3-光合作用

綠色植物及某些細菌的葉綠素吸收光能、同化二氧化碳和水等簡單無機物，合成複雜有機物並放出氧的過程。光合作用產生的有機物主要是碳水化合物。

光合作用包括在光照條件下進行的光反應過程，不需要光的純酶促過程（即暗反應）以及導致在葉綠體和外界空氣之間二氧化碳和氧氣的氣體交換過程。它是地球上利用日光能最重要的過程，糧食、煤炭中所含的能量，都是通過光合作用貯藏起來的。是地球上最大規模的由二氧化碳和水等無機物質製造碳水化合物、蛋白質、脂肪等有機物質的過程; 也是大氣中氧的來源。絕大多數生物（包括人類）都直接或間接依靠光合作用所提供的物質和能量而生存。

光合作用的研究在理論上和實踐上都有重大意義。

基本介紹

• 中文名：3-光合作用
• 外文名：photosynthesis
• 作用部位：葉綠體
• 條件：光色素分子酶二氧化碳
• 原理：碳—氧平衡

定義

光合作用（Photosynthesis）是綠色植物利用葉綠素等光合色素和某些細菌（如帶紫膜的嗜鹽古菌）利用其細胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水（細菌為硫化氫和水）轉化為儲存著能量的有機物，並釋放出氧氣（細菌釋放氫氣）的生化過程。同時也有將光能轉變為有機物中化學能的能量轉化過程。植物之所以被稱為食物鏈的生產者，是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產有機物並且貯存能量。通過食用，食物鏈的消費者可以吸收到植物及細菌所貯存的能量，效率為10%~20%左右。對於生物界的幾乎所有生物來說，這個過程是它們賴以生存的關鍵。而地球上的碳氧循環，光合作用是必不可少的。

作用機制

作用原理

植物與動物不同，它們沒有消化系統，因此它們必須依靠其他的方式來進行對營養的攝取，植物就是所謂的自養生物的一種。對於綠色植物來說，在陽光充足的白天（在光照強度太強的時候植物的氣孔會關閉，導致光合作用強度減弱），它們利用太陽光能來進行光合作用，以獲得生長發育必需的養分。

這個過程的關鍵參與者是內部的葉綠體。葉綠體在陽光的作用下，把經由氣孔進入葉子內部的二氧化碳和由根部吸收的水轉變成為澱粉等物質，同時釋放氧氣。

光合作用是將太陽能轉化為ATP中活躍的化學能再轉化為有機物中穩定的化學能的過程。

化學方程式

CO₂+H₂O→（CH₂O）+O₂（反應條件：光能和葉綠體）

6H₂O+6CO₂+陽光→C₆H₁₂O₆（葡萄糖）+6O₂（與葉綠素產生化學作用）

（化學反應式12H₂O+6CO₂→C₆H₁₂O₆（葡萄糖）+6O₂+6H₂O箭頭上標的條件是：酶和光照，下面是葉綠體）

H₂O→2H+2e+1/2O₂（水的光解）

NADP+2e+H→NADPH（遞氫）

ADP+Pi+能量→ATP（遞能）

CO₂+C₅化合物→2C₃化合物（二氧化碳的固定）

2C₃化合物+4NADPH→C₅糖（有機物的生成或稱為C3的還原）

C₃（一部分）→C₅化合物（C₃再生C₅）

C₃（一部分）→儲能物質（如葡萄糖、蔗糖、澱粉，有的還生成脂肪）

ATP→ADP+Pi+能量（耗能）

C₃：某些3碳化合物

C₅：某些5碳化合物

能量轉化過程：光能→電能→ATP中活躍的化學能→有機物中穩定的化學能→ATP中活躍的化學能

註：因為反應中心吸收了特定波長的光後，葉綠素a激發出了一個電子，而旁邊的酵素使水裂解成氫離子和氧原子，多餘的電子去補葉綠素a分子上缺的。產生ATP與NADPH分子，這個過程稱為電子傳遞鏈（Electron Transport Chain）

電子傳遞鏈分為循環和非循環。

非循環電子傳遞鏈從光系統2出發，會裂解水，釋放出氧氣，生產ATP與NADPH.

