漢莎快訊（五）：葉綠素熒光動力學曲線和快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的異同
漢莎快訊（五）
葉綠素熒光動力學曲線和快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的異同
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早在1931年Kautsky和Hirsh就認識到光合原初反應(yīng)和葉綠素熒光之間有著密切的關(guān)系。他們第一次報告了經(jīng)過暗適應(yīng)的光合材料照光后，葉綠素熒光先迅速上升到一個最大值，然后逐漸下降，最后達到一個穩(wěn)定值。此后，隨著研究的深入，人們逐步認識到熒光誘導動力學曲線中蘊藏著豐富的信息。
葉綠素熒光動力學曲線
圖1 用脈沖調(diào)制式熒光儀測定熒光參數(shù)的葉綠素熒光動力學曲線
（注：引自許大全著《光合作用效率》2002）
典型的葉綠素熒光動力學曲線是圖1作用光后邊到第二次飽和脈沖光之前的曲線部分，圖1 的整條曲線是為了計算所有熒光參數(shù)，通過在不同時間開啟飽和脈沖光來關(guān)閉反應(yīng)中心獲得特殊的熒光參數(shù)。從葉綠素熒光動力學曲線我們主要來獲得原初光化學反應(yīng)，以及光合啟動后實際光化學效率、光能的吸收利用等。
脈沖調(diào)制式熒光儀，無論商家吹噓可以測定多少熒光參數(shù)，而實際上最重要的就是圖1中測定的5個基本參數(shù)，其他一切參數(shù)都是根據(jù)這五個基本參數(shù)計算出來的。充分暗適應(yīng)的葉片，在很弱的檢測光下，測定得到最小熒光Fo，這時所有反應(yīng)中心處于開放狀態(tài)；接著開啟飽和脈沖光（0.7s）測得最大熒光Fm，此時所有反應(yīng)中心處于關(guān)閉狀態(tài)；等待幾秒鐘，開啟作用光，此時熒光上升，然后隨著光合作用的啟動，熒光逐漸達到一個穩(wěn)態(tài)，熒光達到穩(wěn)態(tài)后測定的穩(wěn)態(tài)熒光Fs；熒光達到穩(wěn)態(tài)后開啟飽和脈沖光測得光下最大熒光Fm’；接著作用光關(guān)閉，同時開啟遠紅光測得熒光參數(shù)Fo’。用這五個基本參數(shù)計算我們在文獻上見到的脈沖調(diào)制式熒光儀測定的參數(shù)，計算公式如下：
暗適應(yīng)下PSⅡ的最大量子產(chǎn)額[FV/FM=(FM-FO)/FM]；
光適應(yīng)下PSⅡ的最大量子產(chǎn)額[FV’/FM’= (FM’-FO’)/FM’]；
光適應(yīng)下的PSⅡ反應(yīng)中心開放的比例[qP=(FM’-FS)/( FM’-FO’)]；
光適應(yīng)下PSⅡ的實際光化學效率[ΦPSII=(FM’-FS)/FM’]（Genty等 1989）；
光適應(yīng)下的非光化學猝滅[NPQ=FM/FM’-1]（Demmig-Adams和Adams 1996）等
其他可以見到的參數(shù)也是根據(jù)這五個基本參數(shù)計算出來。
快速葉綠素熒光誘導動力學曲線：
圖2 用連續(xù)激發(fā)式熒光儀測定的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（圖A: 時間坐標為線性形式；圖B: 時間坐標為對數(shù)形式）
（注：引自李鵬民等文章“快速葉綠素熒光誘導動力學分析在光合作用研究中的應(yīng)用”）
圖2是典型的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線，又稱O-J-I-P曲線，測定該曲線，要求儀器的分辨率非常高，每秒記錄10萬次以上。為了更好的從曲線上獲得信息，我們通常把時間坐標改為對數(shù)形式（圖2B）。目前只有英國Hanshatech公司的Handy PEA植物效率分析儀，可以測定完整的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線。
從快速葉綠素熒光誘導動力學曲線上，我們可以得到五十多個熒光參數(shù)，通過對曲線上參數(shù)的分析我們可以了解PSII的原初光化學反應(yīng)及PSII的結(jié)構(gòu)和功能的變化。主要應(yīng)用在逆境生理、遺傳育種（Maldonado-Rodriguez等2003）、病蟲害防治（Bueno等2004）及污染檢測（Appenroth等2001, Hermans等2003）等。有理由相信，隨著該理論的進一步發(fā)展，快速葉綠素熒光誘導動力學將會在更多研究領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。
表1 JIP-測定所用的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（O-J-I-P）的參數(shù)
Table 1 Formulae and glossary of terms used in the JIP-test in the analysis of the O-J-I-P fluorescence transient
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從OJIP快速葉綠素熒光誘導動力學曲線上直接獲得的參數(shù) | |
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Ft |
暗適應(yīng)后照光t時間時的熒光強度 |
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F50μs 或F20μs |
用PEA在暗適應(yīng)后照光50μs時或用Handy-PEA在暗適應(yīng)后照光20μs時測定的熒光強度 |
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F100μs |
在暗適應(yīng)后照光100μs時的熒光強度 |
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F300μs |
在暗適應(yīng)后照光300μs時的熒光強度 |
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FJ≡F2ms |
在O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）J點處（2ms）的熒光強度 |
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FI≡F30ms |
在O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）I點處（30ms）的熒光強度 |
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FP |
在O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）的最大熒光處（P點）的熒光強度 |
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tFM |
從暗適應(yīng)后照光到到達最大熒光所需時間 |
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Area |
O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）、熒光強度F=FM及y軸之間的面積 |
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從直接獲得參數(shù)導出的其它參數(shù) | |
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FO≌F50μs 或≌F20μs |
當所有反應(yīng)中心完全開放時的熒光，即暗適應(yīng)后的最小熒光強度 |
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FM= FP |
當所有反應(yīng)中心完全關(guān)閉時的熒光，即暗適應(yīng)后的最大熒光強度 |
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FV≡Ft - FO |
在t時的可變熒光強度 |
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Vt≡(Ft - FO)/( FM - FO) |
在t時的相對可變熒光強度 |
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VJ≡(FJ - FO)/( FM - FO) |
在J點的相對可變熒光強度 |
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MO≡4(F300μs- FO)/( FM- FO) |
O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）的初始斜率 |
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Sm≡(Area)/( FM- FO) |
標準化后的O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）、熒光強度F=FM及y軸之間的面積 |
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SS= VJ/MO |
