園藝作物光合生理

1、一、光合作用研究的基礎知識一、光合作用研究的基礎知識 光合作用的發(fā)現(xiàn)光合作用的發(fā)現(xiàn) 從從1771年英國化學家年英國化學家Priestley發(fā)現(xiàn)光合作用，發(fā)現(xiàn)光合作用， 光光 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 葉綠體葉綠體 到現(xiàn)在已有到現(xiàn)在已有240多年歷史了，這期間有多人因多年歷史了，這期間有多人因相關(guān)研究獲得諾貝爾獎。相關(guān)研究獲得諾貝爾獎。 光合作用的意義：光合作用的意義：1. 一切生命活動的物質(zhì)基礎一切生命活動的物質(zhì)基礎 2. 人類活動能量的主要來源人類活動能量的主要來源 光合作用的基本過程光合作用的基本過程 光反應：光反應：光能吸收，能量傳遞與轉(zhuǎn)化光能吸收，能量傳遞與轉(zhuǎn)

2、化 水的光解，水的光解，O O2 2產(chǎn)生，同化力形成。產(chǎn)生，同化力形成。l 暗反應：利用同化力固定和還原暗反應：利用同化力固定和還原COCO2 2 2ATP 2NADPH RuBp + CO2 2PGA - 2DPGA- 2PGAld羧化羧化還原還原更新更新 光反應中形成光反應中形成ATPATP和和NADPHNADPH在暗反應中用于在暗反應中用于COCO2 2的同化，的同化，故合故合稱為同化力。稱為同化力。 光反應和暗反應是靠同化力聯(lián)系起來的。光反光反應和暗反應是靠同化力聯(lián)系起來的。光反應與暗反應相互協(xié)調(diào)與制約。環(huán)境因素可分別通過影響光、暗應與暗反應相互協(xié)調(diào)與制約。環(huán)境因素可分別通過影響光、暗

3、反應來影響光合機構(gòu)的運轉(zhuǎn)。反應來影響光合機構(gòu)的運轉(zhuǎn)。 X Pheo Q Fd PQ NADP Cytf O2 PC P700 光 量 子H2O Z P680 光 量 子 光光 合合 電電 子子 傳傳 遞遞 鏈鏈PSPSPSPS研究光合作用的工具研究光合作用的工具光反應光反應 葉綠素熒光儀、氧電極葉綠素熒光儀、氧電極暗反應暗反應 光合儀光合儀群體光合光合儀、光譜儀、冠層分析儀群體光合光合儀、光譜儀、冠層分析儀 紅外線分析儀（暗反應）的應用紅外線分析儀（暗反應）的應用群體光合群體光合 CIRAS-1/2 CIRAS-1/2 可配各種群體同化室。可配各種群體同化室。 CPY-3 開放式群體同化室開放

4、式群體同化室CPY-3 開放式群體同化室開放式群體同化室群體或單株光合作用的研究群體或單株光合作用的研究植物單葉的光合速率并植物單葉的光合速率并不一定與植物群體的生不一定與植物群體的生產(chǎn)力成正比產(chǎn)力成正比 葉面積指數(shù)是影響植物葉面積指數(shù)是影響植物群體光合作用的一個重群體光合作用的一個重要因素要因素CPY-2 密閉式群體同化室密閉式群體同化室PLC(I)膨脹型群體同化室膨脹型群體同化室 凈光合速率（凈光合速率（PnPn）：）：net photosynthetic ratenet photosynthetic rate 光合能力（光合能力（PmPm）:photosynthetic capacity

5、:photosynthetic capacity 羧化效率（羧化效率（CECE）:carboxylation efficiency:carboxylation efficiency 表觀量子效率（表觀量子效率（AQYAQY）：）：apparent quantum yieldapparent quantum yield 光、光、COCO2 2補償點（補償點（LCP LCP 、CCPCCP）compensation compensation pointpoint 飽合光、飽合光、COCO2 2（SLSL、SCSC）s saturation aturation RuBPRuBP最大再生速率最大再生速

6、率:max regeneration velocity of RuBP :max regeneration velocity of RuBP 氣孔限制值（氣孔限制值（LsLs）:stomatal limitation value:stomatal limitation value 蒸騰速率（蒸騰速率（TrTr）transpiration ratetranspiration rate 水分利用效率（水分利用效率（Tr/PnTr/Pn） 園藝植物光合作用研究意義園藝植物光合作用研究意義 干物質(zhì)的干物質(zhì)的90%90%以上來源于葉片的光合作用，通過光合作用以上來源于葉片的光合作用，通過光合作用形成碳水

7、化合物是產(chǎn)量形成的主要物質(zhì)基礎，因此，研究園形成碳水化合物是產(chǎn)量形成的主要物質(zhì)基礎，因此，研究園藝植物的光合生產(chǎn)對于揭示產(chǎn)量形成的規(guī)律具有重要的意義。藝植物的光合生產(chǎn)對于揭示產(chǎn)量形成的規(guī)律具有重要的意義。 改善光合性能是提高產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。改善光合性能是提高產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。 園藝植物光合作用研究內(nèi)容園藝植物光合作用研究內(nèi)容 （1） 園藝植物種類、品種和砧木的光合特性比較園藝植物種類、品種和砧木的光合特性比較 （2） 葉片發(fā)育過程中的光合特性葉片發(fā)育過程中的光合特性 （3） 環(huán)境因素對光合作用的影響（溫、光、水、土）環(huán)境因素對光合作用的影響（溫、光、水、土） （4）栽培管理因素對光合生產(chǎn)力的影響

