葉綠素熒光動力學理論及其在逆境生理生態(tài)學研究中的應用

1、一葉綠素熒光動力學技術及其在植物逆境生理研究中的應用閆建美201311747 植物吸收的陽光（光量子）都被其用于光合作用了嗎？如果不是，又是如何利用的呢？ 葉綠素熒光是如何產(chǎn)生的呢？ 葉綠素熒光與光合作用有什么樣的聯(lián)系呢？ 葉綠素熒光技術是如何應用于植物逆境生理研究的呢？ 葉綠素熒光的研究歷史u1834年 Brewster首次發(fā)現(xiàn)并記錄了葉綠素的熒光現(xiàn)象和它的重吸收u1852年Stokes提出了Stokes移動定律 即物質(zhì)的熒光發(fā)射帶比它的吸收帶向長波方向移動并創(chuàng)造了fluorescence 英文新詞u1874年 Muller用一套合適的有色玻璃片組合裸眼發(fā)現(xiàn)了綠葉的葉綠素熒光u 1932年

2、Kautsky 使用光敏感設備和信號記錄儀后 使熒光和吸收間的關系得到了系統(tǒng)準確的研究葉綠素熒光誘導被稱為Kautsky 效應，并建立了熒光動力學u1986年 Schreiber發(fā)明了新型的快速檢測熒光誘導動力學的PAM 儀 器u.u隨著調(diào)制熒光技術的出現(xiàn)，葉綠素熒光的應用逐漸從傳統(tǒng)的植物生理學領域延伸到植物生態(tài)學、農(nóng)學、林學、水生生物學和環(huán)境科學等領域 葉綠素熒光形成原理u葉綠素分子吸收光能后，從基態(tài)(G)躍遷至對應的激發(fā)態(tài)（S1、S2、S3）u電子在高能級(S2、S3)并不穩(wěn)定在幾百飛秒(fs)內(nèi)通過振動弛豫向周圍環(huán)境輻射能量，跌回到低能級的第一激發(fā)態(tài)u熒光是在電子從S1態(tài)返回到基態(tài)的過程

3、中產(chǎn)生的u較低激發(fā)態(tài)的葉綠素分子可通過三種途徑釋放能量回到穩(wěn)定的基態(tài)：重新放出一個光子，回到基態(tài)，即產(chǎn)生熒光。不放出光子，直接以熱的形式耗散掉。將能量從葉綠素分子傳遞給電子受體進行光化學反應。u以上這三個過程相互競爭，具有最大速率的過程處于支配地位。對于許多色素分子來說，熒光發(fā)生在納秒級，而光化學反應發(fā)生在皮秒級，因此當光合生物處于正常的生理狀態(tài)時，葉綠素吸收的光能大部分是用來進行光化學反應的，熒光只占很小的一部分。 葉綠素熒光誘導動力學u指經(jīng)過暗適應的綠色植物材料當轉(zhuǎn)到光下時, 其體內(nèi)Chl 熒光強度會有規(guī)律的隨時間變化。產(chǎn)生的熒光信號絕大部分是來自LHCII中的Chl。u熒光誘導曲線(右圖

4、)劃分為：O(原點)I(偏轉(zhuǎn))D(小坑)或PL(臺階)P(最高峰)S(半穩(wěn)態(tài))M(次峰)T(終點)這幾個相(phase)。uOP相為熒光快速上升階段(12s)，從PT為熒光慢速下降(淬滅)階段(可持續(xù)幾分鐘)，在此階段，有時沒有M峰，有時出現(xiàn)幾個漸次降低的峰，因葉片的生理狀態(tài)不同而異。一般而言，遭受環(huán)境脅迫的葉片M峰消失。 葉綠素熒光誘導動力學曲線 葉綠素熒光淬滅u指熒光產(chǎn)量下降的現(xiàn)象。指熒光產(chǎn)量下降的現(xiàn)象。u光化學淬滅（光化學淬滅（PQ/qP）：經(jīng)過短暫的照光，達到）：經(jīng)過短暫的照光，達到P 峰后，峰后，PSI 開始運轉(zhuǎn)，開始運轉(zhuǎn)，而將而將PSII還原側(cè)還原態(tài)的電子受體還原側(cè)還原態(tài)的電子受體

5、QA-QB-PQH2等氧化從而引起熒光強等氧化從而引起熒光強度的淬滅。與光合電子傳遞和放氧有關。以度的淬滅。與光合電子傳遞和放氧有關。以qP=(Fm-Fs)/(Fm-F0)表表示，反映示，反映PSII天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額。天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額。qP愈大，愈大，PSII的電子傳遞活性越大。的電子傳遞活性越大。u非光化學淬滅非光化學淬滅(NPQ/qN)：反映：反映PSII天線色素吸收的光能不能用于光合天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分。表示：電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分。表示：NPQ=Fm/Fm-1或或qN=1-(

6、Fm-Fs)/(Fm-F0)=1-Fv/Fv。有。有3個來源：個來源： 1. qE：隨著光化學淬滅的增加，在光合膜的兩側(cè)逐漸建立起質(zhì)子梯度：隨著光化學淬滅的增加，在光合膜的兩側(cè)逐漸建立起質(zhì)子梯度和形成膜高能態(tài)，造成的熒光淬滅。和形成膜高能態(tài)，造成的熒光淬滅。 2. qT：狀態(tài)間的轉(zhuǎn)化導致分配給：狀態(tài)間的轉(zhuǎn)化導致分配給PSII的激發(fā)能的比例降低的激發(fā)能的比例降低 3. qI：與光合作用的光抑制有關的淬滅：與光合作用的光抑制有關的淬滅 調(diào)制式葉綠素熒光動力學 ML ML +AL -AL+FR1待測樣品暗適應，打開弱調(diào)制光，測得最小熒光值Fo2打開飽和脈沖，測得最大熒光值Fm3熒光淬滅導致熒光下降達

7、到穩(wěn)態(tài)時的值稱為穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)4打開活化光源，引起熒光強度的光化學淬滅(qN)5每隔一個間隔，重復一次飽和閃光照射，測量光照下的最大熒光Fm6閃光后，關掉活化光，同時給一個瞬時的遠紅外光線照射，可以測量Fo常用葉綠素熒光參數(shù)u Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm：PS的最大量子產(chǎn)量，反應了植物的潛在最大光合能力（光合效率）。葉片暗適應1530min 后測得。高等植物一般在0.8-0.84之間。u Fv/Fo:常用于度量PS的潛在活性.u Fv/Fm：PS有效光化學量子產(chǎn)量,反映開放的PS反應中心原初光能捕獲效率，葉片不經(jīng)過暗適應在光下直接測得。u Yield(Y):(Fm-F)/Fm或F/Fm,PS實際光化學量子產(chǎn)量,反映PS反應中心在有部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率，葉片不經(jīng)過暗適應在光下直接測得。u ETR:表觀光合電子傳遞速率,以(Fm-F)/FmxPFD表示,也可寫成:F/FmxPFDx0.5x0.84,其中系數(shù)0.5是因為一個電子傳遞需要吸收2個量子，0.84表示在入射的光量子中被吸收的占84%,PFD是光子通量密度葉綠素熒光動力學在植物逆境研究中的應用u逆境脅迫直接引發(fā)光合機構(gòu)的損傷，也影響光合電子傳遞及與暗反應有關的酶活性。u利用葉綠素熒光動力學方法可以快速、靈敏、無損傷探測逆境對植物光合作用的影響。u逆境脅迫的輕重與Fv/Fo、