用O-J相標準化的熒光上升互補面積 |
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N≡Sm/ SS= Sm•MO•(1/ VJ) |
從開始照光到到達FM的時間段內(nèi)QA被還原的次數(shù) |
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比活性參數(shù)（QA處在可還原態(tài)時，單位PSⅡ反應(yīng)中心的活性） | |
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ABS/RC= MO•(1/ VJ)•(1/φPo) |
單位反應(yīng)中心吸收的光能 |
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TRO/RC= MO•(1/ VJ) |
單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量（在t＝0時） |
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ETO/RC= MO•(1/ VJ)•ψO |
單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量（在t＝0時） |
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DIO/RC= (ABS/RC)- (TRO/RC) |
單位反應(yīng)中心耗散掉的能量（在t＝0時） |
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量子產(chǎn)額或能量分配比率 | |
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φPo≡TRO/ABS= [ 1-(FO/FM)] |
最大光化學效率（在t＝0時） |
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ψO≡ETO/TRO= (1-VJ) |
反應(yīng)中心捕獲的激子中用來推動電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的激子占用來推動QA還原激子的比率（在t＝0時） |
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φEo≡ETO/ABS= [1-(FO/FM)]•ψO |
用于電子傳遞的量子產(chǎn)額（在t＝0時） |
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φDo≡1-φPo = (FO/FM) |
用于熱耗散的量子比率（在t＝0時） |
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比活性參數(shù)（照光材料單位橫截面積的活性） | |
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ABS/CSO≈FO |
單位面積吸收的光能（在t＝0時） |
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ABS/CSM≈FM |
單位面積吸收的光能（在t＝tFM時） |
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TRO/CSO= φPo•(ABS/CSO)
TRO/CSM= φPo•(ABS/CSM) |
單位面積捕獲的光能（在t＝0時）
單位面積捕獲的光能（在t＝tFM時） |
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ETO/CSO= φEo•(ABS/CSO)
ETO/CSM= φEo•(ABS/CSM) |
單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額（在t＝0時）
單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額（在t＝tFM時） |
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DIO/CSO= (ABS/CSO) - (TRO/CSO)
DIO/CSM= (ABS/CSM) - (TRO/CSM) |
單位面積的熱耗散（在t＝0時）
單位面積的熱耗散（在t＝tFM時） |
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反應(yīng)中心的密度 | |
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RC/CSO= φPo•(VJ/MO)•(ABS/CSO)
RC/CSM= φPo•(VJ/MO)•(ABS/CSM) |
單位面積內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量（在t＝0時）
單位面積內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量（在t＝tFM時） |
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性能指數(shù) | |
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PIABS≡(RC/ABS)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)] |
以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù) |
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PICS≡(RC/CSO)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)]
PICS≡(RC/CSM)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)] |
以單位面積為基礎(chǔ)的性能指數(shù)（在t＝0時）
以單位面積為基礎(chǔ)的性能指數(shù)（在t＝tFM時） |
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推動力（性能指數(shù)的對數(shù)） | |
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DFABS≡log(PIABS) |
以吸收光能為基礎(chǔ)的推動力 |
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DFCS≡log(PICS) |
以單位材料面積為基礎(chǔ)的推動力 |
參考文獻：
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Bueno M, Fillat MF, Strasser RJ, Maldonado-Rodriguez R, Marina N, Smienk H, Gómez-Moreno C, Barja F (2004). Effects of lindane on the photosynthetic apparatus of the cyanobacterium Anabaena. Environ Sci Pollut Res, 11: 98-106
Maldonado-Rodriguez R, Pavlov S, Gonzalez A, Oukarroum A, Strasser RJ (2003). Can machines recognise stress in plants? Environ Chem Lett, 1: 201-205
Genty B, Briantais JM, Baker NR (1989). The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence. Biochim Biophys Acta, 990: 87-92
Demmig-Adams B, Adams WWIII (1996). Xanthophyll cycle and light stress in nature: uniform response to excess direct sunlight among higher plant species. Planta, 198: 460-470
李鵬民, 高輝遠, Strasser R J. 快速葉綠素熒光誘導動力學分析在光合作用研究中的應(yīng)用. 植物生理與分子生物學學報, 2005, 31(6): 559-566
Li PM, Gao HY, Strasser RJ. Application of the chlorophyll fluorescence Induction dynamics in photosynthesis study. Journal of Plant Physiology and Molecular Biology, 2005, 31(6): 559-566
許大全. 光合作用效率. 上海: 上海科學技術(shù)出版社, 2002
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