（推薦）葉綠素?zé)晒庠砼c應(yīng)用

1、1,葉綠素?zé)晒庠砼c應(yīng)用,范 海,2,光合作用過(guò)程簡(jiǎn)介,3,光合膜上的蛋白復(fù)合體,4,光反應(yīng)的電子傳遞 Z-scheme,5,葉綠素?zé)晒獾漠a(chǎn)生,6,7,葉綠素吸收光能的去向,光合機(jī)構(gòu)吸收的光能有三個(gè)可能的去向： 一、光化學(xué)反應(yīng),引起反應(yīng)中心的電荷分離及后來(lái)的電子傳遞和光合磷酸化,形成用于固定、還原二氧化碳的同化力(ATP和NADPH),氮素還原，光呼吸等。 二、轉(zhuǎn)變成熱散失； 三、以熒光的形式發(fā)射出來(lái)。 由于這三者之間存在此消彼長(zhǎng)的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,所以可以通過(guò)熒光的變化探測(cè)光合作用的變化(圖1)。,8,9,10,實(shí)際上,以熒光形式發(fā)射出來(lái)的光能在數(shù)量上是很少的,還不到吸收的總光能的3%。 在很弱

2、的光下,光合機(jī)構(gòu)吸收的光能大約97%被用于光化學(xué)反應(yīng),2.5%被轉(zhuǎn)變成熱散失,0.5%被變成熒光發(fā)射出來(lái)； 在很強(qiáng)的光下，當(dāng)全部PSII反應(yīng)中心關(guān)閉時(shí)，吸收的光能95%97%被變成熱，而2.5%5.0%被變成熒光發(fā)射。,11,12,調(diào)制式熒光儀的作用原理,調(diào)制光用于葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定和猝滅分析是熒光測(cè)定的一個(gè)革命性進(jìn)展。在這樣的系統(tǒng)中，用于測(cè)定熒光的光源被調(diào)制，也就是使用以很高頻率不斷開(kāi)關(guān)的光源。在這樣的系統(tǒng)中，檢測(cè)器選擇性放大，僅僅檢測(cè)被調(diào)制光激發(fā)的熒光，就可以在田間條件下，即在田間很強(qiáng)的太陽(yáng)光存在的情況下測(cè)定相對(duì)的熒光產(chǎn)額。,13,調(diào)制熒光技術(shù)把作用光信號(hào)與熒光信號(hào)區(qū)分開(kāi)，在測(cè)定時(shí)，給植物材料

3、施加一個(gè)脈沖調(diào)制光束，該脈沖光使植物葉片產(chǎn)生一個(gè)脈沖的熒光信號(hào)，當(dāng)有自然光存在時(shí)，檢測(cè)到由脈沖調(diào)制光束誘導(dǎo)出的脈沖熒光信號(hào)。 脈沖熒光信號(hào)的大小可以反映出葉片生理狀況，由脈沖調(diào)制光束誘導(dǎo)出的脈沖熒光信號(hào)作為光系統(tǒng)II光能利用效率大小的探針。,14,葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué),當(dāng)一片經(jīng)過(guò)充分暗適應(yīng)的葉片從黑暗中轉(zhuǎn)入光下后，葉片的熒光產(chǎn)額會(huì)隨時(shí)間發(fā)生規(guī)律性的變化，即kautsky效應(yīng)，典型熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線上幾個(gè)特征性的點(diǎn)分別被命名為O、I、D、P、S、M和T,15,葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線,16,在照光的第一秒鐘內(nèi)，熒光水平從O上升到P,這一段被稱為快相； 在接下來(lái)的幾分鐘內(nèi)，熒光水平從P下降到T，這

4、一段被稱為慢相。 快相與PSII的原初過(guò)程有關(guān)，慢相則主要與類囊體膜上和間質(zhì)中的一些反應(yīng)過(guò)程包括碳代謝之間的相互作用有關(guān)。,17,熒光測(cè)定和猝滅分析需要幾種不同的光源： 檢測(cè)光（調(diào)制光）綠光：光強(qiáng)PPFD小于10molm-2s-1，用于測(cè)Fo。 作用光通常用白光，用于推動(dòng)光合作用的光化學(xué)反應(yīng)，光強(qiáng)可因?qū)嶒?yàn)?zāi)康牟煌兓?飽和脈沖光通常用白光，光強(qiáng)PPFD大于3000molm-2s-1，確保QA全部還原，用于測(cè)Fm和Fm。 弱遠(yuǎn)紅光（或暗）以便PSI推動(dòng)QA氧化，測(cè)Fo前使用。,測(cè)定與分析,18,基本步驟 在植物對(duì)各種環(huán)境脅迫響應(yīng)的分子機(jī)理研究中，為了獲得未遭受任何環(huán)境脅迫的對(duì)照葉片的基本熒光

