全 文 ：武汉植物学研究 2001, 19 (4) : 304～ 310
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
不同光强下生长的几种亚热带森林树木的
Rub isco 羧化速率和碳酸酐酶的活性Ξ
孙谷畴　林植芳　林桂珠
(中国科学院华南植物研究所, 广州　510650)
摘　要: 9 月和 12 月测定了生长于 3 种不同光强 (100%、36% 和 16% 的自然光) 下生长的乔
木荷树、黧蒴和灌木九节、罗伞盆栽幼苗叶片的 R ubisco 羧化速率 (RCR ) , 碳酸酐酶 (CA ) 活
性和细胞间CO 2 浓度 (C i)。当生长光强降低时, 4 种供试植物的RCR 和CA 活性明显降低。9
月时生长在 16% 自然光下荷树的RCR 和CA 比 100% 自然光者分别降低 55% 和 50% , 藜蒴
则降低 20% 和 35% , 耐阴的灌木树种的降幅较小, 仅为 33%～ 38% (RCR ) 和 22%～ 30%
(CA )。12 月的RCR 和CA 的水平较 9 月时低, 翌年 1 月时自然林不同光强下生长的同类植
物的RCA 和CA 随光强变化也有类似的趋势。RCR 和CA 活性呈正相关性, 且两者与C i 呈
弱负相关。推测高光强可能有利于激活 R ubisco , 促进 CA 催化的 CO 2→D lC (可溶性碳) →
CO 2 活性和D lC 的传输过程。
关键词: 热带森林植物; 生长的光梯度; R ub isco羧化速率; 碳酸酐酶活性; 细胞间CO 2浓度
　　中图分类号: Q 945. 79　文献标识码: A 　文章编号: 10002470X (2001) 0420304207
The Carboxyla tion Rate of Rubisco and Activ ity of
Carbon ic Anhydrase in Plan ts from a Subtrop ica l
Forest Grown at D ifferen t L ight In ten sity
SUN Gu2Chou, L IN Zh i2Fang, L IN Gu i2Zhu
(S ou th Ch ina Institu te of B otany , T he Ch inese A cad emy of S ciences, Guangzhou　510650, Ch ina)
Abstract: Carboxyla t ion ra te of R ub isco (RCR ) , act ivity of carbon ic anhy2
drase (CA ) and in tercellu lar CO 2 concen tra t ion (C i) w ere analyzed in Sep tem 2
ber and D ecem ber, 1998, in leaves of fo rest p lan ts S ch im a sup erba, Castanop sis
f issa , P sy chotria rubra and A rd sia qu inqueg ona seedlings grow n at th ree differ2
en t ligh t in ten sit ies, w h ich w ere 100% , 36% and 16% of natu ra l sun ligh t.
RCR and CA act ivity of a ll tested p lan ts w ere decreased obviou sly by declin ing
grow th ligh t in ten sity, In comparison w ith p lan t a t 100% sun ligh t, in Sep tem 2Ξ 收稿日期: 2000211212, 修回日期: 2000212231。基金项目: 中国科学院“九五”重点基金项目 (KZ 9522J l 2105)资助。
　　　作者简介: 孙谷畴 (1939- ) , 男, 研究员, 从事光合作用生理生态研究。
ber, the RCR and CA act ivity in leaves of S ch im a sup erba grow n at 16% sun2
ligh t declined by 55% and 50% , respect ively, w h ile that in leaves of Castanop 2
sis f issa declined by 20% and 35%. T he decreasing ranges of RCR and CA ac2
t ivity in shade2adap ted sh rub species. P sy chotria rubra and A rd isia qu inqueg o2
na w ere less than that of t ree species, w h ich decreased by 33% ～ 38% in RCR
and by 22% ～ 30% in CA act ivity. In the sam e case, the levels of RCR and
CA act ivity m easu red in D ecem ber w ere low er than that in Sep tem ber. Sim ilar
changing trend of RCR and CA act ivity w as also found in p lan ts grow n in dif2
feren t sites of natu ra l fo rest w ith differen t ligh t condit ion s samp ling in Jan2
uary, nex t year. T here w as a po sit ive rela t ion sh ip betw een RCR and CA ac2
t ivity, and a w eak negat ive rela t ion sh ip betw een C i and RCR o r CA act ivity. It
is p ropo sed that h igher irrad iance m igh t p romo te the act iva t ion of R ub isco and
induce the increase in CA act ivity and tran spo rt ra te of D IC (disso lub le ino r2
gan ic carbon).