循環電子傳遞鏈不會產生氧氣，因為電子來源並非裂解水。最後會生成ATP.

光合作用的簡要過程

可見，從葉綠素a吸收光能開始，就發生了電子的移動，形成了電子傳遞鏈，有了電子傳遞鏈，才能使得ATP合成酶將ADP和磷酸合成ATP。因此，它的能量轉化過程為：

光能→電能→不穩定的化學能（能量儲存在ATP的高能磷酸鍵）→穩定的化學能（澱粉等糖類的合成）

注意：光反應只有在光照條件下進行，而只要在滿足碳反應條件的情況下碳反應都可以進行。也就是說碳反應不一定要在黑暗條件下進行。

注意事項

12H₂O+6CO₂+陽光→（與葉綠素產生化學作用）C₆H₁₂O₆（葡萄糖）+6O₂+6H₂O

光合作用的兩個階段

上式中等號兩邊的水不能抵消，雖然在化學上式子顯得很特別。原因是左邊的水，是植物吸收所得，而且用於製造氧氣和提供電子和氫離子。而右邊的水分子的氧原子則是來自二氧化碳。為了更清楚地表達這一原料產物起始過程，人們更習慣在等號左右兩邊都寫上水分子。有時會在CO₂和右邊的H₂O的氧原子上打星號，表示右邊的水分子的氧原子來自二氧化碳。（是由同位素追蹤法得來）

反應階段

光合作用可分為光反應和碳反應（舊稱暗反應）兩個階段。

光反應

條件：光照、光合色素、光反應酶。

場所：葉綠體的類囊體薄膜。（藍細菌等微生物的反應場所在細胞質）（色素所在地）

光合作用的反應：

（原料）光

（產物）水→氧氣（光和葉綠體是條件）+能量（儲存在ATP中）+還原氫（NADPH）

葉綠體

過程：①水的光解：2H₂O→4[H]+O₂（在光和葉綠體中的色素的催化下）。

②ATP的合成：ADP+Pi+能量→ATP（在酶的催化下）。

影響因素：光照強度、CO₂濃度、水分供給、溫度、酸鹼度、礦質元素等。

意義：①光解水，產生氧氣。

②將光能轉變成活躍的化學能，儲存在ATP中，為碳反應提供能量。

③利用水光解的產物氫離子，合成NADPH（還原型輔酶Ⅱ），為碳反應提供還原劑NADPH（還原型輔酶Ⅱ）。

碳反應

條件：多種酶。

場所：葉綠體基質。

過程：①碳的固定：C₅+CO₂→2C₃(在酶的催化下)

②2C₃+[H]→(CH₂O)+C₅(在ATP供能和酶的催化下)

影響因素：溫度、CO₂濃度

作用解析

光合色素

葉綠體是光合作用的場所。

類囊體中含兩類色素：葉綠素和橙黃色的類胡蘿蔔素（胡蘿蔔素和葉黃素），通常葉綠素和類胡蘿蔔素的比例約為3：1，chla與chlb也約為3：1，在許多藻類中除葉綠素a、b外，還有葉綠素c、d和藻膽素，如藻紅素和藻藍素；在光合細菌中是細菌葉綠素等。葉綠素a、b和細菌葉綠素都由一個與鎂絡合的卟啉環和一個長鏈醇組成，它們之間僅有很小的差別。類胡蘿蔔素是由異戊烯單元組成的四萜，藻膽素是一類色素蛋白，其生色團是由吡咯環組成的鏈，不含金屬，而類色素都具有較多的共軛雙鍵。全部葉綠素和幾乎所有的類胡蘿蔔素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質以非共價鍵結合，一條肽鏈上可以結合若干色素分子，各色素分子間的距離和取向固定，有利於能量傳遞。類胡蘿蔔素與葉黃素能對葉綠素a、b起一定的保護作用。幾類色素的吸收光譜不同，葉綠素a、b吸收紅，橙，藍，紫光，類胡蘿蔔素吸收藍紫光，吸收率最低的為綠光。特別是藻紅素和藻藍素的吸收光譜與葉綠素的相差很大，這對於在海洋里生活的藻類適應不同的光質條件，有生態意義。

