叶绿素荧光原理及理论

1、叶绿素荧光原理及理论第一部分：叶绿素荧光仪的原理第一部分：叶绿素荧光仪的原理 一一 叶绿素荧光的分类叶绿素荧光的分类：瞬时荧光瞬时荧光(PF)延迟荧光延迟荧光(DF)按照荧光发生的时间分类：按照荧光发生的时间分类：瞬时荧光瞬时荧光按照荧光测定方式分类：按照荧光测定方式分类：脉冲调制式荧光脉冲调制式荧光连续激发式荧光连续激发式荧光基于脉冲调制式荧光理论的荧光仪：基于脉冲调制式荧光理论的荧光仪：二二 叶绿素荧光仪的分类叶绿素荧光仪的分类：脉冲调制式荧光仪；双调制式荧光仪；荧光成像荧光仪脉冲调制式荧光仪；双调制式荧光仪；荧光成像荧光仪基于连续激发式荧光理论的荧光仪：基于连续激发式荧光理论的荧光仪：植

2、物效率分析仪；多功能植物效率分析仪植物效率分析仪；多功能植物效率分析仪三三 脉冲调制式荧光仪脉冲调制式荧光仪：第二部分：脉冲调制荧光参数测定原理及意义第二部分：脉冲调制荧光参数测定原理及意义一一：叶绿素荧光的五个基本参数FO； FM； FS； FM； FOFO ：最小荧光（或基础荧光等）；充分暗适应的光合机构全部最小荧光（或基础荧光等）；充分暗适应的光合机构全部 PS II 中心都开放时的荧光强度中心都开放时的荧光强度 。一般认为是FO来自天线色素（Chla）。因此一般用 FO的升高来表示反应中心和天线色素的解离。FM：最大荧光；充分暗适应的光合机构全部最大荧光；充分暗适应的光合机构全部 PS

3、 II 中心都关闭时中心都关闭时的荧光强度的荧光强度 。FO：光下最小荧光；光适应状态下全部光下最小荧光；光适应状态下全部PSII中心都开放时的荧光中心都开放时的荧光强度强度 。FM：光下最大荧光；光适应状态下全部光下最大荧光；光适应状态下全部PSII中心都关闭时的荧光中心都关闭时的荧光强度强度 。FS（FS）：稳态荧光；稳定光强下，全部稳态荧光；稳定光强下，全部PSII反应中心开发关反应中心开发关闭处于平衡状态下的荧光。闭处于平衡状态下的荧光。二二：表示PSII光化学效率的荧光参数FV/FM； PS ； ETR（或（或 J）；）； FV/FM; FV/FM:暗适应下暗适应下PSII的最大光化

4、学效率，也被称为开放的的最大光化学效率，也被称为开放的PSII反应中心的能量捕捉效率反应中心的能量捕捉效率 。FV/FM= (FM-FO)/FMFV：最大可变荧光；最大可变荧光； FV= FM-FOFV/FO， FM/FO 是 FV/FM 的另外两种表现方式，不是一个直接的效率指标，但是它对效率的变化更敏感。因此在特定情况下也是一种好的表达方式，最近的文献很少有该类参数的出现。FV/FM:开放的开放的PSII反应中心的激发能捕获效率，也称为最大天线反应中心的激发能捕获效率，也称为最大天线转化效率转化效率 。PS :PS实际光化学效率，反实际光化学效率，反 映在照光下映在照光下PS反应中心部反应

5、中心部分关闭的情况下的实际光化学效率。分关闭的情况下的实际光化学效率。(F/Fm)PS = (FM-FS)/FMETR :电子传递速率（一般指通过光系统的非环式电子传递）。电子传递速率（一般指通过光系统的非环式电子传递）。ETR = PS PFD 0.5 光通量密度，单位光通量密度，单位(molm-2s-1), PFD ：叶片吸光系数，叶片吸光系数，一般为一般为三三：荧光淬灭参数qP; qNP; NPQqP :光化学淬灭系数，反光化学淬灭系数，反 映总映总PS的反应中心开放反应中心的反应中心开放反应中心所占的比例。所占的比例。1-qP则表示关闭反应中心所占的比例。则表示关闭反应中心所占的比例。