8、（栽植方式、栽）栽培管理因素對光合生產(chǎn)力的影響（栽植方式、栽植密度、整形方式等）植密度、整形方式等） （5）各種試驗處理對植株影響的（只要涉及植物的生長）各種試驗處理對植株影響的（只要涉及植物的生長發(fā)育）光合作用機理。發(fā)育）光合作用機理。 （6）從分子角度，如轉(zhuǎn)基因后表達等）從分子角度，如轉(zhuǎn)基因后表達等光合作用是衡量、評價園藝作物產(chǎn)量、品質(zhì)的生理基礎。光合作用是衡量、評價園藝作物產(chǎn)量、品質(zhì)的生理基礎。光合測定技術(shù)與數(shù)據(jù)分析光合測定技術(shù)與數(shù)據(jù)分析 各種響應曲線各種響應曲線葉片發(fā)育進程光合作用特征葉片發(fā)育進程光合作用特征日變化和季節(jié)變化日變化和季節(jié)變化光合特性對環(huán)境條件的響應等光合特性對環(huán)境條件的

9、響應等 y1 = 0.0264x - 1.0437y3 = 0.0334x - 0.4854y5 = 0.0345x - 1.0823y7 = 0.0278x - 0.9611y9 = 0.0186x - 0.1742-2024680100200300 PAR(molm-2s-1)Pn(molm-2s-1)不同植物的凈光合速率和不同葉位葉片表觀量子效率不同植物的凈光合速率和不同葉位葉片表觀量子效率(dPn/dPAR)(dPn/dPAR) 光補償點（光補償點（LCP）飽和光強（飽和光強（SL）表觀量子效率表觀量子效率 (AQY=dPn /dPED)暗呼吸速率暗呼吸速率 光補償點和飽和光強是區(qū)分陰

10、生和陽生植物光補償點和飽和光強是區(qū)分陰生和陽生植物的重要參數(shù)的重要參數(shù); AQY反映植物光能利用率和光抑制的指標。反映植物光能利用率和光抑制的指標。Pn-PARPn-PAR響應曲線響應曲線表 觀 量 子 效 率表 觀 量 子 效 率 AQYdPn/dPFD（飽和光強）（飽和光強） 光補償點光補償點呼吸速率呼吸速率通過通過Pn-Ci/Ca響應曲線可得出重要參數(shù)響應曲線可得出重要參數(shù)CO2補償點（補償點（CCP）飽和飽和CO2濃度（濃度（SC）羧化效率羧化效率 (CE=dPn /dCi)RuBP最大再生速率最大再生速率(Jmax)氣孔限制值氣孔限制值(Ls) CO2補償點是區(qū)分補償點是區(qū)分C3和和

11、C4植物的重要參數(shù)植物的重要參數(shù) CE反映反映RuBP羧化酶的有效活性。羧化酶的有效活性。PnCi/Ca 響應曲線響應曲線A為為CO2(Ci)補償點；補償點；B為實際大氣為實際大氣CO2濃度的濃度的光合速率；光合速率；C為細胞間隙濃度等于大為細胞間隙濃度等于大氣氣CO2濃度時的濃度時的 光合速光合速率；率；D為為CO2 濃度飽和時的光濃度飽和時的光合速率合速率Jmax，相當與，相當與RUBP最大再生速率；最大再生速率；CE為響應曲線初始斜率為響應曲線初始斜率表示羧化效率；表示羧化效率；CE=dPn /dCiJmaxTemperature (oC)15202530354045Pn (mol.m-

12、2.s-1)24681012GorgiagemReveille SunriseJersey 四種藍莓葉片的光合四種藍莓葉片的光合- -溫度響應曲線溫度響應曲線Pn-LTPn-LT響應曲線響應曲線通過溫度響應曲線得出以下重要參數(shù)通過溫度響應曲線得出以下重要參數(shù)高溫補償點高溫補償點低溫補償點低溫補償點光合最適溫度光合最適溫度 以上參數(shù)是反應植物生態(tài)適應的重要參數(shù)。以上參數(shù)是反應植物生態(tài)適應的重要參數(shù)。0510152020304050 VPD(mbar)Pn(molm-2s-1)1245不同葉位葉片光合作用對水氣壓虧缺不同葉位葉片光合作用對水氣壓虧缺VPD的響應的響應PnRH響應曲線響應曲線光合作用

13、的日變化Pn010203040681012141618Time of the day (hour)Pn(mol.m-2.s-1)CK1D1W 1Pn-50510152025681012141618Time of the day (hoour)Pn(mol.m-2.s-1)CK2D2W2Pn-4-2024681012681012141618Time of the day(hour)Pn(mol.m-2.s-1)CK3D3W3長期干旱長期干旱(D)、淹澇、淹澇(W)及正常澆水及正常澆水(CK)大豆倒數(shù)第大豆倒數(shù)第1、4、7位葉片光合日變化位葉片光合日變化1st node4th node7th no

14、deGs02004006000100200300400Gs (mmol.m-2.s-1)oldyoungPn061218240100200300400Tim （min）Pn (mol.m-2.s-1)oldyoung大豆功能葉和老葉大豆功能葉和老葉PnPn、GsGs、對強光的響應、對強光的響應光合作用啟動過程的研究光合作用啟動過程的研究園藝植物光合研究測定技術(shù)實用技巧園藝植物光合研究測定技術(shù)實用技巧 1.試材選擇具有代表性、一致性（可用光合儀預選） 2.時間選擇（光合參數(shù)測定在上午9時-11時最好） 3.測試項目的選擇（根據(jù)想要說明問題設計測試指標，不必全部平行） 4.立意的選擇（如植物分根實

