（生态学专业论文）镉、铜及其复合胁迫对浮萍spirodela+polyrrhiealschleid叶绿素荧光参数的影响.pdf

懒y 1 燃必 7 7 剥 若 型雀 u n i v e r s i t yc o q e l u q 二j 二r s t u d e n ti d 5 1 0 7 0 8 0 2 0 0 7 e f f e c t so fc a d m i u m c o p p e ra n dt h e i rc o m b i n a t i o ns t r e s so n c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ep a r a m e t e r so fs p i r o d e l ap o l y r r h i e a 仁 s c h l e i d a 砀e s i ss u b m i t t e dt o e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y e c n u f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r p r e s e n t e db y l il i n g d e p a r t m e n to f e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y m a y 2 0 1 0s h a n g h a i 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明 本人呈交的学位论 镉 铜及其复合胁迫对浮萍 s p i r o d e l ap o l y r r h i e a 仁 s c h l e i d 叶绿素荧光参数的影响 是在华东师范大学攻读秽 博士 请勾选 学 位期间 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果 除文中已经注明引用的内 容外 本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名 日期 历f d 年6 月1 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 镉 铜及其复合胁迫对浮萍 s p i r o d e l a p o l y r r h i e a 亿 s c h l e i d 叶绿素荧光参数的 影响 系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师指导下完成的硕划博士 请勾选 学位论文 本论文的研究成果归华东师范大学所有 本人同意华东师范大学根据相关规 定保留和使用此学位论文 并向主管部门和相关机构如国家图书馆 中信所和 知网 送交学位论文的印刷版和电子版 允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查 阅 借阅 同意学校将学位论文加入全国博士 硕士学位论文共建单位数据库进行检索 将学位论文的标题和摘要汇编出版 采用影印 缩印或者其它方式合理复制学位论文 本学位论文属于 请勾选 1 经华东师范大学相关部门审查核定的 内部 或 涉密 学位论文掌 于年月日解密 解密后适用上述授权 4 2 不保密 适用上述授权 翩签名硇雌 本人签名垄堡 z d k 年 月2 日 涉密 学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文 需附获批的 华东师范大学研究生申请学位论文 涉密 审批表 方为有效 未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文 此声明栏不填写的 默认为公开学位论文 均适用 上述授权 奎登硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 周秀佳教授上海中医药大学主席 达良俊教授华东师范大学 由文辉教授华东师范大学 华东师范大学2 0 1 0 届硕十学位论文摘要 摘要 叶绿素荧光技术是以光合作用为理论基础 利用植物体内的叶绿素作为天然探针来 研究植物的光合作用 生理状况及各种外界因子对其细微影响的新型活体测定和诊断技 术 叶绿素荧光技术不需要破碎细胞 不损伤植物体 是间接研究光合作用简捷 可靠 的方法 可以作为快速灵敏地检测植物对环境污染反应的有效手段 目前植物体内叶绿素荧光动力学已成为国际上的研究热点 但国内利用叶绿素荧光 技术对植物在重金属胁迫条件下光合作用变化机制的研究相对较少 因此 本研究拟通 过水培实验探讨浮萍 s p i r o d e l a p o l y r r h i e a 伍 s c h l e i d 在重金属胁迫条件下叶绿素荧光参 数的变化 并结合传统光合色素指标来研究光合作用的变化机制 从而为利用浮萍快速 监测水体重金属污染提供实验依据 研究结果表明 1 重金属镉胁迫降低浮萍最大光化学量子产量 f v f m p s i i 有效量子产量 啷s 相对电子传递速率 r e t r 光化学淬灭 q p 和质体醌库 f v 2 并且增加了非光化学淬灭 q n 和p s i i 水裂解端失活程度 f o f v 的值 说 明浮萍的p s i i 光合活性受到镉的抑制 