叶绿素荧光动力学理论及其在逆境生理生态学研究中的应用

1、一叶绿素荧光动力学技术及其在植物逆境生理研究中的应用闫建美201311747 植物吸收的阳光（光量子）都被其用于光合作用了吗？如果不是，又是如何利用的呢？ 叶绿素荧光是如何产生的呢？ 叶绿素荧光与光合作用有什么样的联系呢？ 叶绿素荧光技术是如何应用于植物逆境生理研究的呢？ 叶绿素荧光的研究历史u1834年 Brewster首次发现并记录了叶绿素的荧光现象和它的重吸收u1852年Stokes提出了Stokes移动定律 即物质的荧光发射带比它的吸收带向长波方向移动并创造了fluorescence 英文新词u1874年 Muller用一套合适的有色玻璃片组合裸眼发现了绿叶的叶绿素荧光u 1932年

2、Kautsky 使用光敏感设备和信号记录仪后 使荧光和吸收间的关系得到了系统准确的研究叶绿素荧光诱导被称为Kautsky 效应，并建立了荧光动力学u1986年 Schreiber发明了新型的快速检测荧光诱导动力学的PAM 仪 器u.u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 叶绿素荧光形成原理u叶绿素分子吸收光能后，从基态(G)跃迁至对应的激发态（S1、S2、S3）u电子在高能级(S2、S3)并不稳定在几百飞秒(fs)内通过振动弛豫向周围环境辐射能量，跌回到低能级的第一激发态u荧光是在电子从S1态返回到基态的过程

3、中产生的u较低激发态的叶绿素分子可通过三种途径释放能量回到稳定的基态：重新放出一个光子，回到基态，即产生荧光。不放出光子，直接以热的形式耗散掉。将能量从叶绿素分子传递给电子受体进行光化学反应。u以上这三个过程相互竞争，具有最大速率的过程处于支配地位。对于许多色素分子来说，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，叶绿素吸收的光能大部分是用来进行光化学反应的，荧光只占很小的一部分。 叶绿素荧光诱导动力学u指经过暗适应的绿色植物材料当转到光下时, 其体内Chl 荧光强度会有规律的随时间变化。产生的荧光信号绝大部分是来自LHCII中的Chl。u荧光诱导曲线(右图

4、)划分为：O(原点)I(偏转)D(小坑)或PL(台阶)P(最高峰)S(半稳态)M(次峰)T(终点)这几个相(phase)。uOP相为荧光快速上升阶段(12s)，从PT为荧光慢速下降(淬灭)阶段(可持续几分钟)，在此阶段，有时没有M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M峰消失。 叶绿素荧光诱导动力学曲线 叶绿素荧光淬灭u指荧光产量下降的现象。指荧光产量下降的现象。u光化学淬灭（光化学淬灭（PQ/qP）：经过短暂的照光，达到）：经过短暂的照光，达到P 峰后，峰后，PSI 开始运转，开始运转，而将而将PSII还原侧还原态的电子受体还原侧还原态的电子受体

5、QA-QB-PQH2等氧化从而引起荧光强等氧化从而引起荧光强度的淬灭。与光合电子传递和放氧有关。以度的淬灭。与光合电子传递和放氧有关。以qP=(Fm-Fs)/(Fm-F0)表表示，反映示，反映PSII天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额。天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额。qP愈大，愈大，PSII的电子传递活性越大。的电子传递活性越大。u非光化学淬灭非光化学淬灭(NPQ/qN)：反映：反映PSII天线色素吸收的光能不能用于光合天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分。表示：电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分。表示：NPQ=Fm/Fm-1或或qN=1-(

6、Fm-Fs)/(Fm-F0)=1-Fv/Fv。有。有3个来源：个来源： 1. qE：随着光化学淬灭的增加，在光合膜的两侧逐渐建立起质子梯度：随着光化学淬灭的增加，在光合膜的两侧逐渐建立起质子梯度和形成膜高能态，造成的荧光淬灭。和形成膜高能态，造成的荧光淬灭。 2. qT：状态间的转化导致分配给：状态间的转化导致分配给PSII的激发能的比例降低的激发能的比例降低 3. qI：与光合作用的光抑制有关的淬灭：与光合作用的光抑制有关的淬灭 调制式叶绿素荧光动力学 ML ML +AL -AL+FR1待测样品暗适应，打开弱调制光，测得最小荧光值Fo2打开饱和脉冲，测得最大荧光值Fm3荧光淬灭导致荧光下降达

7、到稳态时的值称为稳态荧光(Fs)4打开活化光源，引起荧光强度的光化学淬灭(qN)5每隔一个间隔，重复一次饱和闪光照射，测量光照下的最大荧光Fm6闪光后，关掉活化光，同时给一个瞬时的远红外光线照射，可以测量Fo常用叶绿素荧光参数u Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm：PS的最大量子产量，反应了植物的潜在最大光合能力（光合效率）。叶片暗适应1530min 后测得。高等植物一般在0.8-0.84之间。u Fv/Fo:常用于度量PS的潜在活性.u Fv/Fm：PS有效光化学量子产量,反映开放的PS反应中心原初光能捕获效率，叶片不经过暗适应在光下直接测得。u Yield(Y):(Fm-F)/Fm或F/Fm,PS实际光化学量子产量,反映PS反应中心在有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率，叶片不经过暗适应在光下直接测得。u ETR:表观光合电子传递速率,以(Fm-F)/FmxPFD表示,也可写成:F/FmxPFDx0.5x0.84,其中系数0.5是因为一个电子传递需要吸收2个量子，0.84表示在入射的光量子中被吸收的占84%,PFD是光子通量密度叶绿素荧光动力学在植物逆境研究中的应用u逆境胁迫直接引发光合机构的损伤，也影响光合电子传递及与暗反应有关的酶活性。u利用叶绿素荧光动力学方法可以快速、灵敏、无损伤探测逆境对植物光合作用的影响。u逆境胁迫的轻重与Fv/Fo、