15、驗） 5.做圖技巧分析分析: :如何巧妙設計實驗證實氣孔關(guān)閉如何巧妙設計實驗證實氣孔關(guān)閉是由干旱引起十分重要是由干旱引起十分重要光合作用的氣孔限制與非氣孔限制光合作用的氣孔限制與非氣孔限制 限制因子定律限制因子定律: :如果一個過程的速度受多種因子的制約如果一個過程的速度受多種因子的制約 , , 則這些則這些因子中處于最低水平或最不能滿足過程要求的因子將成為限制因子中處于最低水平或最不能滿足過程要求的因子將成為限制整個過程速度的關(guān)鍵所在整個過程速度的關(guān)鍵所在, ,并被稱為限制因子。只有提高了并被稱為限制因子。只有提高了 限制限制因子的水平因子的水平, ,整個過程的速度整個過程的速度 才能進一步

16、增加。才能進一步增加。 在過去相當長的一段時間內(nèi)，人們夸大了氣孔阻力對光合在過去相當長的一段時間內(nèi)，人們夸大了氣孔阻力對光合的限制作用。因為人們觀察到在幾乎所有造成光合下降的場合，的限制作用。因為人們觀察到在幾乎所有造成光合下降的場合，都觀察到氣孔導度與光合一起下降。都觀察到氣孔導度與光合一起下降。不管氣孔導度和光合速率如何變化，不管氣孔導度和光合速率如何變化， CO2供不應求條件下，氣孔是限制因素供不應求條件下，氣孔是限制因素 CO2供過于求條件下，葉肉是限制因素供過于求條件下，葉肉是限制因素 (Ca-Ci) Pn= ( Rb+Rs+Rm) Rb 邊界層阻力邊界層阻力 Rm葉肉阻力葉肉阻力

17、Rs 氣孔阻力氣孔阻力相對相對Rs和和Rm來說來說Rb可以忽略不計因而光可以忽略不計因而光合速率可以表示為合速率可以表示為: (Ca-Ci) Pn = (Rs+Rm)不同葉位大豆葉片光合速率對氣孔導度的響應不同葉位大豆葉片光合速率對氣孔導度的響應 光合速率并不是隨氣孔導度的增加而無限增加的光合速率并不是隨氣孔導度的增加而無限增加的1. 1. 制作制作PnPnCiCi 響應曲線響應曲線A A 為實際大氣為實際大氣COCO2 2濃度的光合濃度的光合速率；速率；AoAo為氣孔阻力為零時，即細胞為氣孔阻力為零時，即細胞間隙濃度等于大氣間隙濃度等于大氣COCO2 2濃度濃度時的時的 光合速率；光合速率；

18、 氣孔限制值氣孔限制值LsLs為為Ls=(A0-A)/ALs= (Ca-Ci)/Ca Jmax雖然后一種計算方法非常簡單，但是只有在雖然后一種計算方法非常簡單，但是只有在A0和和A都在光合響應都在光合響應曲線的直線部分才可使用。曲線的直線部分才可使用。 FarquharFarquhar和和SharkeySharkey氣孔限制的判據(jù)氣孔限制的判據(jù) 只有當只有當LsLs和和CiCi都下降時，光合作用的下降才是由氣孔限制都下降時，光合作用的下降才是由氣孔限制造成的，否則光合的下降是由葉肉因素造成的。造成的，否則光合的下降是由葉肉因素造成的。 大量的研究表明，在輕度逆境脅迫下，光合的下降是多大量的研究

19、表明，在輕度逆境脅迫下，光合的下降是多數(shù)是由氣孔限制造成的；而在嚴重的逆境脅迫下，雖然氣孔數(shù)是由氣孔限制造成的；而在嚴重的逆境脅迫下，雖然氣孔導度大幅度下降，但是導度大幅度下降，但是CiCi卻顯著升高，卻顯著升高，LsLs下降，說明此時光下降，說明此時光合的下降多數(shù)是由葉肉限制造成的。合的下降多數(shù)是由葉肉限制造成的。 氣孔不均勻關(guān)閉時，會夸大氣孔不均勻關(guān)閉時，會夸大CiCi值的計算，使該判據(jù)失去作用。值的計算，使該判據(jù)失去作用。如何解決？如何解決？ 無論什么情況下，只要提高無論什么情況下，只要提高COCO2 2濃度能夠顯著地增加光合速濃度能夠顯著地增加光合速率，就說明光合的下降是氣孔限制造成的

20、，反之亦然。率，就說明光合的下降是氣孔限制造成的，反之亦然。 比較大氣條件下的光合速率和高比較大氣條件下的光合速率和高COCO2 2濃度下的光合速率。濃度下的光合速率。光合作用的羧化限制與光合作用的羧化限制與RuBpRuBp再生限制再生限制 Pn-CO2響應曲線的初始階段受響應曲線的初始階段受RuBp羧化效率的限制。羧化效率的限制。dA/dCi(CE)反應了反應了Rubisco的活性或活化的的活性或活化的Rubisco量。量。 第二階段受第二階段受RuBp再生限制受同化力再生限制受同化力ATP, NADPH制約制約Jmax被看成被看成RuBp最大再生速率，因為它與光合電子傳遞相偶最大再生速率，