5、參數(shù)，首先需要讓對(duì)照葉片經(jīng)過(guò)一個(gè)充分的暗適應(yīng)過(guò)程。 首先，給一個(gè)經(jīng)過(guò)充分暗適應(yīng)的葉片照射檢測(cè)光，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間（12min）熒光水平穩(wěn)定后得到熒光參數(shù)Fo。接著，給一個(gè)飽和脈沖光，一個(gè)脈沖后關(guān)閉，得到熒光參數(shù)Fm，于是得到熒光參數(shù)Fv/Fm(Fv=Fm-Fo)，即潛在的PS II的光化學(xué)效率,19,20,葉片熒光的暗光適應(yīng)曲線,21,熒光猝滅 熒光猝滅就是熒光產(chǎn)額降低。一切使熒光產(chǎn)額低于其最大值的過(guò)程，都被稱為熒光猝滅過(guò)程。對(duì)于不同熒光猝滅組分的分辨，能夠提供關(guān)于光合機(jī)構(gòu)功能狀態(tài)的重要資料。 熒光猝滅可分兩類： 一、光化學(xué)猝滅，即由光化學(xué)反應(yīng)引起的熒光產(chǎn)額的降低，它有賴于氧化態(tài)QA的存在。 二

6、、非光化學(xué)猝滅，即由非光化學(xué)過(guò)程，例如熱耗散過(guò)程引起的熒光產(chǎn)額的降低。它是植物體內(nèi)光合量子效率調(diào)節(jié)的一個(gè)重要方面。,22,非光化學(xué)猝滅涉及三個(gè)不同的機(jī)理： qE依賴類囊體膜內(nèi)外的質(zhì)子濃度差，暗弛豫的半時(shí)間t1/21min，快相。 qT依賴狀態(tài)1向狀態(tài)2的轉(zhuǎn)換，PS II的捕光復(fù)合體磷酸化，脫離PS II，從類囊體的基粒區(qū)遷移到間質(zhì)片層區(qū)，從而減少激發(fā)能向PS II的分配，增加激發(fā)能向PS I的分配，t1/2=8min，中間相。它比qE和qI小得多，強(qiáng)光下qE和qI增加，而qT受抑制。 qI與光合作用的光抑制有關(guān)，可變熒光與最大熒光比值的降低，t1/2=40min，慢相。關(guān)于這后一種非光化學(xué)猝滅

7、，有三種假說(shuō)。假說(shuō)一：這種非光化學(xué)熒光猝滅起源于PS II的反應(yīng)中心，部分PS II中心發(fā)生變化，雖然還能捕捉激發(fā)能，但不能進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，而把能量變成熱。假說(shuō)二：這種非光化學(xué)熒光猝滅起源于PS II的天線色素，它通過(guò)非輻射能量耗散消耗激發(fā)能，與葉黃素循環(huán)過(guò)程中生成的玉米黃素有關(guān)。假說(shuō)三：這種非光化學(xué)熒光猝滅與D1蛋白的失活和降解有關(guān),23,24,熒光參數(shù) 關(guān)于各種熒光參數(shù)的命名和定義，在不同時(shí)期和不同作者的文章中很不一致。不同的資料一定對(duì)應(yīng)熒光動(dòng)力學(xué)曲線理解。,25,2.1 基礎(chǔ)參數(shù) Fo有多種名稱，最?。╩inimal）、基底（ground）、暗（dark）、初始（initial）和不變（

8、un-changed,constant）熒光強(qiáng)度等。它是已經(jīng)暗適應(yīng)的光合機(jī)構(gòu)全部PSII中心都開(kāi)放時(shí)的熒光強(qiáng)度，qP=1，qN=0。絕大部分學(xué)者都認(rèn)為，F(xiàn)o熒光來(lái)自天線葉綠素a Fi熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線O-I-D-F-T中I水平的熒光強(qiáng)度 Fp熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線O-I-D-P-T中P水平的熒光強(qiáng)度 Fs熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線O-I-D-P-T中T水平的熒光強(qiáng)度 Fm黑暗中最大（maximum）熒光，它是已經(jīng)暗適應(yīng)的光合機(jī)構(gòu)全部PSII中心都關(guān)閉時(shí)的熒光強(qiáng)度，qP=0。這時(shí)所有的非光化學(xué)過(guò)程都最小，qN=0，這是標(biāo)準(zhǔn)的最大熒光。,26,Fm光下最大熒光，在光適應(yīng)狀態(tài)下全部PSII中心都關(guān)閉時(shí)的熒光強(qiáng)度