吸收峰

葉綠素a、b的吸收峰過程：葉綠體膜上的兩套光合作用系統：光合作用系統一和光合作用系統二，（光合作用系統一比光合作用系統二要原始，但電子傳遞先在光合系統二開始）在光照的情況下，分別吸收680nm和700nm波長的光子（以藍紫光為主，伴有少量紅色光），作為能量，將從水分子光解過程中得到電子不斷傳遞，（能傳遞電子得僅有少數特殊狀態下的葉綠素a）最後傳遞給輔酶二NADP。

而水光解所得的氫離子則因為順濃度差通過類囊體膜上的蛋白質複合體從類囊體內向外移動到基質，勢能降低，其間的勢能用於合成ATP，以供暗反應所用。而此時勢能已降低的氫離子則被氫載體NADP+帶走。一分子NADP可攜帶兩個氫離子，NADP+2e+H=NADPH。還原性輔酶二NADPH則在暗反應裡面充當還原劑的作用。

電子傳遞鏈

電子傳遞鏈組分：

集光複合體由大約200個葉綠素分子和一些肽鏈構成。大部分色素分子起捕獲光能的作用，並將光能以誘導共振方式傳遞到反應中心色素。因此這些色素被稱為天線色素。葉綠體中全部葉綠素b和大部分葉綠素a都是天線色素。另外類胡蘿蔔素和葉黃素分子也起捕獲光能的作用，叫做輔助色素。

光系統Ⅰ（PSI）

能被波長700nm的光激發，又稱P700。包含多條肽鏈，位於基粒與基質接觸區的基質類囊體膜中。由集光複合體Ⅰ和作用中心構成。結合100個左右葉綠素分子、除了幾個特殊的葉綠素為中心色素外，其它葉綠素都是天線色素。三種電子載體分別為A0（一個chla分子）、A1（為維生素K1）及3個不同的4Fe-4S。

光系統Ⅱ（PSⅡ）

吸收高峰為波長680nm處，又稱P680。至少包括12條多肽鏈。位於基粒與基質非接觸區域的類囊體膜上。包括一個集光複合體（light-havesting comnplex Ⅱ，LHC Ⅱ）、一個反應中心和一個含錳原子的放氧的複合體（oxygen evolving complex）。D1和D2為兩條核心肽鏈，結合中心色素P680、去鎂葉綠素（pheophytin）及質體醌（plastoquinone）。

細胞色素b6/f複合體

可能以二聚體形式存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素b6（b563）、細胞色素f、鐵硫蛋白、以及亞基Ⅳ（被認為是質體醌的結合蛋白）。

非循環電子傳遞鏈

非循環電子傳遞鏈過程大致如下：

電子從光系統2出發。

光系統2→初級接受者（Primary acceptor）→質體醌（Pq）→細胞色素複合體（Cytochrome Complex）→質體藍素（含銅蛋白質，Pc）→光系統1→初級接受者→鐵氧化還原蛋白（Fd）→NADP還原酶（NADP reductase）

非循環電子傳遞鏈從光系統2出發，會裂解水，釋出氧氣，生產ATP與NADPH。

循環電子傳遞鏈

循環電子傳遞鏈的過程如下：

電子從光系統1出發。

光系統1→初級接受者（Primary acceptor）→鐵氧化還原蛋白（Fd）→細胞色素複合體（Cytochrome Complex）→質粒藍素（含銅蛋白質）（Pc）→光系統1