21、因為它與光合電子傳遞相偶聯(lián)又被當成電子最大傳遞速率。聯(lián)又被當成電子最大傳遞速率。光合作用的光化學限制光合作用的光化學限制 光反應限制有兩種情況，一種是光照不足；光反應限制有兩種情況，一種是光照不足； 另一種是光照充足，但光化學反應效率下降。另一種是光照充足，但光化學反應效率下降。 光合作用的表觀量子效率，反映了光能轉(zhuǎn)換效率光合作用的表觀量子效率，反映了光能轉(zhuǎn)換效率光合作用的光抑制與光破壞防御機制光合作用的光抑制與光破壞防御機制光抑制光抑制概念:強光造成光合功能下降的過程稱為光抑制強光造成光合功能下降的過程稱為光抑制特征：光合效率下降；特征：光合效率下降；Fv/Fm Fv/Fm 及及AQY AQ

22、Y 下降下降 過去人們把光抑制與光破壞等同起來，認為發(fā)生了光抑過去人們把光抑制與光破壞等同起來，認為發(fā)生了光抑制就意味著光合機構(gòu)遭到破壞。甚至把制就意味著光合機構(gòu)遭到破壞。甚至把光抑制光抑制 、光破壞、光破壞、光漂白、光氧化光漂白、光氧化等概念通用。等概念通用。光抑制的基本特征光抑制的基本特征AQY及及Fv/Fm下降下降.說明葉片吸收的光能不能有效地轉(zhuǎn)化為化學能。說明葉片吸收的光能不能有效地轉(zhuǎn)化為化學能。光抑制的機理光抑制的機理 光合機構(gòu)的破壞：光合機構(gòu)的破壞：PSII是光抑制損傷的主要場所，破壞也可能是光抑制損傷的主要場所，破壞也可能發(fā)生在反應中心也可能發(fā)生在與次級電子受體結(jié)合的蛋白上。發(fā)生

23、在反應中心也可能發(fā)生在與次級電子受體結(jié)合的蛋白上。發(fā)生光破壞后的結(jié)果：發(fā)生光破壞后的結(jié)果：電子傳遞受阻，光合效率下降。電子傳遞受阻，光合效率下降。產(chǎn)生光破壞的原因：產(chǎn)生光破壞的原因：過剩光能產(chǎn)生的高能電子無法利用，產(chǎn)生過剩光能產(chǎn)生的高能電子無法利用，產(chǎn)生如如 chl*, 單線態(tài)氧、超氧陰離子等氧化性很強的分子破壞光合機單線態(tài)氧、超氧陰離子等氧化性很強的分子破壞光合機構(gòu)。構(gòu)。 當過剩的光能不能及時有效地排散時，對光合機構(gòu)當過剩的光能不能及時有效地排散時，對光合機構(gòu)造成不可逆的傷害，如對光合色素造成光漂白、光合造成不可逆的傷害，如對光合色素造成光漂白、光合作用中心作用中心D1蛋白的降解及光合機構(gòu)的

24、光氧化等。蛋白的降解及光合機構(gòu)的光氧化等。 一切影響一切影響CO2同化的外接界因素如低溫、高溫、水同化的外接界因素如低溫、高溫、水分虧缺、礦質(zhì)元素虧缺等都會減少對光能的利用，、分虧缺、礦質(zhì)元素虧缺等都會減少對光能的利用，、導致過剩光能增加，進而加重光破壞。導致過剩光能增加，進而加重光破壞。激發(fā)能激發(fā)能光化學反應光化學反應形成同化力形成同化力熱耗散熱耗散熒光熒光 光破壞防御機制光破壞防御機制CO2固定光呼吸Mehler 反應N代謝 熒光是研究光能分配的探針熒光是研究光能分配的探針（1）減少對光能的吸收）減少對光能的吸收 增加葉片的絨毛、蠟質(zhì)增加葉片的絨毛、蠟質(zhì) 減少葉片與主莖的夾角減少葉片與主莖

25、的夾角（2）增強代謝能力）增強代謝能力 碳同化碳同化 光呼吸與活性氧清除系統(tǒng)光呼吸與活性氧清除系統(tǒng) 氮代謝氮代謝 MehlerMehler反應與活性氧清除系統(tǒng)反應與活性氧清除系統(tǒng)（3）增加熱耗散增加熱耗散 依賴葉黃素循環(huán)的熱耗散依賴葉黃素循環(huán)的熱耗散 作用中心可逆失活作用中心可逆失活 狀態(tài)轉(zhuǎn)換狀態(tài)轉(zhuǎn)換 三條途徑相互競爭三條途徑相互競爭F F0 0作用中心完全開放時的熒光作用中心完全開放時的熒光FmFm作用中心完全關(guān)閉時的熒光作用中心完全關(guān)閉時的熒光完全關(guān)閉時熒光又與耗散的多少有關(guān)，由于耗散完全關(guān)閉時熒光又與耗散的多少有關(guān)，由于耗散FmFm下降為下降為FmFm，=NPQ=NPQFv=Fm-FFv

26、=Fm-F0 0 因為光化學反應而降低的熒光因為光化學反應而降低的熒光最大光化學效率最大光化學效率=Fv/Fm=Fv/Fm 熱耗散過程雖然能耗散過剩光能熱耗散過程雖然能耗散過剩光能, ,保護植保護植物不被強光破壞物不被強光破壞, ,但卻不可避免地降低了光化但卻不可避免地降低了光化學效率學效率, ,按傳統(tǒng)的觀點凡是導致光化學效率降按傳統(tǒng)的觀點凡是導致光化學效率降低的過程都稱為光抑制低的過程都稱為光抑制。 由此可見由此可見, ,光破壞的防御機制也是光抑制光破壞的防御機制也是光抑制的一種形式的一種形式, ,實際上在自然條件下實際上在自然條件下, ,大多數(shù)的光大多數(shù)的光抑制都是由光破壞防御機制造成的抑

