叶绿素荧光分析技术及其在植物光合机理研究中的应用

1、叶绿素荧光分析技术及其在植物光合机理研究中的应用 Z 一 21 2OOO 年 9 月 第 34 卷第 3 期 河南农业大学 如 l 珊 a】ofH 叽蚰 AgnculUnivety sep.2OOO Vo1.34No.3 文章蝈号:1000234o(2ooo)o3 一 o24804 叶绿素荧光分析技术及其在植物 光合机理研究中的应用 J 赵会杰,邹琦,于振文 (1.河南农业大学农学院面;2,山东农业大学,山东泰安 271018) :.39;一 Ch10r0phynu0resenceanalysistechniqueanditsapplication tophotosynthesisofplan

2、t ZHAOHui-jie,ZOUQi2,YU21aen-wen2 哟伽(1,CdleeofHmAgriculturalUniversity,Zheagzlxm450002,Ofian;2,Shand嘶. ty,Taian271018,China) AbsI:Inthisminireview,thefimdamentahofchlorophyllfluorescenceanalysiswereintroducedands 口 lI1eadvances inapplicationofdllcl 加 Iy1lfluorescencekineticstophotosynthesisandstr幽 p

3、hysiologyofplant 咖叫 m 田 arized b. 1【昭唧嘞曲D:chlorophyll;fluorenceanalysis;phowsynthesis;physiokgy 传递和植物光合作用是将太阳能转换为化学能的过程,在光能的吸收, 转换过程中,叶绿体色素起着可以通过自己直接吸收的光量子.在植物体内叶绿素(da1)关键作用 (hr1)或间接通过天线色素吸收的光.(so)上升到较高能缴的不同激发态量子(hr2)得到能量,使分子从基态 然后很快通过内转换降低到最低这些去激途径包.的第一单线态(S),再通过不同的去激途径回到基态 ,发射荧光,热能括引起光化学反应100%,dl1

4、a 的传递效率几乎达到在摔内由于激发船从耗散等.1b 向 的荧光所以检不出体内 chlb.而且的天线色素系 PSII 绝大部分植物体内叶绿素荧光来自大量实验证明, .色素系统基本不发荧光,PsI 统受光激发的叶绿素所产生的荧光一直被用来作为研究光合作用机理的探针【,尤其是近年来随着叶绿素 荧光理论和测定技术的进步,大大推动了光合作用超快原初反应及其他有关光合机理的研究.目前.国际 上对植物体内叶绿素荧光动力学的研究已形成热点,并在强光,高温,低温,干旱等逆境生理研究中得到广 泛应用,取得令人可喜的成果.作者研究了叶绿素荧光分析技术的基本原理及其在光合作用与逆境生 理研究中的应用. 1 应用现状

5、 叶绿素荧光分析技术在光合机理研究中主要用于以下 4 方面. 1.1 激发能的传递 光量子被天线系统中的色素分子吸收后.使后者处于激发态,其激发能不是属于单个色素分子所有, 收藕日期:19990910 基盒璃目:河南省白彝鼻科学基金资助项目(994011oo) 作者筒升:赵台杰(1958 一),男,河南尉氏人.河南裹业大学农学院副教授,博士,从事作物生理教学与研究工作 第 3 期赵会杰等:叶绿素荧光分析技术及其在植物光合机理研究中的应用 249 其传递速率,分子共有 ch1 共振方式为整个天线中的 I)眈(c 而是以激子与 ch1 分子间的距离 6 次方呈反 比,与色素分子偶援距取向有关的取向

6、因子平方呈正比,此外还与供,受体色素分子的发射与吸收光谱重 叠大小有关. 最近对 Ps外周天线色素聋自复合体(LHC)中激发能传递的研究表明,LHC分子中处于不同水 平的单线激发态,特别是 chla 和 chlb 单线态之间存在快速的能量平衡,而且激发能从 c.hla-chlb 的传递 比以前设想的要快得多.这证实了 chlb 和 chla 一样也是激发能快速分布的居留场所,这为激发能在天线 系统中的传递提供了新的线索. 不同光合单位的天线色素系统之间是否存在激发能的传递,一直是人们感兴趣的问题.JOLIOT 最先 根据 s_型荧光诱导上升曲线推算出在光合单位之闻存在着一定的激发能传递.最近嘲