循環電子傳遞鏈不會產生氧氣，因為電子來源並非裂解水。最後會生產出ATP。

非循環電子傳遞鏈中，細胞色素複合體會將氫離子打到類囊體（Thylakoid）裡面。高濃度的氫離子會順著高濃度往低濃度的地方流這個趨勢，像類囊體外擴散。但是類囊體膜是雙層磷脂膜（Phospholipid dilayer），對於氫離子移動的阻隔很大，它只能通過一種叫做ATP合成酶（ATP Synthase）的通道往外走。途中正似水壩里的水一般，釋放它的位能。經過ATP合成酶時會提供能量、改變它的形狀，使得ATP合成酶將ADP和磷酸合成ATP。

NADPH的合成沒有如此戲劇化，就是把送來的電子與原本存在於基質內的氫離子與NADP合成而已。值得注意的是，光合作用中消耗的ATP比NADPH要多得多，因此當ATP不足時，相對來說會造成NADPH的累積，會刺激循環式電子流之進行。

光合磷酸化

P680接受能量後，由基態變為激發態（P680*），然後將電子傳遞給去鎂葉綠素（原初電子受體），P680*帶正電荷，從原初電子供體Z（反應中心D1蛋白上的一個酪氨酸側鏈）得到電子而還原；

光合作用電子傳遞鏈

Z+再從放氧複合體上獲取電子；氧化態的放氧複合體從水中獲取電子，使水光解。2H₂O→O₂+2（2H）+4e

在另一個方向上去鎂葉綠素將電子傳給D2上結合的QA，QA又迅速將電子傳給D1上的QB，還原型的質體醌從光系統Ⅱ複合體上游離下來，另一個氧化態的質體醌占據其位置形成新的QB。質體醌將電子傳給細胞色素b6/f複合體，同時將質子由基質轉移到類囊體腔。電子接著傳遞給位於類囊體腔一側的含銅蛋白質體藍素（plastocyanin，PC）中的Cu，再將電子傳遞到光系統Ⅱ。

P700被光能激發後釋放出來的高能電子沿著A0→A1→4Fe-4S的方向依次傳遞，由類囊體腔一側傳向類囊體基質一側的鐵氧還蛋白（ferredoxin，FD）。最後在鐵氧還蛋白-NADP還原酶的作用下，將電子傳給NADP，形成NADPH。失去電子的P700從PC處獲取電子而還原。

以上電子呈Z形傳遞的過程稱為非循環式光合磷酸化，當植物在缺乏NADP時，電子在光系統內Ⅰ流動，只合成ATP，不產生NADPH，稱為循環式光合磷酸化。

一對電子從P680經P700傳至NADP，在類囊體腔中增加4個H，2個來源於H₂O光解，2個由PQ從基質轉移而來，在基質外一個H又被用於還原

NADP，所以類囊體腔內有較高的H（pH≈5，基質pH≈8），形成質子動力勢，H經ATP合酶，滲入基質、推動ADP和Pi結合形成ATP。

ATP合酶，即CF1-F0偶聯因子，結構類似於線粒體ATP合酶。CF1同樣由5種亞基組成α₃β₃γδε的結構。CF0嵌在膜中，由4種亞基構成，是質子通過類囊體膜的通道。

固碳作用

植物細胞中的葉綠體。

固碳作用實質上是一系列的酶促反應。生物界有幾種固碳方法，主要是卡爾文循環，但並非所有行光合作用的細胞都使用卡爾文循環進行碳固定，例如綠硫細菌會使用還原性三羧酸循環，綠曲撓菌（Chloroflexus）會使用3-羥基丙酸途徑（3-Hydroxy-Propionate pathway），還有一些生物會使用核酮糖-單磷酸途徑（Ribolose-Monophosphate Pathway）和絲氨酸途徑（Serin Pathway）進行碳固定。

