叶绿素荧光在生理生态研究中的应用

叶绿素荧光在植物生理生态研究中的应用探讨——案例分析中国科学院植物研究所姜闯道博士副研究员目录一.叶绿素荧光的发现及发展二.重要的荧光参数及其意义三.荧光技术在逆境研究中的应用案例四.相关汉语文献及其他一.叶绿素荧光的发现及发展发现德国植物生理学家Kautsky于1931年发现叶绿素荧光动力学现象。上世纪80年代，Ögren（1985）和Schreiber（1986）相继创制出便携的调制式荧光仪，并实现了商品化。成为光合作用研究的新热点，极大地推动了光合过程中光能利用、逆境条件下光合作用的光抑制、光破坏及其防御机制的研究。叶绿素荧光动力学研究得到广泛应用的原因1、叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息●光能的吸收与转换●能量的传递与分配●反应中心的状态●过剩光能及其耗散●光合作用光抑制与光破坏……等等2、可以对光合器官进行“无损伤探查”，获得“原位”的（insitu）信息。3、近年来测定仪器的性能和自动化程度越来越高，操作步骤越也来越简便。由于以上原因叶绿素荧光动力学技术在：●光合作用生理生态●逆境生理等研究领域得到了较快的普及和广泛的应用二.重要的荧光参数基础荧光参数●Fo：最小荧光产量(Minimalfluorescence)，也称初始荧光产量(Originalfluorescence)或基础荧光产量。是对充分暗适应叶片（PSⅡ反应中心处于完全开放状态）照以极弱的测量光后发出的荧光。此时光化学猝灭系数qP＝1，非光化学猝灭系数qNP＝0。一般认为，这部分荧光是在天线中的激发能尚未被反应中心捕获之前，由天线叶绿素发射出的。当存在天线热耗散时，Fo会降低；当反应中心失活或遭到破坏时，Fo会提高。已知过高的温度往往使PSII放氧复合体脱离，反应中心失活。此时Fo会明显提高。因此，可以用Fo随温度的变化动态来反映高温对光合器的危害，并用来评价植物的抗热性。●Fm：最大荧光产量(Maximalfluorescence)，是PSⅡ反应中心完全关闭时的荧光产量。此时光化学和非光化学荧光猝灭均为0(qP＝0，qNP＝0)。Fm可反映通过PSⅡ的电子传递最大潜力。通常叶片经暗适应至少20min后照以饱和脉冲光后测得。●Fs:稳态荧光产量。即在光照下，光-暗反应达到动态平衡时的荧光产量。存在的问题●关于荧光发射的理论基础和对测定结果的理解和解释十分复杂；●部分初学者，对荧光参数的意义理解不透，尤其是不了解叶绿素荧光动力学特性在整个光合过程中所占的地位，因而对荧光参数测定结果的意义存在一些误解。我们的主要应用●光合机构的激发能分配；●光系统II的光抑制；●环境胁迫下光系统II活性。三.荧光技术在逆境研究中的应用案例（一）荧光技术在叶片发育中的应用分析选题依据1、为什么选择生长过程中的叶片进行研究？•以往对植物环境适应性的研究主要强调植物成熟叶片的适应机制；•叶片生长过程中同样会经历环境胁迫，而且幼叶对环境胁迫的适应性也直接关系到植物能否适应环境。Relativeleafarea(%)020406080100Pn(molm-2s-1)-5051015209:00AM2:00PMPFD(molm-2s-1)05001000150020002500Pn(molm-2s-1)051015201叶片生长过程中光合能力的变化9:00AMPn(molm-2s-1)-2024681012141618PnGs(mmolm-2s-1)-200020040060080010001200140016001800Gs2:00PMRelativeleafarea(%)020406080100-20246810161412-20002004006008001000120014001600Relativeleafarea(%)020406080100Ls(%)010203040509:00AM2:00PMRelativeleafarea(%)33%78%100%PrandPg(molm-2s-1)0510152025PrPgPr/Pg0.0.1.2.3.4.5Pr/PgPSII0.0.2.4.6.89:00AM2:00PMRelativeleafarea(%)020406080100NPQ0.0.51.01.52.02.5Relativeleafarea(%)020406080100Fv/FmorQB-non-reducingor0.0.2.4.6.81.0Fv/FmQB-non-reducing2叶片生长过程中光化学效率和电子传递活性的变化0.20.40.60.8111204384100Relativeleafarea(%)Fv/Fm6:00AM9:00AM2:00PM6:00PMAChl(molm-2)0200400600800Chlcontent9:00AM(V+A+Z)(molm-2)020406080100(V+A+Z)content2:00PMRelativeleafarea(%)0204060801000100200300400500600700800B02040608010000C[(V+A+Z)/Chl](mmol/molChl)0501001502009:00AM2:00PMDRelativeleafarea(%)020406080100[(A+Z)/Chl](mmol/molChl)02040608010012014003叶绿体色素的变化Relativeleafarea(%)020406080100[(A+Z)/(V+A+Z)]%0204060801009:00AM2:00PM9:00AMNPQ0.0.51.01.52.02.53.02:00PMA+Z(mmol/molChl)020406080100120BRelativeleafarea(%)020406080100W(MPa)-2.0-1.5-1.0-.50.0RWC(%)50607080901009:00AM2:00PMA5叶片水