7、和 LAVERGNE 用激子,基团对理论重新对荧光诱导上升曲线进行了计算,并证实光合单位之间存在着象 J 所提出 的”中间型”的激发能传递. 天线系统中处于单线态的 chl 激发能除了能够传递约 Ps反应中心P680,并为中心所捕获产生电荷 分离外,它还可能传递给隐蔽的玉米黄素单线态,然后玉米黄素单线态 植.以热能形式耗散能量回到基态物可能以这种方式耗散相当大一部分过量激发能,以避免反应中心的光破坏_l. 1.2 屎初反应机理 BU3Y.ER 根据他的”两分体模型(biperitemode1)提出在光合作用中,原初光化学反应受激子从天线系 统向反应中心迁移的限制,激子一旦传到反应中心就会象倒人

8、精斗一样很快地被捕获,而激子要想从”精 斗”中再跑出来返回到天线中去是不可能的.这就是所谓的扩散限制论.与此相反,HOLZWARTH 等 12 提 出了陷阱限制论或称为激子一基团对平衡(exciton-radicalp 出equiblmtrn)模型.该模型认为,激子不仅在天 线系统 dd 单线激发态 dd 之间,而且也在c1d 与反应中心单线激发态和电荷分离形成的基团对 B 南.seo- 之厨存在着快速的能量准平衡(qlmsj.equilibritrn).这样,限制原初光化学反应的步骤不是天线激发能的迁 移或扩散,而是激发能在反应中心的捕获,它包括原初电荷分离和随后的稳定反应过程;伺时,由于反

9、应中 心的陷阱很浅,传到和掉人陷阱中的激子应该也能很容易地从陷阱中返回天线中来.这种与原初电荷分离 相反的过程称为电荷复合.近年来,关于能量平衡中超快荧光成分的发现和光电压的实验还表明该理论不 . 反应中心 PsI 而且也适用于,的反应中心 Ps 仅适用于1.3Psl 光化学效率 clll 荧光诱导班象是 1931 年由德国 KAtrISKY 教授首次发现的,所以后来人们称之为 KAfflSKY 效应. Chl 荧光诱导动力学是指经过暗适应的绿色植物材料当转到光下时,其体内 cIl 荧光强度会有规律的随时 间变化.根据现在国际上的统一命名,可把荧光诱导曲 线(图 1)划分为:O(原点)一,(偏

10、转)一 D(小坑)或 pf (白阶)一 P(最高峰)一 S(半稳态)一肼(次峰)一(终 点)这几个相(pIIe).有时在 0 和,之间还可辨认出 一 个拐点称为 J 相.其中 OP 相为荧光快速上升阶 段(12B),从 Pr 为荧光慢速下降(猝灭)阶段(4 5s).在此阶段,往往出现复杂的情况.有时没有肼 峰,有时出现几个渐次降低的峰,因叶片的生理状态不 同而异.一般而言,遭受环境胁迫的叶片峰消失.而 生理状态良好的叶片往往在 P 峰之后有几个峰出现. 这可能反睫了即 Fo 状态),只有在叠加一束 河南农业大学第 34 卷 强光化光之后,才能诱导 Q 的积累和荧光诱导现象的形成.调制式荧光 计

11、的信号检测采用选频放大或琐相放大技术. Ps的光化学效率是表明光化学反应状况的一个重要参数.在低光强下,光化学效率的高低直接决定 叶片光合速率的高低.因此,在低光强下,由于某种原因造成的低光化学效率会成为光合作用的重要限制 因子.在光饱和的情况下,光化学效率的降低不一定会导致光合速率下降,即不一定会成为光合作用的限 制因子.当光合机构形成的同化力完全用于光合碳同化而不用于氮,硫同化等其它代谢时,光合碳同化的 量子效率与 Ps的光化学效率之间有很好的直线关系.在这种情况下,可以把光合碳同化的量子效率作 为光化学效率高低的指标【13J. 光合机构中叶绿紊吸收的光能主要用于推动光合作用,也往往有一部

12、分在形成同化力之前以热的形式耗散 和以荧光的形式重新发射出来.由于上述几个过程之间存在着对能量的相互竞争关系,光合作用和热耗散的变 化便会引起荧光发射的相应变化.因此,可以通过对荧光的观测来探究光合作用和热耗散的情况【14,15J. 在荧光分析中,最常用的基本荧光参数是,F 和/.这里为初始荧光,是Ps反应中心全 部开放时的荧光水平;为最大荧光,是 Ps反应中心全部关闭时的荧光 为最大荧光和初始荧;水平光之差(Fv=一 Fo),被称为可变荧光;可变荧光和最大荧光之比(/)被称为 Ps的光化学效率.在 非逆境条件下,多种植物的这一效率值在 0.85 左右,但在逆境条件下,这一效率值明显降低.Ps