場所：葉綠體基質

影響因素：溫度，二氧化碳濃度

過程：不同的植物，固碳作用的過程不一樣，而且葉片的解剖結構也不相同。這是植物對環境的適應的結果。固碳作用可分為C₃、C₄和CAM（景天酸代謝）三種類型（見下文）。三種類型是因二氧化碳的固定這一過程的不同而劃分的。

卡爾文原理

卡爾文循環（Calvin Cycle），又稱還原磷酸戊糖循環（以對應呼吸作用中的氧化磷酸戊糖途徑）、C₃循環（CO₂固定的第一產物是三碳化合物）、光合碳還原還是光合作用的暗反應的一部分。反應場所為葉綠體內的基光合作用（Photosynthesis），即光能合成作用，是植物、藻類和某些細菌，在可見光的照射下，利用光合色素，將二氧化碳（或硫化氫）和水轉化為有機物，並釋放出氧氣（或氫氣）的生化過程。光合作用是一系列複雜的代謝反應的總和，是生物界賴以生存的基礎，也是地球碳氧循環的重要媒介。循環可分為三個階段：羧化、還原和二磷酸核酮糖的再生。大部分植物會將吸收到的一分子二氧化碳通過一種叫二磷酸核酮糖羧化酶的作用整合到一個五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）的第二位碳原子上。此過程稱為二氧化碳的固定。這一步反應的意義是，把原本並不活潑的二氧化碳分子活化，使之隨後能被還原。這種六碳化合物極不穩定，會立刻分解為兩分子的三碳化合物3-磷酸甘油酸。後者被在光反應中生成的NADPH+H還原，此過程需要消耗ATP。產物是3-磷酸丙糖。後來經過一系列複雜的生化反應，一個碳原子將會被用於合成葡萄糖而離開循環。剩下的五個碳原子經一些列變化，最後在生成一個1，5-二磷酸核酮糖，循環重新開始。循環運行六次，生成一分子的葡萄糖。

起源探索

光合作用不是起源於植物和海藻，而是起源於細菌。

從這些進程中能夠很明顯地看出，無論是宿主生物體，還是共生細胞，它們都在光合作用。此“半植半獸”微生物在宿主和共生體細胞之間的快速轉變可能在光合作用演化過程中起過關鍵作用，推動了植物和海藻的進化。雖然科學家還不能培養野生Hatena來完全研究清楚他的生命周期，但是這一階段的研究可能會為搞清楚什麼使得葉綠體成為細胞永久的一部分提供了一些線索。

科學家認為，此生命現象導致海藻進化出一種吞噬細菌的方法，最終使海藻進化出自己的葉綠體來進行光合作用。然而，這一過程到底是怎樣發生的，還是一個不解之謎。從此研究發現可以看出，光合作用不是起源於植物和海藻，而是最先發生在細菌中。正是因為細菌的有氧光合作用演化造成地球大氣層中氧氣含量的增加，從而導致複雜生命的繁衍達十億年之久。

在其他的實驗中，岡本和井上教授嘗試了餵給Hatena其他的海藻，想看看它是否會有同樣的反應。但是，儘管它也吞噬了海藻，卻沒有任何改變的過程。這說明在這兩者之間存在著某種特殊的關係。判斷出這種關係是否是基因決定的將是科學家需要解決的下一個難題。

光合作用植物

光合作用的基因可能同源，但演化並非是一條從簡至繁的直線。科學家羅伯持·布來肯細普曾在《科學》雜誌上發表報告說，我們知道這個光合作用演化來自大約25億年前的細菌，但光合作用發展史非常不好追蹤，且光合微生物的多樣性令人迷惑，雖然有一些線索可以將它們聯繫在一起，但還是不清楚它們之間的關係。為此，布來肯細普等人通過分析五種細菌的基因組來解決部分的問題。