9、，qp=0，qNO。Fm受非光化學(xué)猝滅的影響，而不受光化學(xué)猝滅的影響。 Fo光下最小熒光，在光適應(yīng)狀態(tài)下全部PSII中心都開(kāi)放時(shí)的熒光強(qiáng)度，qp=1，qN0。為了使照光后所有的PSII中心都迅速開(kāi)放，一般在照光后和測(cè)定前應(yīng)用一束遠(yuǎn)紅光（波長(zhǎng)大于680nm，使用的波長(zhǎng)735nm，幾秒鐘）。 Fv黑暗中最大可變（variable）熒光強(qiáng)度，F(xiàn)v=Fm-Fo。 Fv光下最大可變熒光強(qiáng)度， Fv=Fm-Fo。,27,表明PSII光化學(xué)效率的參數(shù) Fv/Fm沒(méi)有遭受環(huán)境脅迫并經(jīng)過(guò)充分暗適應(yīng)的植物葉片PSII最大的或潛在的量子效率指標(biāo)，它是比較恒定的，一般在0.800.85之間。有時(shí)，F(xiàn)v/Fm也被稱為開(kāi)

10、放的PSII反應(yīng)中心的能量捕捉效率。 Fv/Fo是Fv/Fm的另一種表達(dá)方式，F(xiàn)v/Fo=(Fv/Fm)/(1-Fv/Fm)。Fv/Fo不是一個(gè)直接的效率指標(biāo)，但是它對(duì)效率的變化很敏感，一些處理引起的Fv/Fo變化的幅度比Fv/Fm變化的幅度大得多，所以Fv/Fo在一些情況下是表達(dá)資料的好形式。 此外，F(xiàn)m/Fo也是Fv/Fm的另一種表達(dá)方式，因?yàn)镕m/Fo=(Fv+Fo)/Fo=Fv/Fo+1。,28,(Fm-Fs)/Fm作用光存在時(shí)PSII的實(shí)際的量子效率(PSII)，即PSII反應(yīng)中心電荷分離的實(shí)際的量子效率。 Fs是穩(wěn)態(tài)熒光水平，F(xiàn)m是在作用光存在時(shí)一個(gè)飽和光脈沖激發(fā)的熒光水平。計(jì)算這

11、個(gè)參數(shù)不需要準(zhǔn)確測(cè)定Fo，不受Fo變化的影響。PSII實(shí)際的電子傳遞的量子效率這個(gè)參數(shù)PSII=(Fm-Fs)/Fm不僅與碳同化有關(guān)，也與光呼吸及依賴O2的電子流有關(guān)。,29,由于PSII是PSII光化學(xué)反應(yīng)的量子效率，所以可以利用它計(jì)算非循環(huán)電子傳遞速率（ETR）以及體內(nèi)的總光合電子傳遞能力： ETR=PSIIPFDa0.5 PFDa是被吸收的光通量密度(光合有效輻射molm-2s-1)，0.5代表光能在兩個(gè)光系統(tǒng)間的分配系數(shù)。如果假設(shè)入射到葉片表面的光能平均有84%被葉片吸收，并且平均分配給兩個(gè)光系統(tǒng)，則上式可以寫(xiě)成： ETR=PSIIPFD0.840.5。,30,Fv/Fm開(kāi)放的PSII

12、反應(yīng)中心的激發(fā)能捕獲效率，也稱謂PSII天線效率。可以計(jì)算某PFD下量子效率的相對(duì)限制或光合功能的相對(duì)限制L(PFD) ： L(PFD)=1-(qpFv/Fm)/0.83。0.83是最適量子效率，qp的最適值是l。由此式可以看到，限制來(lái)自qp和Fv/Fm的降低。只有當(dāng)qp=1和Fv/Fm=0.83時(shí)，L(PFD)=0，即不存在限制。 使用Fv/Fm可以來(lái)估以下指標(biāo)： 光化學(xué)反應(yīng)相對(duì)份額 P=Fv/Fmqp, 天線熱耗散的相對(duì)份額D=1-Fv/Fm。 熱耗散的速率為(1-Fv/Fm)PFD。,31,熒光猝滅參數(shù) qp=(Fm-Fs)/(Fm-Fo)，光化學(xué)猝滅系數(shù)。這里，(Fm-Fs)代表光化學(xué)猝滅的熒光。qp是表示PSII開(kāi)放的反應(yīng)中心所占比例，而1-qp則是關(guān)閉的反應(yīng)中心所占比例，反映QA的還原程度，有時(shí)被稱為PSII的激發(fā)壓。 氧化態(tài)的QA是PSII電子傳遞的原初醌受體，它決定PSII的激發(fā)能捕獲速率，所以光化學(xué)猝滅也被稱為Q猝滅。 qp和Fv/Fm、PSII之間有如下關(guān)系：Fv/Fm=PSII/qp。,32,qN=1-(Fm-Fo)/(Fm-Fo)=1-Fv/Fv