13、天线 的热耗散增加导致降低,Ps反应中心的破坏或可逆失活引起的增加.因此,可以根据的变化 推断反应中心的状况. 1.4 檀糖在逆境条件下的生理变化 8o 年代以来.人们在逐渐弄清植物体内叶绿索荧光动力学与光合作用关系的基础上,发现它对各种 胁迫因子十分敏感.因而越来越多地将其作为鉴定植物抗逆性的理想指标和技术.澳大利亚 Snle 等首 先将检测植物抗寒性的荧光动力学方法规范化.作者先把待测植物的叶片置于 O下,经过不同时间的预 处理后,仍在 O下快速测定其荧光动力学,发现样品荧光最大上升速率(,实际是可变荧光最大上升速 度)下降为未经 0处理的对照叶片的 50%时.所需的 0处理时间(c,),

14、可作为植物抗寒性的相对 度量.杨世青等 J 用微机控制的非调制式荧光计,每隔 10d 左右,检测和比较 6 个已知其抗冻性顺序的冬 小麦品种在自然条件下越冬过程中叶绿紊荧光动力学的变化,发现只 不同品种抗冻,有经过冬季低温锻炼性的差别才能通过荧光动力学有规律地表现出来.到了翌年春季小麦开始返青时,不同品种之间的荧光动 力学曲线表现出最显着的差异.水分亏缺会立即对植物的光合作用产生抑制作用,试验证明,叶绿体荧光 动力学对植物水分和盐渍胁迫均非常敏感,是一种理想的检测手段.用小麦叶片为材料,经不同程度干燥 失水后,用毫秒荧光计测定叶绿体荧光动力学变化,发现随着叶片失水程度增加,其荧光猝灭迅速减少,

15、说 明光合电子传递和膜的能态化逐渐受到缺水的抑制;随着失水的加剧,叶片的可变荧光()也随着减少, 表明 Ps的结构与功能受到不同程度的损伤与破坏.近几年来,强光胁迫对植物光合作用的光抑制现象 颇受关注,不少研究认为,Ps的光化学效率(/)是度量光抑制程度的重要指标.I.赵世杰等”9J 通过改变小麦旗叶与茎秆的夹角,研究强光对田间小麦直立叶与平展叶光抑制的差 0,发现在叶温达到 27.6,最高光强为 1600 衄?m?8-的晴天,田闻小麦经过午间强光照射4h 后,Ps的光化学效率 (/m)明显下降,平展叶比直立叶发生了更为严重的光抑制.这些研究为农业生产上采取相应的调控 技术提供了理论依据. 研

16、究前景 2叶绿紊荧光是研究植物光合作用的良好探针,由于其分析技术具有快速,灵敏和非破坏性等优点,近 年来发展十分迅速.但目前尚有许多理论和技术问题需要深人探讨.今后一个时期研究的重点是: 1)进一步加强叶绿素荧光理论的研究.如 PsI 色素系统为何基本不发荧光,体内不同种类的荧光究 竟是由哪一种色素蛋白复合体发射的等等.2)改进和完善叶绿紊荧光分析技术,促进测定技术向着小型 化,智能化的方向发展,并与其它非破坏性检测技术,如叶片的吸收光谱,光合放氧,二氧化碳固定等相结 合,形成一种多功能综合性的检测研究手段.3)进一步扩展其应用领域,要深人探讨叶绿紊荧光分析在海 洋与陆地植物的遥感遥测,植物对

17、环境污染反应的监铡,作物产量的预澍预报等方面的应用问题.可以预 第 3 期赵会杰等:叶绿素荧光分析技术及其在植物光台机理研究中的应用 25l 见,随着 ehl 荧光理论研究的深人和探测技术的进一步发展,荧光分析技术将会在植物生理学,生态学和 农业科学研究中得到越来超广泛的应用. 参考文献 吐咖 fllJoreseeneeandph曲 sF.0Ih1KltAUSIcIt,w曲:TheJ.ArmRevPholPlantMolBid,1991t (42):313349. 2BttlIERwL.a 呐fluomenee 舶 aforelectron驯 andeI 盱 IA,IANN叫 MA.豳 cl0

18、fl1.砒 l0w 崩岫啊 pb 姗】眦 dl 白 ct 臼诋 andmBcl 埘正li 曩 ns0fph 岬 o- 怕 0f 皿 Bi 砷 l 帅JJ.JbB0I,1995,46:119127 11】JFtt.1heI 髓 0fdllnI 嗍嘲 andrllr 脚 ive 甲州埘哪 hI 蛸 inP1日 l 吐 plIy 胄 j0l0gyJJ 一 妇 v出 mse 明,1990,125:146332 一 12哪瞰 WL.E 哪 in 忡 0fplJJ_Ann 啪州 0I,l978t29345 278. 13余叔文,历章成.撞物生理与分子生物学.第 2 版M.北京:科学出版社,1998.262267. 14豫舡田 u 盯 M,BAmN