可以通过启动热耗散机制来防止p s i i 系统受到进一步的伤害 f o f v 指标是反映光合损伤的灵敏指标 浮萍叶绿素 含量随着镉胁迫浓度的增加而降低 叶绿素a 和叶绿素b 含量的下降幅度随着 铜浓度的增加而有所增加 叶绿素a b 比值随着铜浓度的增加而增加 说明叶 绿素a 降幅大于叶绿素b 2 重金属铜对浮萍的生长的影响大于对光合作用的影响 这表现为铜胁迫下量子 产量指标的变化不如镉胁迫敏感 但是浮萍的非光化学淬灭参数的大幅度上升 表明浮萍可能通过大幅度提高热耗散来保护p s i i 系统 减少铜对p s i i 系统的 损伤 叶绿素a 和叶绿素b 含量的下降幅度随着铜浓度的增加而有所增加 叶 绿素a b 比值随着铜浓度的增加而增加 说明叶绿素a 降幅小于叶绿素b 3 重金属镉铜共同胁迫下 降低了浮萍最大光化学量子产量 f v f m p s i i 有效 量子产量 鲰 相对电子传递速率 r e t r 光化学淬灭 q p 和质体醌库 f v 2 并且增加了非光化学淬灭 q n 和水裂解端失活程度 啪 的值 说明浮萍的p s i i 光合活性受到镉铜的共同抑制 f o f v 指标仍是一个反映光合 损伤的灵敏指标 叶绿素a 和b 随着胁迫浓度的增加而减少 且叶绿素a 的减 幅大于b 华东师范大学2 0 1 0 届硕上学位论文 摘要 4 不论是先加入镉还是先加入铜的复合胁迫 浮萍的量子产量指标均有所减少 铜的加入没有减缓镉对浮萍的胁迫作用 镉的加入加重了对浮萍的胁迫 各荧 光参数指标的变化与镉铜同时加入的胁迫相似 随着二者复合浓度的增加 叶 绿素a 和b 下降越大 5 各种胁迫均对浮萍的生长起到了抑制作用 且浓度越大 抑制作用越明显 关键词 浮萍 叶绿素荧光参数 镉胁迫 铜胁迫 镉铜复合胁迫 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c et e c h n o l o g yi sb a s e do nt h ep h o t o s y n t h e s i st h e o r y w h i c hm a k i n g u s eo ft h ec h l o r o p h y l la st h en a t u r a li n d i c a t o rt os t u d ya b o u tt h ep h o t o s y n t h e s i sa n dt h e i n f l u e n c eo fk i n d so fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r so ni nt h ep l a n t s i tc a l lb eu s e da sae f f e c t i v et o o l f o rp h o t o s y n t h e s i sr e s e a r c ha si t sa d v a n t a g e ss u c ha sr a p i d i t y s e n s i t i v i t ya n dn o n d a m a g et o t h ec e l l s i ti sau s e f u lt o o lt or a p i d l yr e f l e c tt h er e a c t so fp l a n t st ot h ep o l l u t i o n c u r r e n ti n t e r n a t i o n a lp l a n tc h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ek i n e t i c si nv i v oh a sb e c o m eah o ts p o t b u tt h ed o m e s t i cu s eo fc h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c eo fp l a n t su n d e rh e a v ym e t a ls t r e s si nt h e m e c h a n i s mo fp h o t o s y n t h e s i s ar e l a t i v e l ys m a l lc h a n g e t h e r e f o r e t h i ss t u d yw a st oe x p l o r e t h ed u c k w e e di nt h ew a t e rc u l t u r ee x p e r i m e n t su n d e rh e a v ym e t a ls t r e s s c h a n g e s i n c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ep a r a m e t e r sa n dp h o t o s y n t h e t i cp i g m e n tc o m b i n e dw i t ht r a d i t i o n a l i n d i c a t o r so fc h a n g e si np h o t o s y n t h e s i sm e c h a n i s m st om o n i t o rt h ew a t e