Key words: Sub trop ica l fo rest p lan ts; Gradien t of grow th ligh t; Carboxyla t ion
ra te of R ub isco; A ct ivity of carbon ic anhydrase; In tercellu lar CO 2 concen tra2
t ion
碳酸酐酶 (CA , E. C. 4. 2. 11) 是存在植物组织中数量较少的酶类, 它能催化CO 2 加
水生成碳酸盐的可逆反应。CA 定位在细胞壁, 原生质和叶绿体周边部位, 其催化反应[1 ]
为:
CO 2+ H 2O ←→H 2CO 3←→HCO -3 + H +
H aglund 等[2 ]指出在细胞质存在可溶性CA , 叶绿体膜上则为结合态的CA。可溶性
CA 催化CO 2 形成可溶性碳 (D IC) , D IC 在原生质中的扩散速率较CO 2快, 接着由叶绿体
结合的CA 催化D IC 再形成CO 2, 以供R ub isco 固定之用。
生长在较强自然光下的植株通常有较高的最大光合速率。自然光下正常的碳代谢过
程达到某种平衡, 改变光状况使这种光合的稳定调节随之发生变化, 目前已有较多的工作
证明, 光对R ub isco 活化酶 (R ub isco act ivase)具有促进作用, 从而增高R ub isco 羧化活性
和光合速率[3 ]。在C3 植物中R ub isco 活性增高则可能加速CO 2 羧化速率, 在羧化部位对
CO 2 需求的增多则可能增高CA 活性, 加速CO 2 转化为D IC, 并加速D IC 的输导, 以满足
R ub isco 羧化对CO 2 的需要, 但目前尚缺少这方面的证据。对藻类的研究已证明, 在高光
强下R ub isco 数量较在较低光强下的高[4 ]。季本华等也曾证明水稻在光抑制条件下CA
活性增高, 且R ub isco 对CO 2 亲和力增高[5 ]。但对于森林植物叶片CA 与生长光强的关系
仍所知甚少。研究几种热带亚热带季风常绿阔叶林树种R ub isco 羧化速率与CA 活性及
其关系, 有助于阐明这些树种对光强的适应性和生理反应, 为进一步揭示植物与光环境的
关系提供理论依据。
1　材料与方法
供试的幼树包括荷树 (S ch im a sup erba Gardn & Chonp )、黧蒴 (Castanop sis f issa R、&
W. )、九节 (P sy chotria rubra L ou r. Po ir)和罗伞 (A rd isia qu inqueg ona B l. )取自广东鼎湖
山自然保护区林区。盆栽试验始于 1998 年 4 月, 每盆 1 株, 每个处理 30 盆。植株置于大
503　第 4 期　　　孙谷畴等: 不同光强下生长的几种亚热带森林树木的Rubisco 羧化速率和碳酸酐酶的活性
棚下栽种, 以黑色尼龙布遮盖。通过增减复盖层调节入射的光强, 使叶片接受预定的光
强。试验共 3 个处理, 包括 100% 自然光、36% 自然光和 16% 自然光, 一般管理。林地试验
在广东鼎湖山自然林区进行, 选择 3 个连续样区, 100% 自然光处理通过疏伐法伐去部分
植株, 使供试的幼树暴露在 100% 自然光下, 其余为不同的自然复盖度的林区。盆栽试验
分别在同年 9 月和 12 月取样。野外试验在翌年 1 月取样。每个处理每次收集叶片 30 片,
经剪碎后均匀混合, 随意取 1 g 叶样, 3 次重复。叶样置于—15℃低温冷冻, 向样品加入
10 mmo lõL - 1巴比妥酸溶液 (含 5 mmo lõL - 1巯基乙醇, pH 812) , 研磨中加入少量酸洗石英
砂, 在冰浴中研磨。匀浆通过 4 层纱布过滤, 并经 2 000 g 离心 5 m in , 取上清液测定酶活
性。酶提取液加入至测定系统的反应杯, 待系统达到平衡后加入预先通入CO 2 1 h 已达到
CO 2 饱和的水溶液, 利用 pH 计 (Co rn ing 公司, pH m eter 120) 测定 pH 变化, 并通过自动
记录仪记录时间变化。测定时温度 2213℃。自平衡系统加入CO 2 饱和溶液起计算溶液pH
变化过程。以煮沸后的酶溶液作对照[6 ]。
CA 活性= (样品起始 pH 值—样品终止 pH 值) -
