题目

叶绿素为什么只能在光下形成

提问时间：2020-11-03

答案

叶绿素的光合成
叶绿体的发育是非常复杂的过程,同时受到叶绿体基因（chloroplast genes）和核基因相互调控.而不论叶绿素的化学结构为何,其合成过程自最前驱物的麸胺酸（glutamate）到最终产物叶绿素至少可分为十五个步骤（图一）,所有参与催化的酵素都由核基因调控,并在细胞质的核醣体合成后才输送到叶绿体基质（stroma）.叶绿素合成后与特定蛋白质组合,并嵌进类囊膜后才能发挥捕光和能量转换的功能.
置于黑暗中的植物萌芽后,其幼苗因缺乏叶绿素和只含有少量的原叶绿素酯（protochlorophyllide,Pchlide）而呈现黄白色.若把此黄白幼苗继续置于黑暗中,并以五氨四酮-戊酸（5-aminolevulinic acid）供给之,则在数小时后此原本黄白色的幼苗将会累积大量原叶绿素酯而呈黄绿色.亦即叶绿素的合成过程中,由五氨四酮-戊酸到原叶绿素酯的十个步骤都可在黑暗中进行,且其所需要的酵素亦可在黑暗中形成.自原叶绿素酯转化为叶绿素酯（chlorophyllide, chlide）属光还原作用（photoreduction）,由原叶绿素酯还原 （Pchlide reductase）负责催化,并且需要光线的参与才能完成.传统上即认为叶绿素的合成需要光线,并且成为光合作用界的主流思想,因为需光的叶绿素合成途径普遍存在于能进行光合作用的细胞中.
前述在黑暗中生长的黄白幼苗含有正常叶绿体的前驱物（即白化体,etioplast）,而经五氨四酮-戊酸处理的幼苗缺叶绿素,但含有大量叶绿素的前驱物原叶绿素酯且形成结晶状原类囊体（prolamellar body, PCB）（图二A）.在原类囊体上,原叶绿素酯与其还原 组成复合体,一旦照光后此复合体即转化为叶绿素蛋白复合体,而原类囊体则转化为类囊膜,而含有叶绿饼和单层类囊膜
叶绿素的暗合成
十九世纪末植物学家开始观察到,藻类可在黑暗中生存数年且仍保持绿色,显示叶绿素可以在黑暗中合成.此种现象亦逐渐在光合细菌、藻类、芦苇、蕨类和裸子植物中发现.故而,叶绿素的合成可分为两大类：一为有光线参与的需光合成途径,由需光原叶绿素酯还原 （light- dependent protochlorophyllide reductase）所催化,如前段所描述；另一种则不需光合成途径或暗合成途径,而是由不需光原叶绿素酯还原 （light-independent protochlorophyllide reductase）所催化.目前已知叶绿素的光合成和暗合成共享相同途径（图一）,但调控前述二大还原还 的基因则完全不同.叶绿素暗合成所需的还原 由三个胜 组成,分别由三个基因所制造.这类基因尚未在被子植物找到.
至1960年代,植物学界仍认为被子植物不能在黑暗中合成叶绿素,其后虽在燕麦、大麦、小麦、碗豆、紫鸭拓草、水稻、阿拉伯芥、烟草及两种水生植物观察到叶绿素的暗合成现象,但也找不到直接的证据.因此数十年来,植物学界仍无法确定演化过程最后出现的被子植物是否真的能在黑暗中合成叶绿素.不仅找不到相关的基因,连不需光原叶绿素酯还原 的活性也侦测不到.以上的被子植物在黑暗中虽被观察到可合成叶绿素,但增加的量有限；且只有阿拉伯芥、烟草及小麦是自种子萌芽阶段即被置于黑暗中,其它都是先经照光处理长大后才移入黑暗中.
葡萄糖促进叶绿素暗合成
马拉巴栗（Pachira macrocarpa）属被子植物,在台湾俗称发财树和美国花生.把此植物置于完全黑暗中一至二周后,长出的新生叶初为黄白色,经一段时间后变为淡黄绿色（封底里,图A）.相同植物若喂以浓度10％以下的葡萄糖溶液相同时间,长出的新生叶呈现和正常照光植物相同的绿叶（封底里,图B）,叶绿素含量则相差数十倍之多.黑暗中加葡萄糖的马拉巴栗新生叶虽在外形和颜色上与正常日照叶相似,但其叶绿体显微照片却大异其趣.当正常状态下只有黄白幼苗才含有原类囊体和只有绿叶才含有叶绿饼（granum）时（图二）,马拉巴栗在黑暗中喂以葡萄糖长出的新生叶却同时出现原类囊体和叶绿饼（图三）,亦即只有黑暗中出现的原类囊体和只有光照下出现的叶绿饼同时并存.由此显示,葡萄糖似乎取代了光照使原类囊体转化为叶绿饼的功能.
结论
虽然目前的证据显示,有少数被子植物可能在黑暗中合成少量叶绿素,但此现象并不是普遍存在被子植物中.马拉巴栗也必须喂以葡萄糖,才能诱使它在黑暗中大量合成叶绿素.但在不需光原叶绿素酯还原 的活性被侦测到或其基因被搜寻到以前,被子植物是否能在黑暗中合成叶绿素仍不能下定论,仍须进一步探讨.