27、制都是由光破壞防御機制造成的。問題的提出問題的提出1 . 1 . 植物在發(fā)育過程中光合能力不斷發(fā)生變化，這種變化是植物在發(fā)育過程中光合能力不斷發(fā)生變化，這種變化是由光能吸收轉(zhuǎn)化效率造成的還是由碳同化能力改變造成的？由光能吸收轉(zhuǎn)化效率造成的還是由碳同化能力改變造成的？2. 2. 植物葉片衰老過程中，光合作用光反應過程和碳同化能力植物葉片衰老過程中，光合作用光反應過程和碳同化能力都降衰退。哪個過程是限制因素？都降衰退。哪個過程是限制因素？3 . 3 . 如果碳同化能力下降快，必定導致過剩光能增多，光抑如果碳同化能力下降快，必定導致過剩光能增多，光抑制和光破壞的危險增大；如果衰老過程是由葉綠素降解造

28、成制和光破壞的危險增大；如果衰老過程是由葉綠素降解造成的，的， 就會使光合機構(gòu)捕獲的光能也減少，造成過剩光能的就會使光合機構(gòu)捕獲的光能也減少，造成過剩光能的可能性降低，此時還能否光抑制和光破壞？可能性降低，此時還能否光抑制和光破壞？光呼吸的生化歷程光呼吸的生化歷程 CH2O(P)COCHOHCHOHCH2O(P)CO2H2OMg2+Mg2+O2COOHCHOHCH2O(P)COOHCH2O(P)CH2O(P)CHOHCOOH光合碳循環(huán)COOHCH2OHH2OPi磷酸酯酶途徑C3（）光呼吸 C2途徑（）羧化酶加氧酶RuBPRuBP光呼吸的原因：光呼吸的原因： Rubisco的加氧活性的加氧活性光

29、呼吸是否僅僅是一個浪費過程？光呼吸是否僅僅是一個浪費過程？抑制光呼吸是否會提高光合速率？抑制光呼吸是否會提高光合速率？高高CO2會抑制會抑制Rubisco的加氧活性，那么的加氧活性，那么 在高在高CO2濃度下光呼吸是否會降低？濃度下光呼吸是否會降低？ 光強對光呼吸是如何影響的？光強對光呼吸是如何影響的？ Pn010203040681012141618Pn(mol.m-2.s-1)Pr05101520681012141618日時間Pr (mol.m-2.s-1)不同生育期大豆葉片光合不同生育期大豆葉片光合Pn、光呼吸、光呼吸Pr日變化日變化 三、三、葉綠素熒光分析技術(shù)在園藝植物生葉綠素熒光分析技

30、術(shù)在園藝植物生理生態(tài)研究中的應用理生態(tài)研究中的應用 Kautsky and HirshKautsky and Hirsh（19311931）發(fā)現(xiàn)，將）發(fā)現(xiàn)，將暗適應的綠色植物突然暴露在可見光下后，暗適應的綠色植物突然暴露在可見光下后，植物綠色組織發(fā)出一種暗紅色，強度不斷變植物綠色組織發(fā)出一種暗紅色，強度不斷變化的熒光（化的熒光（KautskyKautsky效應）。效應）。 熒光隨時間變化的曲線稱為葉綠素熒光熒光隨時間變化的曲線稱為葉綠素熒光誘導動力學曲線。誘導動力學曲線。葉綠素熒光現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)葉綠素熒光現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)激發(fā)能激發(fā)能光化學反應光化學反應形成同化力形成同化力熱耗散熱耗散熒光熒光 熒光是研究

31、光能分配的探針熒光是研究光能分配的探針CO2固定光呼吸Mehler 反應N代謝 通過調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)PSII反應中心的開放的程度干涉熒光的發(fā)射，根反應中心的開放的程度干涉熒光的發(fā)射，根據(jù)不同情況下熒光的變化來分析光合機構(gòu)運行情況。據(jù)不同情況下熒光的變化來分析光合機構(gòu)運行情況。 如何測定葉綠素熒光？如何測定葉綠素熒光？ 現(xiàn)有兩類熒光儀可以用來測定葉綠素熒光?，F(xiàn)有兩類熒光儀可以用來測定葉綠素熒光。 必須將測定葉片必須將測定葉片在避光下測定，在照光條件下，儀器無法區(qū)分葉在避光下測定，在照光條件下，儀器無法區(qū)分葉綠素熒光和自然光中與熒光波長相同的紅光和遠綠素熒光和自然光中與熒光波長相同的紅光和遠紅光。紅光

32、。 但是這類熒光儀有很高的分辨率，每秒鐘能夠測但是這類熒光儀有很高的分辨率，每秒鐘能夠測定定1010萬次熒光變化，因此是研究光合機構(gòu)中電子萬次熒光變化，因此是研究光合機構(gòu)中電子傳遞瞬間變化的有力工具。傳遞瞬間變化的有力工具。 2.2.脈沖調(diào)制式熒光儀（如脈沖調(diào)制式熒光儀（如FMS-2)FMS-2)，可以避免上述問題。可以避免上述問題。在測定時，儀器提供一種脈沖調(diào)制式光，能誘導出的脈在測定時，儀器提供一種脈沖調(diào)制式光，能誘導出的脈沖式的熒光。沖式的熒光。當有其它光線同時存在時，會產(chǎn)生以下三當有其它光線同時存在時，會產(chǎn)生以下三種光信號種光信號（1）自然光中具有熒光波長的紅光信號自然光中具有熒光波長