(对照起始 pH 值—对照终止 pH 值)×100ö反应时间 (m in)
每分钟每毫克蛋白发生 0101 pH 单位变化为 1 个酶学单位。利用考马斯亮兰法测定
蛋白质含量。3 次重复取其平均值。
利用便携式LA C4 光合测定仪 (英国ADC 公司) 测定光合速率 (A ) 和暗呼吸速率
(R d )。参照 Sharkey 的方法[7 ]得出没有R d 的CO 2 补偿点 (# 3 )和大气压下的CO 2 补偿点
(# 3 ′) , 求羧化速率 (V c, Λmo lõm - 2õs- 1)。
V c = (A + R d ) ö(1- 0155 ) , (1)5 = 2# 3 ö(CO 2) , (2)# 3 = # 3 ′×P , (3)# 3 ′= 4217+ 1168 (T - 25) + 01001 2 (T - 25) 2。 (4)
式中 P 为大气压, (CO 2) 为羧化部位的CO 2 浓度, 通常为 016 Ca, Ca 为外界CO 2 浓度, T
为叶温。5 为R ub isco 氧化速率ö羧化速率比 (V oöV c)。
同时利用LA C4 光合测定仪得出细胞间 CO 2 浓度 (C i) , 分别在上午 9÷ 00 和下午
16÷00测定。1998 年 9 月测定时上午 9÷00 光强为 873 Λmo lõm - 2õs- 1, 中午约 37℃, 到达叶
面光强 1 323 Λmo lõm - 2õs- 1, 12 月测定时上午 9÷ 00 光强为 955 Λmo lõm - 2õ s- 1, 叶温
3116℃。中午的叶温 35℃, 叶面光强 1 243 Λmo lõm - 2õs- 1。测定数据取其平均值。
2　试验结果
2. 1　不同光强下生长的植物叶片 Rubisco 羧化速率和CA 活性的季节变化
从图 1 可见, 在 9 月 100% 自然光下的阳生树种荷树叶片有较高R ub isco 羧化速率
(11143 Λmo lõm - 2õs- 1) , 且有较高的CA 活性。当生长光强降低至 36% 自然光时, R ub isco
羧化速率和CA 活性分别降低 25% 和 22%。当光强为自然光的 16% 时, R ub isco 羧化速
率和CA 活性的降低更为明显, 降幅分别达到 55% 和 50%。结果表明, 荷树生长在 100%
自然光下有最高的R ub isco 羧化速率和 CA 活性, 随着光强降低, R ub isco 羧化速率和
CA 活性明显降低。生长在 100% 自然光下的黧蒴, 其R ub isco 羧化速率和CA 活性均较
603 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷　　
36% 自然光下的高。在 16% 自然光下黧蒴叶片 R ub isco 羧化速率比自然光下的降低
2013% , 降幅较荷树的小。不同植物对生长光强变化的响应不同, 荷树对光强变化的响应
较黧蒴敏感。
适于生长在较遮阴环境的九节和罗伞, 在 100% 自然光下叶片也有较高R ub isco 羧
化速率和CA 活性。当生长光强从 100% 自然光降低至 36% 自然光时, 九节的R ub isco 羧
化速率仅降低 215% , 罗伞也表现相近的结果; 两种植物的CA 活性降低则分别为 2% 和
7%。可见耐阴树种九节和罗伞在 36% 自然光下的R ub isco 羧化速率和CA 活性变化较
小。光强愈低两个指标的降幅愈大, 在 16% 自然光下九节的R ub isco 羧化速率和CA 活性
分别较 100% 自然光的降低 38% 和 30% , 而罗伞则相应为 33% 和 22%。结果表明, 耐阴性
灌木生长在较低光强下时, 叶片R ub isco 羧化速率和CA 活性的变化较阳生性乔木的小。
除黧蒴外, 生长在 100% 自然光下的荷树、九节和罗伞的R ub isco 羧化速率在 12 月较
9 月的低。后 3 种植物的R ub isco 羧化速率较 9 月分别降低 29%、27% 和 32%。在较低光
强下, 所有供试植物的R ub isco 羧化速率和CA 活性均明显偏低, 这可能与叶片处于生长
后期阶段和气候条件有关 (图 2)。
1. 荷树; 2. 黧蒴; 3. 九节; 4. 罗伞
下面各图 (图 1、2、3、5)的图例与此相同。