rf o rt h eu s eo f d u c k w e e dq u i c k l yp r o v i d ee x p e r i m e n t a le v i d e n c ef o rh e a v ym e t a lp o l l u t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e 1 c a d m i u ms i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h em a x i m u mp h o t o c h e m i c a lq u a n t u my i e l do fd u c k w e e d f v f m p s i i e f f e c t i v eq u a n t u m y i e l d i d p s i i r e l a t i v e e l e c t r o n t r a n s p o r tr a t e r e t r p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g q p a n d p l a s t o q u i n o n el i b r a r y f v 2 a n di n c r e a s e d n o n p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g q n a n dt h e p s l lw a t e r s p l i t t i n g l e v e l v a l u e s f o f v i n d i c a t i n gp h o t o s y n t h e t i ca c t i v i t yo fd u c k w e e di nt h ep s i ii n h i b i t i o nb yc a d m i u m y o uc a n s t a r tt h eh e a td i s s i p a t i o nm e c h a n i s mt op r e v e n tt h es y s t e mf r o mf u r t h e rp s i id a m a g e f o f v i n d i c a t o r sr e f l e c tas e n s i t i v ei n d e xo fp h o t o s y n t h e t i cd a m a g e c h l o r o p h y l lc o n t e n to f d u c k w e e di n c r e a s e da st h ec a d m i u mc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e s c h l o r o p h y l laa n dc h l o r o p h y l lb c o n t e n t sw e r ei n c r e a s e dw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fc o p p e ri n c r e a s e d t h ec h l o r o p h y l l a br a t i o i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc o p p e rc o n c e n t r a t i o n i n d i c a t i n gm o r ed e c l i n ei nc h l o r o p h y l la c h l o r o p h y l lb 2 h e a v ym e t a lc o p p e ro nt h eg r o w t ho fd u c k w e e dt h a no np h o t o s y n t h e s i s a sd e m o n s t r a t e d b yi n d i c a t o ro fc o p p e rs t r e s so nt h ec h a n g eo fq u a n t u my i e l da ss e n s i t i v et oc a d m i u ms t r e s s b u tt h ed u c k w e e dn o n p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n gp a r a m e t e r si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y i n d i c a t i n g t h a td u c k w e e dm a yb eg r e a t l yi m p r o v e dh e a td i s s i p a t i o nt h r o u g ht h ep r o t e c t i o no fp s u s y s t e m st or e d u c et h ed a m a g eo fc o p p e ro np s i is y s t e m c