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如何用光看清植物健康:葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定

瀏覽次數(shù):160 發(fā)布日期:2025-1-17  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)

一、什么是葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定?
葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定是通過(guò)檢測(cè)植物葉片中的葉綠素分子在光照下所發(fā)出的熒光來(lái)研究植物光合作用效率和健康狀況的技術(shù)。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵色素,當(dāng)光照射到葉綠素分子時(shí),能量將主要用于光合作用、熱耗散、和發(fā)射熒光。通過(guò)測(cè)定和分析熒光信號(hào),人們可以深入了解植物的光合作用效率及其對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)。

圖1 植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)成像示例圖,包括Fm,F(xiàn)o,F(xiàn)o’ , FPSII, Fv, NPQ, qN, qP等。

二、測(cè)定葉綠素?zé)晒獾某R姺椒ㄓ心男?/strong>
目前,測(cè)試葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定分析有四種方法(分別是脈沖幅度調(diào)制熒光PAM、快速熒光動(dòng)力學(xué)OJIP、快速重復(fù)率熒光FRR、日光誘導(dǎo)熒光SIF),PAM仍是目前最受歡迎和最具影響力的平臺(tái)。在使用場(chǎng)景上,PAM適合于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,F(xiàn)RR方法也稱為激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馑矐B(tài),適合于野外連續(xù)監(jiān)測(cè),SIF可以利用光譜儀近地面測(cè)量或利用衛(wèi)星遙感測(cè)量等。
三、葉綠素?zé)晒獾臏y(cè)定有哪些應(yīng)用?
葉綠素?zé)晒夥治黾仁鞘覂?nèi)光合作用基礎(chǔ)研究的先進(jìn)工具,也是室外自然條件下診斷植物體內(nèi)光合組織運(yùn)轉(zhuǎn)情況、分析植物對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)機(jī)制的重要方法。如今,人們通過(guò)葉綠素?zé)晒夥治龉烙?jì)量子效率、光合能力,計(jì)算光合電子傳遞效率、胞間CO2濃度,并試圖用熒光參數(shù)來(lái)快速篩選遺傳變異的植物。
四、葉綠素測(cè)定過(guò)程中常見的光源:

  1. 測(cè)量光:是一種光強(qiáng)度極弱的調(diào)制光,幾乎不能引起光系統(tǒng)II反應(yīng)中心關(guān)閉,即全部QA都處于氧化態(tài),此時(shí)熒光的產(chǎn)率最低,檢測(cè)到的熒光參數(shù)為Fo。
  2. 光化光(或作用光):用于推動(dòng)光合作用光化學(xué)反應(yīng),光強(qiáng)范圍在0-2000 umol·m-2·s-1,可因?qū)嶒?yàn)?zāi)康牟煌兓?/li>
  3. 飽和脈沖光:光強(qiáng)通常在5000-10000 umol·m-2·s-1,閃光時(shí)長(zhǎng)≤1s,確保QA完全處于還原態(tài)(即QA-),此時(shí)測(cè)定的熒光參數(shù)為FM或FM’。
  4. 遠(yuǎn)紅光:720-730nm,PPFD為30 umol·m-2·s-1,4 s,測(cè)定Fo’之前使用,用于激發(fā)PSI而不激發(fā)光系統(tǒng)II,促使電子向下游傳遞,推動(dòng)QA氧化。

五、測(cè)定葉綠素?zé)晒獾幕静襟E是怎樣的?