1. S ch im a sup erba; 2. Castanop sis f issa;
3. P sy chotria rubra) ; 4. A rd isia qu inqueg ona
Sam e legend is used in the fo llow ing figures (F ig 1, 2, 3, 5)
图 1　不同光强下生长的荷树、黧蒴、九节和罗伞叶片的
Rubisco 羧化速率和CA 活性的变化 (1998 年 9 月)
F ig11　Changes in carboxylation rate of Rub isco and
CA activity in leaves of S ch im a sup erba, Castanop sis
f issa, P sy chotria rubra and A rd isia qu inqueg ona
grow n at differen t ligh t indensit ies (Sep tem bar, 1998)
　
　
　
　
　
　
　
　
　
图 2　不同光强下生长的荷树、黧蒴、九节和
罗伞叶片的 Rubisco 羧化速率和CA 活性的变化
(1998 年 12 月)
F ig12　Changes in carboxylation rate of Rub isco
and CA activity in leaves of S ch im a sup erba,
Castanop sis f issa, P sy chotria rubra and
A rd isia qu inqueg ona grow n at differen t ligh t
indensit ies (D ecem ber, 1998)
　
　
　
　
　
　
　
　
　
703　第 4 期　　　孙谷畴等: 不同光强下生长的几种亚热带森林树木的Rubisco 羧化速率和碳酸酐酶的活性
　　翌年 1 月, 在自然林区生长的荷树, 处于 100% 自然光下叶片R ub isco 羧化速率为
913 Λmo lõm - 2õs- 1, 相应的CA 活性达到 6311 酶单位。黧蒴、九节和罗伞的R ub isco 羧化
速率和CA 活性则明显偏低 (图 3)。自然林的阴蔽度高, 林下两个实验区的 4 种植物叶面
入射光强仅为 100% 自然光的 3% 和 8% , 因而导致R ub isco 羧化速率和CA 活性的大幅
度下降, 其中尤以阳生乔木更甚。
图 3　不同光梯度下生长的荷树、黧蒴、九节和
罗伞叶片的 Rubisco 羧化速率和CA 活性的变化
(1999. 1)
F ig13　Changes in carboxylation rate of Rub isco and
CA activity in leaves of S ch im a sup erba, Castanop sis
f issa, P sy chotria rubra and A rd isia qu inqueg ona
grow n at differen t ligh t indensit ies (January, 1999)
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
图 4　不同季节荷树、黧蒴、九节和
罗伞叶片的 Rubisco 羧化速率与碳酸酐酶 (CA)
活性的关系(A : 1998. 9; B: 1998. 12)
F ig14　Relationsh ip betw een carboxylation rate of
Rub isco and carbon ic anhydrase activity in leaves of
S ch im a sup erba, Castanop sis f issa, P sy chotria rabra
and A rd isia qu inqueg ona (A : 1998. 9; B: 1998. 12)
　
　
　
　
　
　　从图 4 可见, 随着 CA 活性增高, 叶片 R ub isco 羧化速率增高。叶片 CA 活性和
R ub isco羧化速率表现正相关关系R 2 分别为 0171 和 0187, 这表明植物组织 CA 活性和
R ub isco 羧化速率皆受生长光强的调节。