h l o r o p h y l l aa n dc h l o r o p h y l l b c o n t e n t sw e r ei n c r e a s e dw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fc o p p e ri n c r e a s e d t h ec h l o r o p h y l l a br a t i o j 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 a b s t r a c t i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc o p p e rc o n c e n t r a t i o n i n d i c a t i n gad e c l i n eo fc h l o r o p h y l ll e s st h a n c h l o r o p h y l lb 3 h e a v ym e t a lc a d m i u m c o p p e ra n dj o i n ts t r e s s s i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h em a x i m u m p h o t o c h e m i c a lq u a n t u my i e l do fd u c k w e e d f v f m p s i ie f f e c t i v eq u a n t u my i e l d 口 p s r e l a t i v ee l e c t r o nt r a n s p o r tr a t e r e t r p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g q p a n dp l a s t o q u i n o n e l i b r a r y f v 2 a n di n c r e a s e dn o n p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g q a n dt h ep s l lw a t e rs p l i t t i n g l e v e l f o f v v a l u e s i n d i c a t i n gt h ep s i ip h o t o s y n t h e t i ca c t i v i t yo fd u c k w e e db yc a d m i u m c o p p e ra n dc o s u p p r e s s i o n f o f vi n d e xi s s t i l lar e f l e c t i o no fas e n s i t i v ei n d e xo f p h o t o s y n t h e t i cd a m a g e c h l o r o p h y l l aa n dbi n c r e a s ew i t ht h er e d u c t i o no fs t r e s s c o n c e n t r a t i o n a n dc h l o r o p h y l lar e d u c t i o ng r e a t e rt h a ng r e a t e rt h a nb 4 w h e t h e rt oj o i nt h ec a d m i u mo rc o p p e rt oj o i nt h ec o m b i n e ds t r e s s t h eq u a n t u my i e l do f d u c k w e e di n d e xh a sd r o p p e d t h ea d d i t i o no fc o p p e rd i dn o tr e d u c et h es t r e s so fc a d m i u mo n t h er o l eo fd u c k w e e d t h ea d d i t i o no fc a d m i u mi n c r e a s e dt h ed u c k w e e do fs t r e s s t h e i n d i c a t o r so fc h a n g e si nf l u o r e s c e n c ep a r a m e t e r sa n dc a d m i u m c o p p e ra n ds i m i l a rc o m m o n s t r e s s w i t ht h ei n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no ft h et w oc o m p o s i t e t h eg r e a t e rt h ed e c l i n ei n c h l o r o p h y l laa n db 5 a l lt h es t r e s s e sa r ep l a y e do nl e m n am i n o rg r o w t hi n