植物吸收的光能往往超过植物进行碳同化的需求,从而产生大量过剩激发能,破坏PSII的反应中心。为了防止光损伤的发生,植物将启动一系列的光破坏防御机制以维持光能吸收与利用的平衡关系。围绕PSI的环式电子流是近些年来备受关注的光保护机制。环式电子流能够促进跨类囊体膜质子梯度(△pH)的建立,驱动ATP合成酶合成ATP,加快光破坏的修复,使类囊体腔酸化,激发PSII侧处的热耗散,稳定放氧复合体等,从而保护PSII不会因过度还原而造成伤害。棉花是新疆最重要的经济作物,在生长季节会经历高光、干旱等环境条件。本研究从叶片吸收光能特性的差异为着眼点,选取叶绿素含量和和花青素含量不同且吸收光能差异较大的棉花为试验材料,研究不同棉花光合性能以及围绕PSI的环式电子流的差异,明确棉花叶片不同吸光特性对光合性能的影响以及为维持光合机构的稳定运行所启动的光保护机制,揭示吸光能力的差异与光保护机制的关系,研究结果可为棉花高光效育种提供科学依据。主要研究结果如下:(1)研究不同叶绿素含量的棉花光合性能的差异。选取叶绿素含量差异较大的棉花为试验材料,测定了叶绿素含量、类胡萝卜素含量、类胡萝卜素/总的叶绿素、气体交换参数、光呼吸等。研究表明随叶绿素含量的升高,净光合速率并未显著增加,同时气孔导度和胞间二氧化碳浓度保持稳定,而光合机构下游暗反应的光呼吸调控能力逐渐减弱,同时类胡萝卜素对光合机构的保护能力逐渐减弱。低叶绿素含量的棉花有相对较稳定的光合能力和较强的光呼吸和类胡萝卜素保护能力。因此,低叶绿素含量的棉花主要依赖光呼吸和类胡萝卜素维持光合机构稳定运转。(2)研究了高叶绿素含量的棉花环式电子流活性及其调控能力的机理。在研究一的基础上,进一步测定总的环式电子流活性、NDH介导的环式电子流活性、叶绿素荧光参数、ATP合成酶活性、非光化学淬灭曲线、玉米黄质的合成速率等。研究表明,随叶绿素含量的升高,总的环式电子流活性、NDH介导的环式电子流活性均逐渐增强,同时环式电子传递调控的ATP合成、热耗散等过程也逐渐增强。因此,高叶绿素含量伴随较强的环式电子流活性及其调控能力。(3)研究了花青素含量的棉花能够维持较稳定的PSI和PSII活性的机理。选取花青素含量差异较大的棉花为试验材料,测定了花青素含量、气体交换参数、叶绿素荧光参数等。研究表明,随花青素含量升高,净光合速率无明显差异,而气孔导度、胞间二氧化碳浓度逐渐降低,同时光保护机制热耗散逐渐增加,光损伤逐渐减弱,导致PSI的光化学效率逐渐升高;氧化态的P700逐渐增强,还原态的P700逐渐减弱,使得PSI光化学效率逐渐升高。因此,较高的花青素能够有效保护PSI和PSII的活性。(4)研究了棉花可以依赖花青素的耗散过程维持光合机构的稳定的机理。在研究三的基础上,测定总的环式电子流活性、NDH介导的环式电子流活性、ATP合成酶活性、玉米黄质的合成速率等。研究结果表明,随花青素含量升高,总的环式电子流活性、NDH介导的环式电子流活性逐渐增强,环式电子流调控的ATP合成也逐渐增强,而玉米黄质的合成速率逐渐减弱;无花青素的棉花玉米黄质合成速率明显较高花青素的棉花强。因此,花青素能够作为一种光保护机制保护光合机构免受光损伤。