2. 2　不同生长光强下植物叶片细胞间CO 2 浓度 (C i)与CA 活性变化的关系
从图 5: A 可见, 在 9 月除罗伞外, 生长在 100% 自然光的荷树、黧蒴和九节叶片的细
胞间CO 2 浓度 (C i)较生长在 36% 和 16% 自然光的低。这与叶片在 100% 自然光下有较高
R ub isco 羧化速率相一致。较高光强下叶片中的低C i 与降低光强下叶片中高C i 现象, 在
同年 12 月的盆栽苗试验 (图 5: B ) 和翌年 1 月的不同光梯度林地材料 (图 5: C) 中皆可观
察到, 只是C i 的水平因生长季节 (盆栽试验)或植物生长环境条件不同而有所不同。
R ub isco 羧化速率与C i 之间的表现为负相关关系, 但相关性甚弱 (见图 6: B )。较高的
R ub isco 羧化速率使更多的CO 2 被固定为光合产物, 从而降低了C i。CA 活性与C i 也表
现弱的负相关关系 (见图 6: A )。
803 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷　　
3　讨论
C 3 植物的R ub isco 是叶片光合碳固定的关键酶, R ub isco 催化底物R uBP 与 CO 2 的
羧化作用, 促进了光合碳还原环 (Calvin 环)的运转。在正常的光强和空气CO 2 浓度下, 光
合碳固定受到R ub isco 羧化速率和酶蛋白量的限制, R ub isco 的羧化速率与R ub isco 及其
活化酶受到光的活化[3 ]有关。Suken ik 等报道藻类在强光下有较高的光合速率和单位
Ch la 和R ub isco 含量, 且有高光合电子传递速率[4 ]。林植芳等观察到夏季[8 ]和冬季[9 ]在全
自然光下生长的荷树、黧蒴、九节和罗伞叶片的光合电子流速率皆高于生长在 36% 和
16% 自然光下的同类植物, 与本文中相应较高的羧化速率相一致。
CA 催化CO 2 转变为D IC 及D IC 转变为光合羧化部位所需的CO 2。CA 活性的变化
受光强的调节, 与R ub isco 羧化速率的变化相似, 两者间的相关性大于 017, 表明光诱导
903　第 4 期　　　孙谷畴等: 不同光强下生长的几种亚热带森林树木的Rubisco 羧化速率和碳酸酐酶的活性
R ub isco 活性和羧化速率增高的同时出现CA 活性相应增高。因为羧化作用增强使光合
羧化位点的CO 2 分压下降, 从而有利于促进CA 催化反应过程[10, 11 ]。另一方面,M ercado
等观察到生长在强光下的藻 (G raclla ria f anu istip ta ta )的D IC 传输速率增高[12 ]。同时, CA
活性的增高又有利于增大R ub isco 对 CO 2 的亲和力。已证明水稻CA 活性增高可降低
CO 2 固定的 Km 值, 提高光合CO 2 固定能力; CA 活性增高也被视为水稻减轻在强光下出
现光抑制的手段之一[5 ]。植物通过调节CA 活性而适应光环境的变化, 在本文中得到进一
步的确证。
CA 活性和R ub isco 羧化速率大小是决定C i 水平的非气孔调节的重要因素。本文可
见C i 大小与R ub isco 羧化速率的负相关性和其与CA 活性的负相关性都较弱。暗示R u2
b isco 羧化速率和CA 对C i 的影响较为复杂。C i 的大小可能还受到气孔调节和D IC 扩散
的限制。
与耐阴性林下灌木植物九节和罗伞相比, 光强的变化对阳生性乔木荷树和黧蒴的
CA 活性、R ub isco 羧化速率和C i 的影响较为显著, 光强减弱使这 3 个参数的变幅明显大
于灌木植物, 而且两种灌木植物的 CA 活性、R ub isco 羧化速率, 尤其是 C i 等参数在
100% 自然光和 36% 自然光之间的差别较小。这表明光强超过 36% 以上对耐阴灌木植物
的光合羧化活性没有明显的促进作用。乔木、灌木以及阳生和阴生植物的光合作用特性对
光强变化响应的差异可能是其对光环境长期适应的结果。
参考文献:
[ 1 ]　N ewm an R , Raven J A. Carbon ic anhydrase in R anuncu lus p en icilla tus spp. p seud of lu itans: activity, location