h i b i t i o n a n dt h eh i g h e rt h e c o n c e n t r a t i o n t h ei n h i b i t i o nb e c a m em o r ee v i d e n t k e yw o r d s l e m n am i n o r 厶a n ds p i r o d e l ap o l y r r h i e a l s c h l e i d c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c e c ds t r e s s c us t r e s s c d c uc o m p o u n ds t r e s s i v 华东师范大学2 0 1 0 届硕十学位论文目录 目录 第一章前言 1 1 重金属对浮萍胁迫作用的研究 1 2 叶绿素荧光原理 2 2 1 叶绿素荧光的产生 2 2 2 叶绿素荧光诱导曲线 3 2 3 叶绿素荧光技术研究进展 5 3 快速光响应曲线 6 4 研究意义 6 5 技术路线 7 第二章材料和方法 8 1 实验材料和仪器 8 1 1 浮萍的选择 8 1 2 浮萍培养 8 1 3 主要仪器设备 9 2 实验胁迫设置 9 2 1 镉 铜及其复合胁迫浓度 9 2 2 镉对浮萍胁迫后再加入铜胁迫浓度 9 2 3 铜对浮萍胁迫后再加入镉胁迫浓度 9 3 实验方法 9 3 1 生物量的测定 9 3 2 叶绿素荧光诱导曲线的测定 一1 0 3 3 快速光响应曲线的测定 1 0 3 4 叶绿素荧光参数计算公式 1 0 3 5 光合色素含量的测定 1 1 第三章结果 1 2 1 镉胁迫对青萍和紫萍生长影响 1 2 1 1 镉胁迫对青萍生长影响 1 2 1 1 1 镉胁迫对青萍荧光参数的影响 1 2 1 1 2 镉胁迫对青萍叶绿素含量的影响 1 6 1 2 镉胁迫对紫萍生长影响 1 7 1 2 1 镉胁迫对紫萍荧光参数的影响 1 7 1 2 2 镉胁迫对紫萍叶绿素含量的影响 2 1 2 铜胁迫对紫萍的影响 2 2 2 1 铜胁迫对紫萍荧光参数的影响 2 2 2 2 铜胁迫对紫萍叶绿素含量的影响 2 6 3 镉 铜对紫萍的复合胁迫 2 7 3 1 镉 铜复合胁迫 2 7 3 1 1 镉 铜复合胁迫对紫萍荧光参数的影响 2 7 3 1 2 镉 铜复合胁迫对紫萍叶绿素含量的影响 3 0 3 2 镉胁迫后加入铜的胁迫 3 1 3 2 1 镉胁迫后加入铜对紫萍荧光参数的影响 3 1 i 华东师范人学2 0 1 0 届硕士学位论文目录 3 2 2 镉胁迫后加入铜对紫萍叶绿素含量的影响 3 5 3 3 铜胁迫后加入镉的胁迫 3 5 3 3 1 铜胁迫后加入镉对紫萍荧光参数的影响 3 5 3 3 2 铜胁迫后加入镉对紫萍叶绿素含量的影响 3 9 第四章讨论 4 0 1 重金属污染对浮萍叶绿素荧光参数的影响 4 0 1 1 镉胁迫对浮萍叶绿素荧光参数的影响 4 0 1 2 铜胁迫对浮萍叶绿素荧光参数的影响 4 1 1 3 镉铜复合胁迫对浮萍叶绿素荧光参数的影响 4 2 2 重金属污染对浮萍光合色素含量的影响 4 3 3 不同处理对叶绿素的影响比较 4 4 3 1 不同处理下对叶绿素a 的影响比较 4 4 3 2 不同处理下对叶绿素b 的影响比较 4 4 3 3 不同处理下对叶绿素a b 的影响比较 4 5 第五章结论与展望 4 7 1 结论 4 7 2 展望 4 7 参考文献 4 9 华东师范大学2 0 1 0 届硕上学位论文第一章前言 第一章前言 1 重金属对浮萍胁迫作用的研究 工业化和城市化的快速发展带来了大量的环境污染问题 水体重金属污染即是其中 之一 重金属污染是影响环境和公众健康的一大重要课题 水环境是吸收重金属的最后 容器 尤其容易受到重金属污染 m a l l i c ka n dm o h n 2 0 0 3 微量浓度的重金属即可使水 体产生毒性效应 某些重金属在微生物作用下可以转化为金属有机化合物 从而产生更 大的毒性 重金属污染减少了水体生态系统的生物多样性 并且通过利用污染水源和食用受污 染食物的作用危害人类健康 2 0 世纪中期日本的水俣病和痛痛病让世界认识了重金属污 染对环境及其生活在环境中的动物 尤其是人 的危害 h a r te ta 1 1 9 7 7 从而掀起了 研究重金属的热潮 温飞等 2 0 0 8 周茂洪等 2 0 0 2 韦芳 2 0 0 5 产生重金属污染 的原因有很多 例如 生产金属制品的清理 电镀 钝化膜保护产生的废水中含有镉 铜 锌 镍等重金属离子 对环境和人体有极大危害 陈华等 2 0 0 9 尤其是电镀废水中 含有大量重金属对水环境造成破坏 特别是大多数p h 低于2 的废水 t e ah e ta 1 2 0 0 7 水体和湿地生态系统中重金属的富集越来越受到全球范围内的重视 大量报道指出 几种浮水 沉水和漂浮的水生植物能够积累重金属 水生植物从水体中吸收重金属 在 植物体内形成比环境浓度高出几倍的重金属浓度 m g r e g e r 1 9 9 9 由于水生植物是水生生态系统中的初级生产者 氧含量水平的调节者 因此在食物 链中有着重要的作用 同时水生植物对生物化学元素循环起着重要的作用 s i n h ae ta 1 2 0 0 5 浮萍 s p i r o d e l a p o l y r r h i e a 仁 s c h t e i c o 为浮萍科浮萍属水生植物 广泛分布于我国南 