分状况与叶黄素组分及活性氧清除酶活性之间的相关性分析RWC(Negativelinearcorrelation)ψw(Positivelinearcorrelation)9:00AM2:00PM9:00AM2:00PMNPQ0.9580.9910.7600.548(V+A+Z)/Chl0.8950.9410.8790.775(A+Z)/Chl0.9600.9800.6670.617[(A+Z)/(V+A+Z)]%0.9410.9720.6130.579SODactivity0.9380.9750.8380.770APXactivity0.9030.9790.6370.535CATactivity0.9310.9300.7630.620PODactivity0.9010.9630.5790.479GRactivity0.9070.9390.5970.437Time(min)0306090120Fv/Fm0.0.2.4.6.81.033%A78%A100%A120150180210LightDarknessA0.20.40.60.8Timeoftheday(h)468101214161820Fv/Fm.5.6.7.8.91.00.50.60.70.80.9B6叶片生长过程中叶角的变化及对光能截获和光抑制的影响Relativeleafarea(%)33%A78%A100%Apetioleangle(o)010203040506070midribangle()02040608010033%A78%A100%ATimeoftheday(h)468101214161820midribangle(0)020406080Timeoftheday(h)468101214161820PPFD(molm-2s-1)040080012001600200033%A78%A100%AAbovecanopy02004006008001000120014001600Fv/Fm0.0.2.4.6.81.033%APFD(molm-2s-1)0.0.2.4.6.81.078%A100%A0.80.60.40.2Timeoftheday(h)468101214161820Fv/Fm.5.6.7.8.91.00.50.60.70.80.9皇冠草属于泽泻科、刺果泽泻属，多年生挺水植物，原产于南美亚马逊流域及其支流。易驯化为沉水植物。用途：观赏等。（二）荧光技术在淹水胁迫中的应用科学/实践问题：源于三峡库区消落带植被修复植物淹水后复出后更容易死亡，为什么？问题转化：淹水陆地光抑制导致光合器官/叶片出水后死亡？强光高氧弱光低氧试验设计对照全淹淹水离体弱光活体出水强光处理20天淹水后叶片形态特征的变化处理（Treatment）对照气生叶沉水叶气孔密度stomataldensity(n/mm2)051015202530对照气生叶沉水叶叶面积Leafarea（cm2）020406080100120140160180近轴端adaxial远轴端abaxial处理（Treatment）对照气生叶沉水叶上表皮气孔大小(m)stomatasizeinupperepidermis010203040506070对照气生叶沉水叶下表皮气孔大小(m)stomatasizeinlowerepidermis010203040506070长length宽width长length宽widthABCD平均值±标准误Means±SEn=30平均值±标准误Means±SEn=30平均值±标准误Means±SE，n=15淹水阶段净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的变化PPFD=800molm-2s-1PPFD=1000molm-2s-10d1d4d8d12d16d20d净光合速率Photosyntheticrate(molm-2s-1)0246810121416180d1d4d8d12d16d20d气孔导度Stomataconductance(mmolm-2s-1)0.0.1.2.3.4.5.6.7.80d1d4d8d12d16d20d0246810121416180d1d4d8d12d16d20d0.0.2.4.6.8时间Time(Day)0d1d4d8d12d16d20d蒸腾速率Transpirationrate(molm-2s-1)01234567时间Time(Day)0d1d4d8d12d16d20d02468ABCDEF对照ck气生叶aerialleaf沉水叶submergedleaf对照ck气生叶aerialleaf沉水叶submergedleaf净光合速率气孔导度蒸腾速率对照气生叶沉水叶气生叶对照淹水阶段叶绿素含量的变化0d1d4d8d12d16d20d叶绿素含量Chlcontent(mg/cm2).010.015.020.025.030.035对照ck气生叶aerialleaf沉水叶submergedleaf时间Time（Day）气生叶沉水叶对照淹水阶段Fv/Fm和ΦPSⅡ的变化时间Time（day）0d1d4d8d12d16d20dPSII的最大光化学效率（Fv/Fm）0.0.2.4.6.81.00d1d4d8d12d16d20d实际光化学效率PSII0.00.05.10.15.20.25.30.35时间Time（day）对照ck气生叶aerialleaf沉水叶submergedleafBA对照ck气生叶aerialleaf沉水叶submergedleaf沉水叶气生叶对照出水后自然状态下叶片Fv/Fm和RWC的变化时间Time8：00am10：00amPSII的最大光化学效率Fv/Fm0.0.2.4.6.81.0对照气生叶沉水叶相对含水量RWC(%)020406080100120处理Treatment8：00am10：00amAB对照ck气生叶aerialleaf沉水叶submergedleaf出水后弱光环境下Fv/Fm的变化8:00am对照气生叶沉水叶0.0.