6、qP = (FM-FS)/(FM-FO)qNP :非光化学淬灭系数。非光化学淬灭系数。qNP = (FM-FO)/(FM-FO)NPQ :非光化学淬灭；反映热耗散的变化。非光化学淬灭；反映热耗散的变化。NPQ = FM/ FM - 1四四：其他荧光参数 区分过剩光能耗散不同方式的荧光参数：区分过剩光能耗散不同方式的荧光参数：qE：高能态荧光淬灭（依赖于跨膜质子梯度）：高能态荧光淬灭（依赖于跨膜质子梯度）qT：与状态转换相关的荧光淬灭（捕光色素复合体与：与状态转换相关的荧光淬灭（捕光色素复合体与PSII分离）分离）qI： 与光抑制相关的荧光淬灭（由于产生光抑制引起的荧光淬灭）与光抑制相关的荧光淬

7、灭（由于产生光抑制引起的荧光淬灭） PSII（ II）+ NPQ + NO = 1PSII：实际光化学效率实际光化学效率 （光化学量子产额（光化学量子产额）NPQ：包括天线耗散和反应包括天线耗散和反应 中心的失活中心的失活NO：非光诱导的淬灭非光诱导的淬灭 表示光合电子传递去向的荧光参数表示光合电子传递去向的荧光参数：Je(PSII) =0.5 PS PFD；单位时间内通过单位时间内通过PSIIPSII的全部电子流的全部电子流 = 4 (A+Rd)/(PFD PSII) Je(PCR) = 4 (A+Rd)/(1-pO2/(2 Sr CC) ; 用于碳同化的电子流用于碳同化的电子流Je(PCO

8、) = 4 (Vc pO2)/(Sr CC) ; 用于光呼吸的电子流用于光呼吸的电子流Ja = Je(PSII) - Je(PCR) - Je(PCO); 用于用于PCRPCR和和PCOPCO以外途径的电子流以外途径的电子流Ja (2% O2) = Je(PSII (2% O2) ) - Je(PCR (2% O2) ) - Je(PCO (2% O2) ); 用于氮同化途径的电子流用于氮同化途径的电子流Ja (21% O2)-Ja (2% O2)；用于；用于Mehler反应的电子流反应的电子流第三部分：荧光数据在光合研究中的应用第三部分：荧光数据在光合研究中的应用Sakamoto W, Ta

9、kahashi Y. The Plant Cell, 2003(15), 2843-28551 荧光参数在文献中常见的出现形式荧光参数在文献中常见的出现形式：33%：78%：100%Jiang CD et al. EEB 2006图示：不同展开程度的大豆叶片荧光参数图示：不同展开程度的大豆叶片荧光参数Fv/FmFv/Fm的日变化的日变化Dong H , Wan JM, etc, Plant Physiol. 2013 162: 1867-1880Shahbazi M, Kuntz M. Plant Physiology, 2007(145), 691-702 2 Fv/Fm 的应用的应用Sak

10、amoto W, Takahashi Y. The Plant Cell, 2003(15), 2843-28552.1 Fv/Fm 常用来表示光系统常用来表示光系统II（PSII）的活性）的活性Wingler A, Delatte TL, etc, Plant Physiol. 2012 158: 1241-1251. 图示：不同展开程度的大豆叶片荧光参数Fv/Fm的日变化：33%：78%：100%Jiang CD et al. EEB 20062.2 Fv/Fm 常用来研究光抑制的程度常用来研究光抑制的程度3 Fo3 Fo常用来研究高温对光合机构的危害常用来研究高温对光合机构的危害2730