33、的紅光信號（2）自然光誘導的非脈沖熒光信號）自然光誘導的非脈沖熒光信號（3）脈沖調(diào)制光誘導的脈沖熒光信號）脈沖調(diào)制光誘導的脈沖熒光信號儀器排除前兩種信號，監(jiān)測脈沖熒光信號的變化儀器排除前兩種信號，監(jiān)測脈沖熒光信號的變化Fv/Fm =(Fm-Fo)/Fm ； qP=(Fm-Ft )/(Fm-Fo) ； PSII =(Fm-Ft )/Fm ；NPQ =(Fm-Fm)/Fm ；qNP= (Fm-Fm)/(Fm-Fo)t(Fs)主要熒光參數(shù)及其意義主要熒光參數(shù)及其意義Fo： 初始熒光產(chǎn)量（初始熒光產(chǎn)量（Original fluorescence yield ）也）也 稱基礎熒光，是稱基礎熒光，是PS反

34、應中心（經(jīng)過充分暗適應以反應中心（經(jīng)過充分暗適應以后）處于完全開放狀態(tài)時的初始熒光產(chǎn)量。后）處于完全開放狀態(tài)時的初始熒光產(chǎn)量。 此時光化學猝滅系數(shù)qPqP1 1，非光化學猝滅系數(shù)qNPqNP0 0。一般認為，這部分熒光是在天線中的激發(fā)能尚未被反應中心捕獲之前，由天線葉綠素發(fā)射出的。當存在天線熱耗散時，F(xiàn)oFo會降低；當反應中心失活或遭到破壞時，F(xiàn)oFo會提高。已知過高的溫度往往使PSIIPSII放氧復合體脫離，反應中心失活。此時FoFo會明顯提高。因此，可以用FoFo隨溫度的變化動態(tài)來反映高溫對光合器的危害，并用來評價植物的抗熱性。主要熒光參數(shù)及其意義主要熒光參數(shù)及其意義Fm：最大熒光產(chǎn)量（：

35、最大熒光產(chǎn)量（Maximal fluoreseence yield ），）， 是是PS反應中心完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量。通常葉片反應中心完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量。通常葉片經(jīng)暗適應經(jīng)暗適應20min后測得。后測得。Fv=Fm-Fo：可變熒光，反映：可變熒光，反映PS的電子傳遞最大潛的電子傳遞最大潛力。經(jīng)暗適應后測得。力。經(jīng)暗適應后測得。Fv/Fm：暗適應下暗適應下PS反應中心完全開放時的最大反應中心完全開放時的最大 光化學效率，反映光化學效率，反映PS反應中心最大光能反應中心最大光能 轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換效率。 在 非 脅 迫 條 件 下 ，在 非 脅 迫 條 件 下 ， F v / F m 的 值 很 穩(wěn)

36、定 ， 據(jù)的 值 很 穩(wěn) 定 ， 據(jù)Bjorkmanand Demmig對大量植物的測定，其平均值為對大量植物的測定，其平均值為0.832+0.004，但在逆境條件下，但在逆境條件下，F(xiàn)v/Fm顯著降低。正因為顯著降低。正因為如此，所以如此，所以Fv/Fm的降低常作為發(fā)生光抑制或的降低常作為發(fā)生光抑制或PSII遭受其遭受其他傷害的指標。他傷害的指標。 在一些研究論文中，在一些研究論文中，CO2同化的表觀量子效率的降低同化的表觀量子效率的降低也常常作為光抑制的指標，但其意義是不同的也常常作為光抑制的指標，但其意義是不同的Fv/Fo：代表：代表PS潛在光化學活性，與有活性的反潛在光化學活性，與有活

37、性的反 應中應中 心的數(shù)量成正比關(guān)系。心的數(shù)量成正比關(guān)系。Fo： 光適應下初始熒光。光適應下初始熒光。Fm： 光適應下最大熒光。光適應下最大熒光。Fv=Fm-Fo：光適應下可變熒光。：光適應下可變熒光。Fv/Fm：光適應下：光適應下PS最大光化學效率，它反映有最大光化學效率，它反映有 熱耗散存在時熱耗散存在時PS反應中心完全開放時的反應中心完全開放時的 光化學光化學 效率，也稱為最大天線轉(zhuǎn)換效率。效率，也稱為最大天線轉(zhuǎn)換效率。 Ft(或或Fs ): 穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量 steady-state fluorescence yield。PS=(Fm-Fs)/Fm ： PS實際光化學效率，它反

38、實際光化學效率，它反 映在照光下映在照光下PS反應中心部分關(guān)閉的情況下的反應中心部分關(guān)閉的情況下的 實際光化學效率。實際光化學效率。qP =(Fm -Fs)/(Fm-Fo) ： photochemical quenching 光化學猝滅系數(shù)，它反映了光化學猝滅系數(shù)，它反映了PS反應中心的開反應中心的開 放程度。指放程度。指PSII天線色素吸收的光能用于光化天線色素吸收的光能用于光化學反應電子傳遞的份額學反應電子傳遞的份額 1- qP 用來表示用來表示PS反應中心的關(guān)閉程度。反應中心的關(guān)閉程度。qNP =(Fm-Fm)/(Fm-Fo) ：非光化學猝滅系數(shù)：非光化學猝滅系數(shù)NPQ = (Fm-Fm