and imp lication fo r carbon assim ilation. P lan t Cell E uv iron, 1993, 16 (5) : 491 500.
[ 2 ]　H aglund K, B jo rk M , Ram azanov Z, et a l. Ro le of carbon ic anhydrase in pho to syn thesis and ino rgan ic2carbon
assim ilation in the red alge G racila ria tenu istip ita ta. P lan ta, 1992, 187 (2) : 275 281.
[ 3 ]　Po rtis J R 2A R. Regu lation of ribu lo se 1, 5 b ispho sphate carboxylaseöoxygenase activity. A nn R ev P lan t P hy si2
ol P lan t M ol B iol, 1992, 43: 415 437.
[ 4 ]　Suken ik A , Bennett J , Falkow sk i P. L igh t2satu rated pho to syn thesis2lim itation by electron transpo rt o r carbon
fixation. B ioch im B iop hy s A cta, 1987, 891 (2) : 205 215.
[ 5 ]　J i B H , L i X, J iao D M. Som e physio logical function and adap tive regu lation of carbon ic anhydrase under pho2
to inh ib it ion condition in rice. Ch inese J R ice S ci, 1997, 11 (4) : 238 240.
[ 6 ]　郭敏亮, 高煜珠, 王忠. 用酸度计测定植物碳酸酐酶活性. 植物生理学通讯, 1988 (6) : 59 61.
[ 7 ]　Sharky T D. E stim ating the rate of pho to resp iration in leaves. P hy siol P lan t, 1988, 73 (1) : 147 152.
[ 8 ]　林植芳, 彭长连, 孙梓健, 等. 光强对 4 种亚热带森林植物光合电子传递向光呼吸分配的影响. 中国科学 (C 辑)
2000, 30 (1) : 72 77.
[ 9 ]　林植芳, 彭长连, 孙梓健, 等. 四种木本植物的光合电子传递和吸收光能分配特性对光强的适应. 植物生理学
报, 2000, 26 (5) : 387 392.
[10 ]　D ion isio M L , T suzuk iM , M iyach i S. B lue ligh t induction of carbon ic anhydrase activity in Ch lam g d om onas
rinkard tii. P lan t Cell P hy siol, 1989, 30 (2) : 215 21.
[11 ]　D ion isio M L , T suzuk i H , M iyach i S. L igh t requ irem en t fo r carbon ic anhydrase induction in Ch lamy d om onas
reinkard tii. P lan t Cell P hy siol. 1989, 30 (2) : 207 213.
[12 ]　M ercado J M , Carmona R , N iell F X. A ffin ity fo r ino rgan ic carbon of G racila ria f anu istip ta ta cu ltu red at low
and h igh irradiance. P lan ta, 2000, 210 (5) : 758 764.
013 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