北方地区 多见于池沼 湖泊等水体中 浮萍不仅有较高的药用和经济价值 同时 大 量的研究表明 浮萍较易吸收水中的污染物 能十分灵敏地反应出水质状况 是一种良 好的水体污染监测植物 l ie ta 1 2 0 0 4 s a a d e ts e ta 1 2 0 0 5 n i c h o l a sre ta 1 2 0 0 3 艾勇峰 等 z o o s 研究发现 浮萍对镉 铜有较强的吸收能力 龚道新等 2 0 0 5 宋志慧等 2 0 0 5 s a a d e te ta 1 2 0 0 5 且浮萍个体小 繁殖速度快 易于在实验室条件下培养 张 莉等研究认为可以用浮萍植物体数和重复偏差作为试验质量的指标 张莉等 2 0 0 1 因此 浮萍可以作为灵敏 高效的指示植物来评价镉和其他重金属的急性毒性 被广泛 应用于植物毒害试验 n yl ie ta 1 2 0 0 4 卫麦霞等 2 0 0 8 徐楠等 2 0 0 2 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文第一章前言 从生物学角度来说 重金属可以分为两类 生物必需元素和非必需元素 必需元素 是生物生长所必需的 尽管锰 铜 锌等重金属是生命活动所需要的微量元素 但在高 浓度时也会对生物产生毒性 大部分重金属如汞 铅 镉等并非生物活动所必须 而且 所有重金属超过一定浓度都对生物体有毒 w i e b k ed 等研究了铜 镉 锌 镍对浮萍 生长抑制及恢复 表明镉铜的毒性大于锌镍对于浮萍的毒害作用 w i e b k ede ta 1 2 0 0 7 镉是植物生长的非必需元素 也是水体中常见的中金属污染物之一 a l i n ae ta 1 1 9 9 2 镉等重金属污染物经植物吸收后进入食物链 可以在人体中逐渐积累从而引起人体的慢 性中毒 me ta 1 2 0 0 5 f a o 1 9 9 5 如 日本的水俣病和痛痛病分别由汞污染和镉污 染所引起 p r a s a d 等研究表明c d 对浮萍的毒性作用表现在气体交换和净光合作用的下 降 而这些生理反应与叶绿素和类胡萝卜素等光合色素含量的下降有相关性的 同时也 观察到光合作用中p s i i 系统的荧光性下降 p r a s a de ta 1 2 0 0 1 铜是被广泛使用的重金属之一 包括铜矿 杀虫剂 工业和生活废水等 m a me ta 1 2 0 0 3 铜是植物生长必需元素 是很多酶的组成成分 但是铜含量轻微的上升会影响植 物光合呼吸作用和蛋白质合成 铜和d 1 蛋白的络氨酸残基相结合 可以抑制p s i i 的电 子传递 s a n d m a n nge ta 1 1 9 8 0 a r e l l a n oe ta 1 1 9 9 5 或者导致细胞色素b 5 5 9 氧化还 原端的改变 b u r d ae ta 1 2 0 0 3 光合作用所储存的能量减少 因此光合电子传递降低 从而导致生物量的减少 m a k s y m i e c 1 9 9 7 铜胁迫使叶绿素含量大幅下降 2 4 h 内使f o 和f m 升高 特别是f m 可能出现负值 表明光合器官已经受到破坏 李红敬等 2 0 0 3 铜低于4 0 0 t g 会影响浮萍的光合作用 f r a n k a r tc e ta 1 2 0 0 2 m y r i a mk 等人研究认为 浮萍对铜的忍耐作用主要是由于植物体产生限制重金属进入的防护机制 而不是由于抗 氧化系统的作用 m y r i a mk e ta 1 2 0 0 9 r o o h a n 等人研究表明浮萍细胞壁羧基 羧化物 变化率能够影响浮萍对铜 汞 铬等重金属的吸收量 r o o h a nre ta 1 2 0 0 9 大量的重金属对植物胁迫的研究以及浮萍作为一种良好的监测植物都表明 利用生 物指示种浮萍来研究重金属单一及复合污染的毒害作用对于重金属污染的治理有着重 要的意义 2 叶绿素荧光原理 2 1 叶绿素荧光的产生 在本研究中 我们利用叶绿素荧光技术来研究重金属胁迫对浮萍叶绿素荧光参数的 影响 1 9 3 1 年 k a u t s k y 发现了叶绿素荧光诱导现象 并将其与光合作用联系起来 2 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文第一章前言 l i c h t e n t h a l e r1 9 9 2 1g o v i n d j e e1 9 9 5 之后 人们对叶绿素荧光诱导现象进行了广泛而 深入的研究 并且逐步形成了光合作用的荧光诱导理论 将其应用到光合作用的研究中 去 现在叶绿素荧光技术已经成为研究光合作用的有效探针 p a p a g e o r g i o r1 9 7 5 p a p a g e o r g i o ne ta 1 2 0 0 4 随着调制荧光技术的出现 叶绿素荧光的应用逐渐从传统的植 物生理学领域延伸到植物生态学 农学 林学 水生生物学和环境科学等领域 细胞内的叶绿素分子通过直接吸收光量子或间接通过捕光色素吸收光量子得到能 量后 从基态 低能态 跃迁到激发态 高能态 由于波长越短能量越高 叶绿素分子吸 收红光后 电子跃迁到最低激发态 吸收蓝光后 电子跃迁到比吸收红光更高的能级 较 高激发态 处于较高激发态的叶绿素分子很不稳定 在几百飞秒 f s 1f s 1 0 s 内 通 过振动弛豫向周围环境辐射热量 回到最低激发态 最低激发态的叶绿素分子可以稳定 