39、)/Fm Fm/Fm-1 ：非光化學猝滅：非光化學猝滅 non-photochemical quenchingETR = PS absorbed PFD 0.5 ：PSII電子電子 傳遞傳遞 速率速率 熒光參數(shù)是研究植物光化學效率、熒光參數(shù)是研究植物光化學效率、 光抑制光抑制與光破壞防御的有效的工具與光破壞防御的有效的工具 該技術(shù)被廣泛的使用在植物生態(tài)、植物抗逆性、該技術(shù)被廣泛的使用在植物生態(tài)、植物抗逆性、篩選高光效或抗逆品種、轉(zhuǎn)基因植物的功能分析、篩選高光效或抗逆品種、轉(zhuǎn)基因植物的功能分析、光抑制和光破壞的防御機制等方面的研究。光抑制和光破壞的防御機制等方面的研究。激發(fā)態(tài)葉綠素的4種去激發(fā)途

40、徑 葉綠素熒光分析應用實例葉綠素熒光分析應用實例qP.5.6.7.8.9Fv/Fm.4.5.6.7.8NaCl (mmol/L)050100150200250PSII.2.3.4.5(A)(B)(C)NaCl脅迫對雜交酸模葉片光脅迫對雜交酸模葉片光化學猝滅系數(shù)（化學猝滅系數(shù)（qP）、）、PSII反反應中心光能捕獲效率應中心光能捕獲效率（Fv/Fm）、和）、和PSII量子效量子效率率(PSII)的影響的影響 A A：光化學猝滅系數(shù)（：光化學猝滅系數(shù)（qP）B B：光能捕獲效率（：光能捕獲效率（Fv/Fm）C C：PSII量子效率量子效率(PSII)2730333639424548Fv/Fm.2.

41、3.4.5.6.7.8PSII.1.2.3.4.5.6.7qP.4.5.6.7.8.9Temperature (oC)2730333639424548NPQ0.0.51.01.52.02.53.03.54.0(A)(B)(C)(D)對照葉片和鹽脅迫葉片光化學猝滅系數(shù)（對照葉片和鹽脅迫葉片光化學猝滅系數(shù)（qP）、）、PSII光能捕獲光能捕獲效率（效率（Fv/Fm）、）、PSII量子效率量子效率(PSII，)、非光化學猝滅、非光化學猝滅(NPQ，D)對溫度的響應。對溫度的響應。示示NaClNaCl出來增加葉片的抗高溫能力出來增加葉片的抗高溫能力 ，對照；，對照； ，200 mmol/L NaCl

42、00.20.40.60.82 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Time (min)PSIICK - Mn0501001502002 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Time (min)ETRCK - Mn強光下對照與缺錳強光下對照與缺錳葉片葉片PSII實際光化實際光化學效率（學效率（PSII）和電子傳遞速率和電子傳遞速率（ETR）和光化學和光化學猝滅猝滅qP的變化。的變化。00.20.40.60.811.20306090120150180Time(min)qP CK - Mn00.20.40.60.81PS

43、ll0.20.40.60.8105101520PEG (%)Fv/Fm14790.0020.0040.0060.008NPQ0200400600800100005101520PEG (%)P rate (mol.m-2.s-1)1479經(jīng)經(jīng)1200molm1200molm-2-2ss-1-1強光及不同濃度強光及不同濃度PEGPEG處理處理4 4小時后，小時后，不同節(jié)位大豆離體葉片不同節(jié)位大豆離體葉片F(xiàn)v/FmFv/Fm、PSIIPSII、P Praterate、及、及NPQNPQ的變化的變化High density0.70.750.80.850.90.952030405060708090100

44、110Days after sowingFv/FmH3H5H7H9H11田間大豆不同節(jié)位葉片在生長發(fā)育田間大豆不同節(jié)位葉片在生長發(fā)育過程最大光化學效率（過程最大光化學效率（Fv/Fm）的變化）的變化葉綠素熒光用于能量分配的研究葉綠素熒光用于能量分配的研究PSll00.20.40.60.8168101214161820Time of the day (hour)PSllCK 1CK 2CK 3PSll68101214161820Time of the day (hour)D 1D 2D 3PSll68101214161820Time of the day (hour)W 1W 2W 3NPQ00

45、.0030.0060.0090.0120.015NPQ (1/Fm)NPQNPQ長期干旱及淹澇脅迫大豆葉綠素熒光參數(shù)的日變化的比較長期干旱及淹澇脅迫大豆葉綠素熒光參數(shù)的日變化的比較02004006000100200300400500600700800Bits葉片由黑暗轉(zhuǎn)入強光后葉綠素熒光的猝滅過程葉片由黑暗轉(zhuǎn)入強光后葉綠素熒光的猝滅過程 葉綠素熒光用來研究光合機構(gòu)在光下葉綠素熒光用來研究光合機構(gòu)在光下的啟動過程的啟動過程 qP.1.2.3.4.5.6.7.80246810121416NPQ0123Time(min)0246810121416Fv/Fm.3.4.5.6.7.8PSII0.0.1.