11、333639424548Fv/Fm.2.3.4.5.6.7.8PSII.1.2.3.4.5.6.7qP.4.5.6.7.8.9Temperature (oC)2730333639424548NPQ0.0.51.01.52.02.53.03.54.0(A)(B)(C)(D)对照叶片和盐胁迫叶片光化学猝灭系数（对照叶片和盐胁迫叶片光化学猝灭系数（qPqP）、）、PSIIPSII光能捕获效（光能捕获效（FvFv/Fm/Fm）、）、PSIIPSII实际光化学效率实际光化学效率(PSIIPSII，) )、非光化学猝灭、非光化学猝灭(NPQ(NPQ，D)D)对温度的响应。对温度的响应。示示NaClNaCl

12、处理增加叶片的抗高温能力处理增加叶片的抗高温能力 ，对照对照； ，200 mmol/L NaCl 4 4 用叶绿素荧光反映胁迫条件下受伤害的程度用叶绿素荧光反映胁迫条件下受伤害的程度Fig. Effects of CaCl2 supplement on photochemical quenching (A), efficiency of excitation energy capture by open photosystem II (PSII) reaction centers (B), quantumyield of PSII electron transport (C) and nonp

13、hotochemical quenching (D) in control (s) and 200 mM NaCl-treated (d) Rumex leaves at 600 mmol m22 s21 photosynthetic photon flux density, 360 mmol mol21 CO2 and 25C. 盐击过程中光合速率（盐击过程中光合速率（PnPn， ）和）和PSIIPSII光量子效率（光量子效率（PSIIPSII，）的变化）的变化 21% O22% O2: : 净光合速率净光合速率: PSII: PSII实际光实际光 化学效率化学效率盐击盐击盐击盐击5 盐击过

14、程中电子传递过程的研究盐击过程中电子传递过程的研究 21% O2 ()和和2 O2 ()条件下，盐击过程中气孔导条件下，盐击过程中气孔导度、光化学猝灭系数、度、光化学猝灭系数、PSII反应中心光能捕获效率和非反应中心光能捕获效率和非光化学猝灭的变化光化学猝灭的变化 A: 气孔导度（气孔导度（Gs）B：光化学猝灭系数（：光化学猝灭系数（qP）C：光能捕获效率（：光能捕获效率（Fv/Fm）D: 非光化学猝灭系数（非光化学猝灭系数（NPQ） ：21% O2 ：2 O2 盐击过程中盐击过程中21% O21% O2 2通过通过PSIIPSII的电子流的电子流(J(Jf f, , ) )、光合以及光呼吸消

15、耗的电、光合以及光呼吸消耗的电子流子流(J(Jg g, , ) )、MehlerMehler反应消耗的电子流反应消耗的电子流(J(Ja a, , ) )的变化的变化 ：通过通过PSIIPSII的的电子流电子流(J(Jf f) )：光合以及光光合以及光呼吸消耗的电子呼吸消耗的电子流流(J(Jg g) )：MehlerMehler反应反应消耗的电子流消耗的电子流(J(Ja a）6 叶绿素荧光的启动过程叶绿素荧光的启动过程1 1 不了解各基本参数的测定条件不了解各基本参数的测定条件荧光使用过程中的常见问题举例荧光使用过程中的常见问题举例暗适应后测定的参数：暗适应后测定的参数：Fo；Fm （计算出来的

16、（计算出来的Fv；Fv/Fm）光适应下测定的参数：光适应下测定的参数：Fo；Fm；Fs （计算出来的（计算出来的PSII；Fv/Fm；qP；NPQ；ETR等）等）2 参参数数Fv/Fm使用中常见问题使用中常见问题Fv/Fm: PSII 的最大光化学效率。的最大光化学效率。 中度高温、低温、盐胁迫后中度高温、低温、盐胁迫后Fv/Fm没有明显变化没有明显变化 说明逆说明逆境没有影响境没有影响PSII的活性。的活性。Fv/Fm: 在非胁迫条件下，在非胁迫条件下，Fv/Fm的值很稳定，据的值很稳定，据Bjorkman & Demmig对大量植物的测定，其平均值为，但在逆境条件对大量植物的测定，其平均值