存在几纳秒 n s 1n s 1 0 9s 韩志国 2 0 0 6 处于较低激发态的叶绿素分子可以通过几种途径释放能量回到稳定的基态 c a m p b e l le ta 1 1 9 9 8 r o h a c e k b a r t a k1 9 9 9 能量的释放方式有如下几种 1 重新放出一个光子 回到基态 即产生荧光 由于部分激发能在放出荧光光子之 前以热的形式逸散掉了 因此荧光的波长比吸收光的波长长 叶绿素荧光一般位于红光 区和红外区 2 不放出光子 直接以热的形式耗散掉 非辐射能量耗散 3 将能量从一个叶绿素分子传递到邻近的另一个叶绿素分子 能量在一系列叶绿素 分子之间传递 最后到达反应中心 反应中心叶绿素分子通过电荷分离将能量传递给电 子受体 从而进行光化学反应 以上这3 个过程是相互竞争的 往往是具有最大速率的 过程处于支配地位 对许多色素分子来说 荧光发生在纳秒级 而光化学发生在皮秒级 因此当光合生物处于正常的生理状态时 天线色素吸收的光能绝大部分用来进行光化学 反应 荧光只占很小的一部分 2 2 叶绿素荧光诱导曲线 光合作用进行时 p s i i 释放出的电子总是有部分会累积在电子门p q 处 这部分处 于还原态 累积电子 的电子门就处于关闭态 或者说p s i i 的反应中心处于关闭态 k r a u s e 1 9 8 8 当植物处于黑暗中 p s i i 不再释放电子 但累积在p q 处的电子会逐渐向p s i 传递 经过足够长的暗适应后 p q 处没有任何电子时 所有p s i i 的反应中心全部处于开放态 此时 植物的潜在光合能力最大 此时如果打开一个很弱的调制测量光 m e a s u r i n gl i g h t 3 堡奎堕堕盔堂三竺 旦堡 堂垡堡苎箜二兰萱童 m l 一般小于l u m o l m 2 s 1 只激发色素的本底荧光但不足以引起任何的光合作用 就 得到最小荧光f 0 因此f 0 在一定程度上与色素含量呈线性关系 如图所示叶绿素荧光 诱导曲线 f l耋 m l l 当测量光强度逐渐增大 达到可以启动光合作用的强度时 就称之为光化光 a c t i n i c l i g h t a lo 光化光就是植物实际吸收利用进行光合作用的可见光 4 0 0 7 0 0u r n 如上所 述 光合作用进行时 总是有部分电子门处于关闭念 这部分处于关闭态的电子f j 来 该进行光合作用的能量就转化为了叶绿素荧光和热 如图1 所示 植物经过一段时间的 暗适应后 打开光化光 p s i i 瞬间释放出大量电子 导致许多电子门被关闭 因此实时 荧光f 迅速上升 g o v i n d j e e 1 9 9 5 此时 光合器官会迅速启动调节机制来适应这种光 照状态 p si 逐渐从p q 处获得电子 在恒定的光化光强度下 p s i i 释放的电子数是恒定 的 随着时间的延长 处于关闭态的电子门越来越少 f 逐渐下降并达到稳态 此时 处于关闭态的电子门数量达到动态平衡 也就是说p s i i 和p s i 达到了动态平衡 以上所述的荧光动力学曲线 被称为叶绿素荧光诱导曲线 也称之为k a u t s k y 效应 g o v i n d j e e 1 9 9 5 在光照下光合作用进行时 只有部分电子门处于开放态 如果给出一个饱和脉冲 本来处于开放态的电子门将该用于光合作用的能量转化为了叶绿素荧光和热 此时得到 的叶绿素荧光为f m 由此可以求出在当前的光照状态下p s i i 的实际量子产量 y i e l d o p s i i a f f m t f m f f m 反映了植物的实际光合效率 s c h r e i b e re ta 1 1 9 9 4 光合作用进行时 部分电子门处于关闭态 实时荧光f 比f m 要低 也就是说发生 了荧光淬 j 乏 q u e n c h i n g 植物吸收的光能有3 个去向 光合作用 叶绿素荧光和热 根据 能量守恒 1 光合作用 叶绿素荧光 热 因此 叶绿素荧光 1 一光合作用 热 也就是说 叶绿素荧光产量的下降 淬灭 可能是由于光合作用的增加或热耗散的增加引起的 由光 合作用引起的荧光淬灭称之为光化学淬灭 p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g q p 由热耗散引起 的荧光淬灭称之为非光化学淬灭 n o n p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g q n 或n p q 4 华东师范大学2 0 1 0 届硕十学位论文第一章前言 b i l g e r b j o r k m a n1 9 9 0 v a nk o o t e n s n e l1 9 9 0 s c h r e i b e r e ta 1 1 9 9 4 光化学淬灭反映 了植物光合活性的高低 非光化学淬灭反映了植物耗散过剩光能为热的能力 即光保护能 力 根据p s i i 的实际量子产量 f f r o 和光合有效辐射 p h o t o s y n t h e t i c a l l ya c t i v e r a d i a t i o n p a r i 硐计算出光合电子传递的相对速率r e l l r f f r o p a r 0 8 4 0 5 g e n t y e ta 1 1 9 8 9 s c h r e i b e re ta 1 1 9 9 4 其中o 8 4 是植物的经验性吸光系数 