1. 暗適應(yīng):為了獲得沒(méi)有遭受任何環(huán)境脅迫的對(duì)照葉片的基本熒光參數(shù),測(cè)定前要讓葉片經(jīng)過(guò)一個(gè)充分的暗適應(yīng)過(guò)程,最好過(guò)夜。
2. 給完成暗適應(yīng)的葉片照射檢測(cè)光,經(jīng)1-2 min,葉片發(fā)射的葉綠素?zé)晒馑椒(wěn)定后,得到熒光參數(shù)Fo。
3. 給葉光照射飽和脈沖光(10000 umol·m-2·s-1,1s),一個(gè)光脈沖后得到熒光參數(shù)FM。
4. 計(jì)算可變熒光Fv(Fv=FM-Fo和PSII最大的或潛在的光化學(xué)效率Fv/FM。
 Fv/FM=(FM-Fo)/FM
5. 給葉片照射光化光(能夠推動(dòng)光合作用進(jìn)行但不能使光合作用飽和的光),光強(qiáng)一般為幾百 umol·m-2·s-1,光強(qiáng)可因植物生長(zhǎng)條件或?qū)嶒?yàn)?zāi)康牟煌兓。?jīng)過(guò)幾分鐘到幾十分鐘,葉片光合作用達(dá)到穩(wěn)態(tài),得到熒光參數(shù)Fs
6. 再給葉片照射飽和脈沖光,一個(gè)光脈沖后關(guān)閉飽和脈沖光,得到熒光參數(shù)FM’。
7. 計(jì)算作用光存在時(shí)光合機(jī)構(gòu)PSII實(shí)際的光化學(xué)效率 φPSII。
φPSII=(FM’-Fs)/FM’=ΔF/FM
φPSII可用于計(jì)算PSII或非循環(huán)電子傳遞速率ETRPSII。
8. 計(jì)算葉綠素?zé)晒獾姆枪饣瘜W(xué)猝滅系數(shù)NPQ,
NPQ=(FM-FM’)/FM’=FM/FM’-1
9. 在關(guān)閉飽和脈沖光之后不久(約1 min)再關(guān)閉作用光,并立即給葉片照射遠(yuǎn)紅外光,這時(shí)得到熒光參數(shù)Fo’。
10. 計(jì)算葉綠素?zé)晒獾墓饣瘜W(xué)猝滅系數(shù)qP,
qP=(FM-FS)/(FM’-Fo’)

六、葉綠素測(cè)定過(guò)程中需注意的問(wèn)題
1、測(cè)定溫度:在20 ℃以下的環(huán)境中測(cè)定時(shí),由于熒光儀探頭和葉片之間的溫度差會(huì)引起探頭表面凝水,造成低估qP值。
2、葉綠體運(yùn)動(dòng):光引起的葉綠體運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致高估qN,防止辦法是從作用光中除掉能引起葉綠體運(yùn)動(dòng)的光(波長(zhǎng)<510 nm)。
3、葉片表面特征:葉片上下表面的特征不同,導(dǎo)致Fv/FM也不相同。
4、暗適應(yīng)時(shí)間的確定取決于實(shí)驗(yàn)?zāi)康。如果要得到PSII最大的光化學(xué)效率Fv/FM,那最好經(jīng)過(guò)一個(gè)黑暗的夜晚,使所有的能量耗散過(guò)程全部停止;如果要連續(xù)觀察熒光參數(shù)的日變化等動(dòng)態(tài)變化,則15-20 min的黑暗即可。
5、熒光參數(shù)預(yù)期值:

  • Fv/FM(C3、C4植物和藻類分別為0.83-0.85、0.78和0.70)
  •  φPSII(小于Fv/FM的任何值)
  • qP和qN(0-1)
  • NPQ(一般0-4)

這些數(shù)據(jù)可以作為測(cè)定結(jié)果是否可靠的參考。
6、用熒光參數(shù) φPSII計(jì)算的光合電子傳遞效率ETRPSII只是一個(gè)近似值,可能有多種誤差來(lái)源。例如,ETRPSII計(jì)算式中的0.84(葉片光吸收的百分?jǐn)?shù))和0.5(兩個(gè)光系統(tǒng)均等地使用葉片吸收的光能)都是假設(shè)的,未必符合被測(cè)葉片的真實(shí)情況,除非通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定這兩個(gè)數(shù)值。
7、不可在同一葉片的同一部位過(guò)多、過(guò)頻地(即兩個(gè)光脈沖之間的暗間隔過(guò)短)使用飽和光脈沖,否則會(huì)導(dǎo)致光合機(jī)構(gòu)的光破壞。
8、葉片熒光測(cè)定不可代替氣體交換測(cè)定。盡管用葉綠素?zé)晒鈪?shù)計(jì)算光合電子傳遞速率可以估計(jì)光合能力,但仍不能代替氣體交換測(cè)定。即使同一時(shí)刻在葉片的同一部位測(cè)定,熒光分析結(jié)果和氣體交換結(jié)果也多有不同。例如,熒光測(cè)定一般反映葉片上層細(xì)胞的情況,而氣體交換測(cè)定則反映整個(gè)葉片包括中下層細(xì)胞的情況。
再如,PSII最大的光化學(xué)效率Fv/FM對(duì)水分脅迫不是很敏感,即使葉片的相對(duì)含水量降到50%以下,也很少變化,但此時(shí)氣體交換測(cè)定的光合速率已急劇降低。因此,若想對(duì)葉片的光合功能做出正確估計(jì),最好將這兩種甚至更多的技術(shù)同時(shí)使用。

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