17、为，但在逆境条件下，下，Fv/Fm显著降低，因此，显著降低，因此，Fv/Fm常作为发生光抑制或者常作为发生光抑制或者PSII受到伤害的指标。受到伤害的指标。 ？ 单一的高温、低温、盐胁迫等逆境不一定会对单一的高温、低温、盐胁迫等逆境不一定会对PSIIPSII产生产生伤害，然而自然界并非都是单一逆境，高温、盐胁迫等的伤害，然而自然界并非都是单一逆境，高温、盐胁迫等的出现往往伴随着强光，逆境出现往往伴随着强光，逆境+ +光才会导致光才会导致Fv/FmFv/Fm的明显降低。的明显降低。 Fv/FmFv/Fm常被作为光抑制的指标常被作为光抑制的指标 近来的研究表明，环境胁迫对近来的研究表明，环境胁迫对

18、PSIIPSII的伤害取决的伤害取决PSIIPSII蛋白蛋白复合体于破坏和修复的速度，逆境并不加速复合体于破坏和修复的速度，逆境并不加速PSIIPSII蛋白的破坏蛋白的破坏而是抑制其修复的速度。而是抑制其修复的速度。Takahashi S, Murata N. How do environmental stresses accelerate photoinhibition? Trends in Plant Science, 2008, 13(4)CKT1T2T3Fv/Fm.80.81.82.83.84.85CKT1T2T3Fv/Fm.80.81.82.83.84.85CKT1T2T3Fv/Fm

19、.80.81.82.83.84.85CKT1T2T3Fv/Fm0.0.2.83 3 PSII使用中常见问题使用中常见问题A 测定数据错误测定数据错误B 测定结果重复性不好，标准差很大测定结果重复性不好，标准差很大PSII是光下实际光化学效率，是在光下测定。是光下实际光化学效率，是在光下测定。切忌在光强不稳定的培养箱，人工气候室内测定。切忌在光强不稳定的培养箱，人工气候室内测定。PSII必须在稳定的光强下测定，光强变，必须在稳定的光强下测定，光强变， PSII就变。就变。不同光强下测定的数据不能进行平行比较。不同光强下测定的数据不能进行平行比较。100100元元 花花8080元元 花钱效率花钱效

20、率 10001000元元 花花500500元元 花钱效率花钱效率 100 molm-2s-1 利用利用80 实际光化学效率实际光化学效率PSII 1000 molm-2s-1 利用利用500 实际光化学效率实际光化学效率PSII PSII4 4 颠倒因果关系，将荧光参数颠倒因果关系，将荧光参数PSII降低一律当做是光合降低的原因降低一律当做是光合降低的原因净光合速率Net photosynthetic rate(mol.m-2.s-1)气孔导度Stomatal conductance(mmol.m-2.s-1)对照（CK）NaCl处理（NaCl）12.3 31.5a1.5a7.67.60.4b

21、0.4b1459a9a90903b3b5 ETR5 ETR使用中的注意事项使用中的注意事项电子传递速率：电子传递速率：ETR= 1/2PFD PSII ：叶片的吸收系数：叶片的吸收系数 PFD ：光通量密度（光强）：光通量密度（光强）PSII：光系统：光系统II的实际光化学效率的实际光化学效率ETR= 1/2PFD PSII / 8 Pn (在相同光强下的比较在相同光强下的比较)nCOnCO2 2+nH+nH2 2O (CHO (CH2 2O)n+nOO)n+nO2 2 光光叶绿体叶绿体CO2固定固定光呼吸光呼吸N代谢代谢S代谢代谢8e6 6 将荧光参数和产量挂钩将荧光参数和产量挂钩PSIIPnETR 光合速率并不一定与植光合速率并不一定与植物群体的产量成正比。作物群体的产量成正比。作物的经济产量取决于光合物的经济产量取决于光合性能的五个方面。性能的五个方面。A 光合速率光合速率B 光合时间光合时间C 光合面积光合面积D 光合产物的分配光合产物的分配E 光合产物的消耗光合产物的消耗7 NPQ7 N