叶绿素荧光原理与应用

叶绿素荧光原理与应用范海光合作用过程简介光合膜上的蛋白复合体光反应的电子传递Z-scheme叶绿素荧光的产生叶绿素吸收光能的去向光合机构吸收的光能有三个可能的去向：一、光化学反应,引起反应中心的电荷分离及后来的电子传递和光合磷酸化,形成用于固定、还原二氧化碳的同化力(ATP和NADPH),氮素还原，光呼吸等。二、转变成热散失；三、以荧光的形式发射出来。由于这三者之间存在此消彼长的相互竞争关系,所以可以通过荧光的变化探测光合作用的变化(图1)。实际上,以荧光形式发射出来的光能在数量上是很少的,还不到吸收的总光能的3%。在很弱的光下,光合机构吸收的光能大约97%被用于光化学反应,2.5%被转变成热散失,0.5%被变成荧光发射出来；在很强的光下，当全部PSII反应中心关闭时，吸收的光能95%－97%被变成热，而2.5%－5.0%被变成荧光发射。调制式荧光仪的作用原理调制光用于叶绿素荧光测定和猝灭分析是荧光测定的一个革命性进展。在这样的系统中，用于测定荧光的光源被调制，也就是使用以很高频率不断开关的光源。在这样的系统中，检测器选择性放大，仅仅检测被调制光激发的荧光，就可以在田间条件下，即在田间很强的太阳光存在的情况下测定相对的荧光产额。调制荧光技术把作用光信号与荧光信号区分开，在测定时，给植物材料施加一个脉冲调制光束，该脉冲光使植物叶片产生一个脉冲的荧光信号，当有自然光存在时，检测到由脉冲调制光束诱导出的脉冲荧光信号。脉冲荧光信号的大小可以反映出叶片生理状况，由脉冲调制光束诱导出的脉冲荧光信号作为光系统II光能利用效率大小的探针。叶绿素荧光诱导动力学当一片经过充分暗适应的叶片从黑暗中转入光下后，叶片的荧光产额会随时间发生规律性的变化，即kautsky效应，典型荧光诱导动力学曲线上几个特征性的点分别被命名为O、I、D、P、S、M和T叶绿素荧光诱导动力学曲线在照光的第一秒钟内，荧光水平从O上升到P,这一段被称为快相；在接下来的几分钟内，荧光水平从P下降到T，这一段被称为慢相。快相与PSII的原初过程有关，慢相则主要与类囊体膜上和间质中的一些反应过程包括碳代谢之间的相互作用有关。荧光测定和猝灭分析需要几种不同的光源：1.检测光（调制光）―绿光：光强PPFD小于10μmol·m-2·s-1，用于测Fo。2.作用光―通常用白光，用于推动光合作用的光化学反应，光强可因实验目的不同而变化。3.饱和脉冲光―通常用白光，光强PPFD大于3000μmol·m-2·s-1，确保QA全部还原，用于测Fm和Fm'。4.弱远红光（或暗）―以便PSI推动QA氧化，测Fo'前使用。测定与分析基本步骤在植物对各种环境胁迫响应的分子机理研究中，为了获得未遭受任何环境胁迫的对照叶片的基本荧光参数，首先需要让对照叶片经过一个充分的暗适应过程。首先，给一个经过充分暗适应的叶片照射检测光，经过一小段时间（1~2min）荧光水平稳定后得到荧光参数Fo。接着，给一个饱和脉冲光，一个脉冲后关闭，得到荧光参数Fm，于是得到荧光参数Fv/Fm(Fv=Fm-Fo)，即潜在的PSII的光化学效率叶片荧光的暗－光适应曲线荧光猝灭荧光猝灭就是荧光产额降低。一切使荧光产额低于其最大值的过程，都被称为荧光猝灭过程。对于不同荧光猝灭组分的分辨，能够提供关于光合机构功能状态的重要资料。荧光猝灭可分两类：一、光化学猝灭，即由光化学反应引起的荧光产额的降低，它有赖于氧化态QA的存在。二、非光化学猝灭，即由非光化学过程，例如热耗散过程引起的荧光产额的降低。它是植物体内光合量子效率调节的一个重要方面。非光化学猝灭涉及三个不同的机理：qE——依赖类囊体膜内外的质子浓度差，暗弛豫的半时间t1/21min，快相。qT——依赖状态1向状态2的转换，PSII的捕光复合体磷酸化，脱离PSII，从类囊体的基粒区迁移到间质片层区，从而减少激发能向PSII的分配，增加激发能向PSI的分配，t1/2=8min，中间相。它比qE和qI小得多，强光下qE和qI增加，而qT受抑制。qI——与光合作用的光抑制有关，可变荧光与最大荧光比值的降低，t1/2=40min，慢相。关于这后一种非光化学猝灭，有三种假说。假说一：这种非光化学荧光猝灭起源于PSII的反应中心，部分PSII中心发生变化，虽然还能捕捉激发能，但不能进行光化学反应，而把能量变成热。假说二：这种非光化学荧光猝灭起源于PSII的天线色素，它通过非辐射能量耗散消耗激发能，与叶黄素循环过程中生成的玉米黄素有关。假说三：这种非光化学荧光猝灭与D1蛋白的失活和降解有关荧光参数关于各种荧光参数的命名和定义，在不同时期和不同作者的文章中很不一致。不同的资料一定对应荧光动力学曲线理解。