0 5 是假设植物吸 收的光能被两个光系统均分 叶绿素荧光诱导曲线的常见指标女h v 张守仁等 1 9 9 9 r o h a c e k 2 0 0 2 f o 初始荧光 也称基础荧光 是在暗适应状态下当p s i i 的所有反应中心处于完全开 放状态 q p 1 并且所有的非光化学过程处于最小时 q n o 的荧光产量 f m 最大荧光 是在暗适应状态下当p si i 的所有反应中心处于完全关闭状态 q p 0 并且所有的非光化学过程处于最小时 q n 0 的荧光产量 f m 在光适应状态下当p si i 的所有反应中心处于关闭态 q p o 并且所有的非光环学 过程处于最优态时 q n o 的荧光产量 f v 暗适应状态下当所有的非光化学过程处于最小时的最大可变荧光 f v f m f o f v f m 是p s i i 的最大光化学量子产量 又叫做原初光化学的最大产量 p s i i 光化学反 应的潜在产量 它反映的是当所有p s i i 反应中心均处于开放态时的量子产量 这是用的 最广 使用频率最高的参数 在正常生理状态下 这个值比较稳定 嘞n f r o f s f m p s i i 电子传递的实际量子产量 g e n t ye ta l 1 9 8 9 也叫p s i i 光化学能量转化的有效量子产量 r o h r c e ka n db a r t b k 1 9 9 9 因此鲰 可以看作是p s i i 光 化学的有效量子产量被开放的p s i i 反应中心用于光化学的效率 在正常情况下 与c 0 2 固定呈很好的线性关系 但当样品受到胁迫时 和c 0 2 固定往往并不呈线性相关 q p f m f s f m 一f o 代表代表可变叶绿素荧光的光化学淬灭 即激发能被开放的 反应中心捕获并转化为化学能而导致的荧光淬灭 k r a u s ea n dw e i s 1 9 9 1 反映了光适 应状态下p s i i 进行光化学反应的能力 亦即开放的p s i i 反应中心所占的比例 研究发 现1 q p 大致代表了q a 的还原状态 反应了p s i i 反应中心关闭的程度 q n 非光化学淬灭系数 q n 代表可变叶绿素荧光的非光化学淬灭 反映了样品从暗 适应状态下到光适应状态下时非光化学过程对叶绿素荧光发射的影响 2 3 叶绿素荧光技术研究进展 叶绿素荧光技术的出现增加了对于叶绿素无损害研究的灵活性 k e v i no e ta 1 2 0 0 4 5 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文第一章前言 k a t em e ta 1 2 0 0 0 以光合作用理论为基础 利用植物体内的叶绿素天然探针 研究和 探测植物光合生理状况及各种外界因子对其细微影响的新型活体测定和诊断技术 同时 叶绿素荧光技术无需要破碎细胞 不伤害植物体 是间接研究光合作用简便 快捷 可 靠的方法 可以作为快速灵敏地检测植物对环境污染反应的有效手段 c h e ne ta 1 2 0 0 6 3 快速光响应曲线 光响应曲线是植物光合效率随着p a r 变化的曲线 p i 曲线 近些年来 同步测 量叶绿素荧光和光和放氧 或同步测量叶绿素荧光和气体交换 成为生理生态学的两个 热点 利用叶绿素荧光和其他技术相结合得出的结果都表明 在光饱和之前 前两种技 术得出的光合速率呈先性关系 达到光饱和之后 光合速率开始偏离线性关系 而这种 偏离恰恰反映了光和器官的内在调节机带t j g e n t ye ta 1 1 9 8 9 g e e le ta l1 9 9 7 g i l b e r te t a 1 2 0 0 0 f i g u e r o ae ta 1 2 0 0 3 传统的光响应曲线要求在每一p a r 梯度下适应一段时间 约5 1 0 m i n 后进行测量 达到稳态后测量光合速率 w a l k e r 1 9 8 7 g e i d e re ta 1 1 9 9 2 这样反映的并非自然光合 状态 而是被仪器人工光改变后的半自然光合状态 通过调制叶绿素荧光技术得到的相对电子传递速率可以用来绘制光响应曲线 即使 每 p a r 强度下的适应时间很短 如1 0s 也可得出典型的光响应曲线 这被称之为快速 光曲线 r a p i dl i g h tc u r v e r l c s c h r e i b e re ta 1 1 9 9 7 w h i t e c r i t c h l e y 1 9 9 9 r a l p h g a d e m a n n 2 0 0 5 由于测量时间短 测量过程对光合状态的影响小 因此基本反映了样 品的自然光合状态 由于在短时间内可以做多个样品 因此快速光曲线更加适合进行生 态学研究 r a l p he ta 1 1 9 9 8 w a l d h o f fe ta 1 2 0 0 2 d u r a k oe ta 1 2 0 0 3 韩博平等 2 0 0 3 r a l p h g a d e m a n n 2 0 0 5 4 研究意义 光合作用是地球上最重要的化学反应 光合生物通过光合作用为地球上的所有生命 活动提供食物和能量来源 因此研究光合作用具有十分重要的意义 较低激发态的叶绿 素分子通可以通过重新释放一个光子 回到基态 即产生荧光 对许多色素分子来说 荧 光发生在纳秒级 而光化学反应发生在皮秒级 因此当光合生物处于正常的生理状态时 天线色素