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 gren 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 PS 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PS 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PS 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 1叶片生长过程中光合能力的变化 2叶片生长过程中光化学效率和电子传递活性的变化 3叶绿体色素的变化 5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 6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 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 淹水后叶片形态特征的变化 淹水阶段净光合速率 气孔导度和蒸腾速率的变化 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 气生叶 淹水阶段Fv Fm和 PS 的变化 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 出水后弱光环境下Fv Fm的变化 出水后不同处理的离体叶片在强光下及恢复过程中光抑制的差异 三 荧光技术在盐胁迫胁迫中的应用 科学问题 盐胁迫下PSII失活与失活速率无关 主要抑制失活PS 反应中心的 极端光强和离体材料田间 四 相关汉语文献及其他相关汉语文献 张守仁1999叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论植物学通报李鹏民高辉远等2005快速叶绿素荧光诱导动力学分析在光合作用研究中的应用植物生理与分子生物学学报 JiangChuang Dao WangXin GaoHui Yuan ShiLei ChowWahSoon 2011 Systemicregulationofleafanatomicalstructtue photosyntheticperformanceandhigh lighttoleranceinsorghumseedlings PlantPhyisol 155 1416 1424SCI TOP10 HaoHai Ping JiangChuang Dao 通讯作者 ZhangShou Ren TangYu Dan ShiLei 2011 Enhancedthermal toleranceofphotosystemIIbyelevatingrootzonetemperatureinPrunusmirakoehneseedlings PlantSoil publishedonline DOI10 1007 s11104 011 1037 y SCIMaoShu Yan JiangChuang Dao 通讯作者 ZhangWen Hao ShiLei ZhangJin Zheng ChowWah Soon YangJing Cheng 2009 Watertranslocationbetweenrametsofstrawberryduringsoildryinganditseffectsonphotosyntheticperformance Physiol Plant 137 225 234SCIZhangZhan Jiang JiangChuang Dao ZhangJin Zheng ZhangHui Jin ShiLei 2009 EcophysiologicalevaluationofthepotentialinvasivenessofRhustyphinainitsnon nativehabitats TreePhysiol 29 1307 1316SCI TOP10 JiangChuang Dao JiangGao Ming WangXianzhong LiLing Hao BiswasDilipKumar LiYong Geng 2006 IncreasedPhotosyntheticActivitiesandThermostabilityofPhotosystemIIwithLeafDevelopmentofElmSeedlings UlmusPunila ProbedbytheFastFluorescenceRiseOJIP Environ Exp Bot 58 261 268SCIJiangChuang Dao GaoHui Yuan ZouQi JiangGao Ming LiLing Hao 2006 Changesofleaforientation photoprotectivemechanismsandphotosynthesisduringdevelopmentofsoybeanleaves Environ Exp Bot 55 87 96SCI 近期论文发表 专利申请 姜闯道 巩玥 石雷 2010 一种提高热带 亚热带地区植物的长势的方法 申请号 21 发明专利姜闯道 巩玥 石雷 2010 一种克隆植物的灌溉方法 申请号 2 7 发明专利姜闯道 郝海平 石雷 唐宇丹 2010 一种根系控温装置 申请号 20 发明专利姜闯道 郝海平 石雷 唐宇丹 2010 一种根系控温装置 申请号 27 实用新型社会活动 北京市青少年科技创新俱乐部指导教师国内外多家核心期刊审稿人等 主持项目 1 国家自然基金面上项目 盐胁迫条件下甜高粱光抑制的PSII行为机制及应用研究 2008 2010年2 国家自然基金面上项目 盐胁迫下高粱光合机构的强光获得性适应及缓解光抑制的关键机制 2009 2011年3 北京市自然科学基金面上项目 C4作物的强光系统调控及应用研究 2012 2014年4 中国科学院知识创新方向性项目课题 逆境下胡杨生化保护机制研究 2007 2010年5 国家十一五科技支撑项