叶绿素荧光在生理生态研究中的应用

1、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

2、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（in situ）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(Minimal fluorescence) ，也称初始荧光产量(Original fluorescence) 或基础荧光产量 。是对充分暗适应

3、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qP1，非光化学猝灭系数qNP0。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(Maximal fluorescence)， 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 (qP0，qNP0)。 F

4、m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

5、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？

6、 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

7、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,Jiang Chuang-Dao, Wang Xin, Gao Hui-Yuan, Shi Lei, Chow Wah Soon. (2011) Systemic regulation of leaf anatomical structtue, photosynthetic performance and high-light tolerance in sorghum seedli

8、ngs. Plant Phyisol., 155: 1416-1424 SCI (TOP10) Hao Hai-Ping, Jiang Chuang-Dao (通讯作者), Zhang Shou-Ren, Tang Yu-Dan, Shi Lei. (2011) Enhanced thermal-tolerance of photosystem II by elevating root zone temperature in Prunus mira koehne seedlings. Plant Soil, published online (DOI 10.1007/s11104-011-10

9、37-y) SCI Mao Shu-Yan, Jiang Chuang-Dao (通讯作者), Zhang Wen-Hao, Shi Lei, Zhang Jin-Zheng, Chow Wah-Soon, Yang Jing-Cheng. (2009) Water translocation between ramets of strawberry during soil drying and its effects on photosynthetic performance. Physiol. Plant.，137: 225-234 SCI Zhang Zhan-Jiang, Jiang

10、Chuang-Dao, Zhang Jin-Zheng, Zhang Hui-Jin, Shi Lei. (2009) Ecophysiological evaluation of the potential invasiveness of Rhus typhina in its non-native habitats. Tree Physiol., 29: 1307-1316 SCI (TOP10) Jiang Chuang-Dao, Jiang Gao-Ming, Wang Xianzhong, Li Ling-Hao, Biswas Dilip Kumar, Li Yong-Geng.

11、(2006) Increased Photosynthetic Activities and Thermostability of Photosystem II with Leaf Development of Elm Seedlings (Ulmus Punila) Probed by the Fast Fluorescence Rise OJIP. Environ. Exp. Bot.，58: 261-268 SCI Jiang Chuang-Dao, Gao Hui-Yuan, Zou Qi, Jiang Gao-Ming, Li Ling-Hao. (2006) Changes of

12、leaf orientation, photoprotective mechanisms and photosynthesis during development of soybean leaves. Environ. Exp. Bot., 55: 87-96 SCI,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：2010101209181)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：201010289782.7) 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：2010101321660)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：2010201365927)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