿体悬浮在等渗溶液
（完整叶绿体）还是在低渗溶液（破碎叶绿体）中
都有非常明显的 U W L ，而上清液则观察不到
U W L；若在纯净的上清液中加入叶绿体，又可观
察到 UWL，但向上清液中加入叶绿素则观测不到
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UWL。将上述叶绿体放入低温（4℃）中保存5 d，
其 UWL 均明显下降。较低浓度的自由基清除剂抗
坏血酸（2 mmol.L-1）和甘露醇（10 mmol.L-1）对
叶绿体UWL 的影响不明显；浓度增大到10 倍时，
甘露醇处理的UWL 比不作处理的降低28.69%，抗
坏血酸处理的 U W L 十分微弱。百草枯（0 . 0 5
mmol.L -1）对叶绿体 UWL 的影响也较明显，使
用浓度越高，UWL 越弱，5~10 mmol.L-1 百草枯
可完全抑制叶绿体的 UWL [16 ]。众所周知，百草
枯会释放大量的氧自由基。据此，可以认为叶绿
体的 UWL 可能主要来自光合作用的电子传递链，
而不能简单地归因于该过程的自由基。
3 线粒体的超微弱发光特点
许多研究表明，UWL 与生物体的生理生化和
病理状态密切相关[7]。而生物的生理状态在一定
程度上是依赖于线粒体的自由基代谢水平或呼吸链
的电子漏程度的。当生物体受伤、环境胁迫或发
生肿瘤等疾病时，线粒体即参与细胞的凋亡和坏
死过程，线粒体的电子传递链持续产生超氧自由
基并伴有呼吸链电子漏偏高的现象[17]。Abeles[3]发
现，当生物体处于上述情况时，其 U W L 也有明
显的变化。苏震等[18]发现损伤后的大豆种子发光
强度是损伤前的2倍以上。杨起简等[19]发现在盐
胁迫下豌豆幼苗的呼吸和线粒体氧化磷酸化能力受
到损害，同时，幼苗的 U W L 强度也明显降低。
研究植物 UWL 动力学和植物抗逆性的结果表明，
在极限逆境条件下细胞死亡或解体时，不论致死
原因如何，在死亡前都有发光增强的现象[20]。癌
变细胞与正常细胞、受毒与未受毒细胞的超弱发
光也有明显的差异。例如，肿瘤病人的血清和尿
液的UWL强度明显高于正常人[21]。张仲伦等[22]在
动物脏器官的实验中也发现， 10种正常的脏器官
的发光值没有明显的差异，每分钟计数约为
497；而荷瘤之后各种脏器发光值明显增加，每
分钟计数达到 2 479，增强近 5 倍。很明显，上
述生物体 UWL 的变化部分是因逆境和疾病影响了
线粒体内正常的生物氧化过程所致。
虽然生物的 U W L 受多种因素的影响，目前
对其来源与机制有多种推测，但从线粒体的功能
与 UWL 的变化与影响因素来看，线粒体对生物的
超弱发光应当有一定的贡献。有人从线粒体与
U W L 之间关系的角度对此问题进行了探索。例
如，毛大璋[23]用电子传递链的抑制剂NaN3处理萌
发绿豆，观测到 NaN3 对 UWL 的抑制率高达 72%，
说明萌发绿豆至少有 72% 的 UWL 和呼吸作用等氧
化过程相关联。Bon 等[24]发现牛心脏的线粒体可
产生 U W L，向线粒体中加入乙醛、A T P 或抗霉
素A时，UWL 即增强。Gorlanov 和 Churmasov[25]
用 X-射线处理菜豆线粒体，看到线粒体最大发光
值与线粒体的氧化磷酸化系统的活跃程度密切相
关。李光林和杨亚玲[26]用电磁场处理绿豆后，也
观测到绿豆萌芽时的 UWL 和 ATP 含量的变化趋势
一致，并指出电场、磁场对生物 UWL 强度和 ATP
含量的影响在于种子萌发中存在与生物膜密切相关
的电子传递和酶促反应，它们受电磁场作用后可
产生激化电荷和磁化电流，因而线粒体内膜上的
电子传递速度加快。同时，由于电荷运动状态的
变化，所以磷酸化效率增加，从而导致 ATP 含量
增加和UWL 强度增强。Lippman [27]向老鼠肝脏线
粒体中加入发光诱导剂鲁米诺后，发现其发光强
度明显提高。以上实验均证明线粒体与 UWL 之间
确实有一定的联系。
4 结束语
人们对 UWL 已进行了近一个世纪的探索，但
对生物超弱发光的机制仍未形成一致的认识。通
常认为，生物 UW L 来自活性氧发光、D N A 发光
和能量转换发光三个方面。前二者研究的比较
多，但在亚细胞水平上进行的研究并不多。至于
叶绿体、线粒体与 UWL 关系的研究多数是根据一
些发光现象作出的推测。叶绿体与线粒体对生物
U W L 的贡献有多大，它们是怎样影响 U W L 变
化；细胞凋亡和癌变发生时，生物的 UWL 增强，
这是否与线粒体参与的信号转导、细胞凋亡有
关，细胞间是否也存在着借助光子的“物理通
信”，即细胞之间是否存在通过电磁场或光子相
互作用实现信息传递等，都还不清楚。从两细胞
器的结构及所参与的生命活动来看，它们对生物
UWL 确实有着不可忽视的贡献。今后尚需从亚细
胞水平上进行如下的研究：（1 ）外界因素对
U W L 的影响及其对两细胞器影响的关系；（2 ）
UWL 与叶绿体、线粒体所参与的生理生化过程的
关系；（3）在亚细胞水平上探讨影响与控制发
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光的因素；（4 ）组织、细胞、亚细胞水平上
的 U W L 光谱特征；（5 ）线粒体参与的信号转
导、细胞凋亡与 U W L 变化的关系等。总之，要
彻底弄清 UWL 的发光机制，不但要从亚细胞水平
还要从分子水平上进行探索。这不仅对揭示生命
现象的物理本质有一定的科学意义，且在农业、
医学、食品和环境科学等领域也有广阔的潜在应
用前景。
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