2.1基础参数Fo―有多种名称，最小（minimal）、基底（ground）、暗（dark）、初始（initial）和不变（un-changed,constant）荧光强度等。它是已经暗适应的光合机构全部PSII中心都开放时的荧光强度，qP=1，qN=0。绝大部分学者都认为，Fo荧光来自天线叶绿素aFi―荧光诱导动力学曲线O-I-D-F-T中I水平的荧光强度Fp―荧光诱导动力学曲线O-I-D-P-T中P水平的荧光强度Fs―荧光诱导动力学曲线O-I-D-P-T中T水平的荧光强度Fm―黑暗中最大（maximum）荧光，它是已经暗适应的光合机构全部PSII中心都关闭时的荧光强度，qP=0。这时所有的非光化学过程都最小，qN=0，这是标准的最大荧光。Fm’―光下最大荧光，在光适应状态下全部PSII中心都关闭时的荧光强度，qp=0，qN≥O。Fm'受非光化学猝灭的影响，而不受光化学猝灭的影响。Fo’―光下最小荧光，在光适应状态下全部PSII中心都开放时的荧光强度，qp=1，qN≥0。为了使照光后所有的PSII中心都迅速开放，一般在照光后和测定前应用一束远红光（波长大于680nm，使用的波长735nm，几秒钟）。Fv―黑暗中最大可变（variable）荧光强度，Fv=Fm-Fo。Fv’―光下最大可变荧光强度，Fv'=Fm'-Fo'。表明PSII光化学效率的参数Fv/Fm―没有遭受环境胁迫并经过充分暗适应的植物叶片PSII最大的或潜在的量子效率指标，它是比较恒定的，一般在0.80~0.85之间。有时，Fv/Fm也被称为开放的PSII反应中心的能量捕捉效率。Fv/Fo－是Fv/Fm的另一种表达方式，Fv/Fo=(Fv/Fm)/(1-Fv/Fm)。Fv/Fo不是一个直接的效率指标，但是它对效率的变化很敏感，一些处理引起的Fv/Fo变化的幅度比Fv/Fm变化的幅度大得多，所以Fv/Fo在一些情况下是表达资料的好形式。此外，Fm/Fo也是Fv/Fm的另一种表达方式，因为Fm/Fo=(Fv+Fo)/Fo=Fv/Fo+1。(Fm’-Fs)/Fm’―作用光存在时PSII的实际的量子效率(φPSII)，即PSII反应中心电荷分离的实际的量子效率。Fs是稳态荧光水平，Fm’是在作用光存在时一个饱和光脉冲激发的荧光水平。计算这个参数不需要准确测定Fo，不受Fo变化的影响。PSII实际的电子传递的量子效率这个参数[φPSII=(Fm’-Fs)/Fm’]不仅与碳同化有关，也与光呼吸及依赖O2的电子流有关。由于φPSII是PSII光化学反应的量子效率，所以可以利用它计算非循环电子传递速率（ETR）以及体内的总光合电子传递能力：ETR=φPSII×PFDa×0.5PFDa是被吸收的光通量密度(光合有效辐射μmol·m-2·s-1)，0.5代表光能在两个光系统间的分配系数。如果假设入射到叶片表面的光能平均有84%被叶片吸收，并且平均分配给两个光系统，则上式可以写成：ETR=φPSII×PFD×0.84×0.5。Fv’/Fm’――开放的PSII反应中心的激发能捕获效率，也称谓PSII天线效率。可以计算某PFD下量子效率的相对限制或光合功能的相对限制L(PFD)：L(PFD)=1-(qp×Fv'/Fm')/0.83。0.83是最适量子效率，qp的最适值是l。由此式可以看到，限制来自qp和Fv'/Fm'的降低。只有当qp=1和Fv'/Fm'=0.83时，L(PFD)=0，即不存在限制。使用Fv’/Fm’可以来估以下指标：光化学反应相对份额P=Fv'/Fm'×qp,天线热耗散的相对份额D=1-Fv'/Fm'。热耗散的速率为＝(1-Fv'/Fm')×PFD。荧光猝灭参数qp=(Fm'-Fs)/(Fm'-Fo')，光化学猝灭系数。这里，(Fm'-Fs)代表光化学猝灭的荧光。qp是表示PSII开放的反应中心所占比例，而1-qp则是关闭的反应中心所占比例，反映QA的还原程度，有时被称为PSII的激发压。氧化态的QA是PSII电子传递的原初醌受体，它决定PSII的激发能捕获速率，所以光化学猝灭也被称为Q猝灭。qp和Fv/Fm、φPSII之间有如下关系：Fv/Fm=φPSII/qp。qN=1-(Fm'-Fo')/(Fm-Fo)=1-Fv'/Fv。实际上，qN是一个定量非光化学猝灭的旧术语，它的计算以测定Fo和Fo'为前提，而Fo和Fo'的测定不准确会造成计算结果的偏差。NPQ=(Fm-Fm')/Fm'=Fm/Fm'-1。这里（Fm-Fm'）代表非光化学猝灭的荧光。NPQ的变化反映热耗散的变化。这个计算不需要测定Fo和Fo'，但是必须测定一个充分暗适应叶片的参比值Fm，最好是经过一个夜晚暗适应的黎明时刻的Fm值，这时光化学效率最大，而热耗散最小。