他們的結果顯示，光合作用的演化並非是一條從簡至繁的直線，而是不同的演化路線的合併，靠的是基因的水平轉移，即從一個物種轉移到另一個物種上。通過基因在不同物種間的“旅行”從而使光合作用從細菌傳到了海藻，再到植物。

布來肯細普寫道：“我們發現這些生物的光合作用相關基因並沒有相同的演化路徑，這顯然是水平基因轉移的證據。”他們利用BLAST檢驗了五種細菌：藍綠藻、綠絲菌、綠硫菌、古生菌和螺旋菌的基因，結果發現它們有188個基因相似，而且，其中還有約50個與光合作用有關。它們雖然是不同的細菌，但其光合作用系統相當雷同，他們猜測光合作用相關基因一定是同源的。但是否就是來自Hatena，還有待證實。

然而，光合作用的演化過程如何？為找到此答案，布來肯細普領導的研究小組利用數學方法進行親緣關係分析，來看看這5種細菌的共同基因的演化關係，以決定出最佳的演化樹，結果他們測不同的基因就得出不同的結果，一共支持15種排列方式。顯然，它們有不同的演化史。他們比較了光合作用細菌的共同基因和其它已知基因組的細菌，發現只有少數同源基因堪稱獨特。大多數的共同基因可能對大多數細菌而言是“日常”基因。它們可能參加非光合細菌的代謝反應，然後才被收納成為光合系統的一部分。

光合作用的起源歸根到底是如何構建一個將光能轉化成化學能的生物化學系統的問題。再偉大的偶然機遇，在原始地球上細胞誕生的最初階段，肯定不會有現存生命細胞中發生的如此複雜的光合途徑，這肯定經歷了漫長的演化之旅。

影響條件

光照

光合作用是一個光生物化學反應，所以光合速率隨著光照強度的增加而加快。但超過一定範圍之後，光合速率的增加變慢，直到不再增加。光合速率可以用CO₂的吸收量來表示，CO₂的吸收量越大，表示光合速率越快。

二氧化碳

CO₂是綠色植物光合作用的原料，它的濃度高低影響了光合作用暗反應的進行。在一定範圍內提高CO₂的濃度能提高光合作用的速率，CO₂濃度達到一定值之後光合作用速率不再增加，這是因為光反應的產物有限。

溫度

綠藻

溫度對光合作用的影響較為複雜。由於光合作用包括光反應和暗反應兩個部分，光反應主要涉及光物理和光化學反應過程，尤其是與光有直接關係的步驟，不包括酶促反應，因此光反應部分受溫度的影響小，甚至不受溫度影響；而暗反應是一系列酶促反應，明顯地受溫度變化影響和制約。

當溫度高於光合作用的最適溫度（約25℃）時，光合速率明顯地表現出隨溫度上升而下降，這是由於高溫引起催化暗反應的有關酶鈍化、變性甚至遭到破壞，同時高溫還會導致葉綠體結構發生變化和受損；高溫加劇植物的呼吸作用，而且使二氧化碳溶解度的下降超過氧溶解度的下降，結果利於光呼吸而不利於光合作用；在高溫下，葉子的蒸騰速率增高，葉子失水嚴重，造成氣孔關閉，使二氧化碳供應不足，這些因素的共同作用，必然導致光合速率急劇下降。當溫度上升到熱限溫度，淨光合速率便降為零，如果溫度繼續上升，葉片會因嚴重失水而萎蔫，甚至乾枯死亡。

礦質元素

礦質元素直接或間接影響光合作用。例如，N是構成葉綠素、酶、ATP的化合物的元素，P是構成ATP的元素，Mg是構成葉綠素的元素。

水分

水分既是光合作用的原料之一，又可影響葉片氣孔的開閉，間接影響CO₂的吸收。缺乏水時會使光合速率下降。

大氣電場

大氣電場作為一個新發現的光合作用調節因子正在生產中得到套用。正向的大氣電場促進植物的光合作用，降低光飽和點；而負向的大氣電場則促進呼吸作用。人工模擬大氣電場變化的空間電場用於植物的光合作用調控，也用於高甜度水果化蘿蔔的生產工藝中。空間電場與二氧化碳增補相結合能促進植物生長和根菜類蔬菜甜度的增加。空間電場調控植物生長是空間電場生物效應的一個重要方面。