46、2.3.4.5(A)(B)(C)(D) ，對照；，對照； ，200 mmol/L NaCl 經(jīng)熱脅迫（經(jīng)熱脅迫（44 ）處理后對照和鹽脅迫（）處理后對照和鹽脅迫（200 mmol/L）雜）雜交酸模葉片光合作用的啟動過程。交酸模葉片光合作用的啟動過程。示鹽脅迫后增強了葉片對高溫的抗性。示鹽脅迫后增強了葉片對高溫的抗性。圖6 200.20.40.60.811.2110100100010000 100000 1E+06time(s )VtckETHIJP葉綠素熒光誘導動力學曲線Time (s)0100200300Fluorescence intensity010002000300040005000T

47、ime (s)10-610-510-410-310-210-1100101102103Fluorescence intensity010002000300040005000ABOOPPTT 從從O O點到點到P P點的熒光上升過程稱為點的熒光上升過程稱為快速葉綠素快速葉綠素熒光誘導動力學曲線熒光誘導動力學曲線，主要反映了，主要反映了PSPS的原初光的原初光化學反應及光合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)等的變化?；瘜W反應及光合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)等的變化。 從從P P點到點到T T點的下降階段主要反映了光合碳代點的下降階段主要反映了光合碳代謝的變化，隨著光合碳代謝速率的上升，熒光強謝的變化，隨著光合碳代謝速率的上升

48、，熒光強度（度（T T）逐漸下降。）逐漸下降。 葉綠素熒光誘導動力學曲線的意義調(diào)制式熒光熒光儀：調(diào)制式熒光熒光儀：FMS-1FMS-1、FMS-2FMS-2、PAMPAM等（主等（主要用來研究葉綠素熒光誘導動力學曲線的下降要用來研究葉綠素熒光誘導動力學曲線的下降階段，即光合作用的暗反應）階段，即光合作用的暗反應）連續(xù)激發(fā)式熒光儀：連續(xù)激發(fā)式熒光儀：PEAPEA、HandyHandyPEAPEA、PEA PEA SeniorSenior（主要用來研究快速葉綠素熒光誘導動（主要用來研究快速葉綠素熒光誘導動力學，即光合作用的光反應）力學，即光合作用的光反應）研究葉綠素熒光誘導動力學曲線的主要手段研究

49、葉綠素熒光誘導動力學曲線的主要手段Handy PEAPEA Senior典型的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線典型的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（O-J-I-PO-J-I-P熒光誘導曲線）熒光誘導曲線）Tim e (s)1e+01e+11e+21e+31e+41e+51e+61e+7Fluorescence intensity010002000300040005000OJIP光合機構(gòu)中原初光化學反應的簡單模型光合機構(gòu)中原初光化學反應的簡單模型O-J-I-PO-J-I-P熒光誘導曲線的意義熒光誘導曲線的意義O O：PSPS的電子受體（的電子受體（Q QA A、Q QB B、PQPQ等）處于最大等）處

50、于最大程度氧化態(tài)時的熒光，最小熒光。程度氧化態(tài)時的熒光，最小熒光。O O點時電子受點時電子受體主要狀態(tài)：體主要狀態(tài)：Q QA AQ QB BPQPQ。O O相的熒光強弱與反應中相的熒光強弱與反應中心色素含量的多少及組成有關(guān)。心色素含量的多少及組成有關(guān)。J J：PSPS的電子受體的電子受體Q QA A第一次處于瞬時最大程度第一次處于瞬時最大程度還原態(tài)時的熒光。還原態(tài)時的熒光。J J點時電子受體主要狀態(tài)：點時電子受體主要狀態(tài)：Q QA AQ QB B- -，Q QA A- -Q QB B- -。I I：反應了反應了PQPQ庫的異質(zhì)性庫的異質(zhì)性, ,即快還原型即快還原型PQPQ庫和庫和慢還原型慢還原

51、型PQPQ庫的大小。庫的大小。I I點時電子受體主要點時電子受體主要狀態(tài)：狀態(tài)：Q QA A- -Q QB B2-2-。P P：PSPS的電子受體（的電子受體（Q QA A、Q QB B、PQPQ等）處于等）處于最大程度還原態(tài)時的熒光，最大熒光。最大程度還原態(tài)時的熒光，最大熒光。 P P點點時電子受體主要狀態(tài)：時電子受體主要狀態(tài)：Q QA A- -Q QB B2-2-，PQHPQH2 2。time (s)100101102103104105106107Chl a fluorescence intensity02004006008000min30min45min60minTime (s)1e+0

52、 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7Fluorescence intensity050010001500200025003000苔蘚脫水過程中苔蘚脫水過程中O-J-I-PO-J-I-P熒光誘導曲線的變化熒光誘導曲線的變化玉米缺鐵后玉米缺鐵后O-J-I-PO-J-I-P熒光誘導曲線的變化熒光誘導曲線的變化不同逆境下不同逆境下O-J-I-PO-J-I-P熒光誘導曲線的變化熒光誘導曲線的變化time (s)1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6 1e+7Fluorescence intensity05001000150020002500

53、3000time (s)100101102103104105106107Chl a fluorescence intensity01000200030004000煙草葉片高溫處理后煙草葉片高溫處理后O-J-O-J-I-PI-P熒光誘導曲線的變化熒光誘導曲線的變化大豆葉片衰老后大豆葉片衰老后O-J-I-PO-J-I-P熒熒光誘導曲線的變化光誘導曲線的變化New approach developped by Prof. Reto Strasser -Geneva University, Bioenergetics Lab.JIP-test application and theory of energy flux JIP-testJIP-test理論基礎：理論基礎：生物膜能量流動生物膜能量流動 高度簡化的生物膜能量流動模型圖高度簡化的生物膜能量流動模型圖比活性參數(shù)（比活性參數(shù)（QA處在可還原態(tài)時，單位處在可還原態(tài)時，單位PS反應中心的活性）反應中心的活性）ABS/RC= MO(1/ VJ)(1/Po)單位反應中心吸收的光能TRO/RC= MO(1/ VJ