實際套用

研究課題

研究光合作用，對農業生產，環保等領域起著基礎指導的作用。知道光反應暗反應的影響因素，可以趨利避害，如建造溫室，加快空氣流通，以使農作物增產。人們又了解到二磷酸核酮糖羧化酶的兩面性，即既催化光合作用，又會推動光呼吸，正在嘗試對其進行改造，減少後者，避免有機物和能量的消耗，提高農作物的產量。

當了解到光合作用與植物呼吸的關係後，人們就可以更好的布置家居植物擺設。比如晚上就不應把植物放到室內，以避免因植物呼吸而引起室內氧氣濃度降低。

農業生產的目的是為了以較少的投入，獲得較高的產量。根據光合作用的原理，改變光合作用的某些條件，提高光合作用強度（指植物在單位時間內通過光合作用製造糖的數量），是增加農作物產量的主要措施。這些條件主要是指光照強度、溫度、CO₂濃度等。如何調控環境因素來最大限度的增加光合作用強度，是現代農業的一個重大課題。

農業上套用的例子有：合理密植、立體種植、適當增加二氧化碳濃度、適當延長光照時間、減少大氣電場的禁止、設立空間電場等。

套用實例

（1）雲南生態農業研究所所長那中元開發的作物基因表型誘導調控表達技術（GPIT），在世界上第一個成功地解決了提高光合作用效率的難題。

提高農作物產量有多種途徑，其中之一是提高作物光合作用效率，而如何提高則是一個世界難題，許多已開發國家開展了多年研究，但未見成功的報導。

那中元開發的GPIT技術率先解決了這一難題，據西藏、雲南、山東、黑龍江、吉林等省、自治區試驗結果，使用GPIT技術，不同作物的光合作用效率可分別提高50%至400%以上。

雲南省西北部的迪慶藏族自治州中甸高原壩區海拔3276米，玉米全生育期有效積溫493℃，不到世界公認有效積溫最低極限的一半；玉米苗期最低氣溫零下5.4℃，地表最低氣溫零下9.5℃。但使用GPIT技術試種的玉米仍生長良好，獲得每畝499公斤的高產。

1999年在海拔3658米的拉薩試種的玉米，單株最多長出八穗，全部成熟，且全是高賴氨酸優質玉米。全國高海拔地區和寒冷地區的試驗示範表明，套用GPIT技術可使作物的生育期大為縮短，小麥平均縮短7至15天，水稻平均縮短10至20天，玉米平均縮短30至40天。

GPIT技術還解決了農作物自身抗性表達，高抗根、莖、葉多種病害的世紀難題。1999年在昆明市官渡區進行了百畝小麥連片對照試驗，未使用GPIT技術的小麥三次施用農藥，白粉病仍很嚴重；而套用GPIT技術處理的百畝小麥，不用農藥，基本不見病株。

（2）模擬大氣電場的空間電場在提高溫室內作物、大田作物的光合效率方面具有套用價值。空間電場生物效應之一是植物在空間電場作用下能快速吸收二氧化碳並提高根系的呼吸強度。大氣電場防病促生理論、模擬大氣電場變化的空間電場在農業生產中一般用來解決弱光生理障礙和加快二氧化碳的同化速率。在空間電場環境中，增補二氧化碳可獲得高的生物產量。

（3）二氧化碳捕集技術，即光碳核肥，是由南陽東侖生物光碳科技有限公司生產的產品，世界第一例可以大面積推廣的增加植物光合作用的技術，該技術可以有效的增加作物周圍的二氧化碳濃度，增加植物的光合作用，同時抑制夜間的光呼吸，從而達到作物高產。