英语原文共 28 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

叶绿素荧光：体内光合作用的探针

尼尔·贝克

生物科学系，埃塞克斯大学，科尔切斯特，英国，CO4 3SQ；电子邮件：baken@essex.ac.uk

关键词 二氧化碳同化，电子传递，成像，代谢，光系统II，光化学，气孔

摘要

利用藻类和植物的叶绿素荧光合成光合作用的技术现已广泛存在。本文综合考察了多种荧光参数，以及如何用于评估光化学系统II（PSII），线性电子通量和体内CO2同化的变化，并概述了使用特定荧光参数的理论基础。虽然荧光参数可以很容易地测量，但许多潜在问题在应用于预测光合作用性能变化时可能会产生误差。特别是，考虑与精确估计由荧光测量的PSII操作效率及其与线性电子通量和二氧化碳同化速率的关系相关的问题。检测光化学和非光化学猝灭在确定PSII操作效率变化中的作用。最后，研究了荧光成像技术在光合作用异质性研究中的应用，以及在光合作用和相关代谢中扰动大量植物光谱的快速筛选方法。

目录简介

背景................... 90

黑暗适应状态.............. 91

光适应状态.............................. 95

光照系统II的关系操作效率， 线性电子通量和二氧化碳同化..... 96

因素决定光系统II的运行效率.... 98

光化学淬火........ 99

非光化学淬火.... 101

荧光成像.... .......... 104

引言

使用叶绿素a荧光测量来检测藻类和植物的光合作用表现和应激现在在生理和生理生理学研究中已经广泛存在。这是由于人们对荧光参数与光合电子传递效率之间的关系的理解，以及一系列负担得起，易于使用的便携式荧光仪的可用性。荧光技术可以用来研究光合作用的性能，特别是与吸收光谱，气体分析和红外热测量等其他非侵入性测量相结合时。本评价对一些关键的来自佛罗里达州荧光参数如何被用来评估在体内光合性能，并确定在光合作用和植物表现变化的可能原因;在植物生物学家谁寻求使用荧光作为他们研究的一种工具。然而，这是流体的潜在理论基础，在体内的变化是复杂的，正确的荧光参数变化的解释往往是困难的。考虑与参数的测量相关的主要问题和使用这些参数评估光合作用性能变化时所做的假设。

研究背景与技术

继考茨基＆赫希（55）的观察而改变由暗适应叶片与二氧化碳同化的变化定性地相关的照明引起的Fl荧光，很明显，在某些情况下在光合生物Fl荧光排放可以被关联到它们的光合率（54，56,77）.Butler（21）开发了一个简单的模型用于在PSII的颜料天线光化学与荧光和热害的过程相互作用能量的光系统II（PSII）光化学（图1）。该模型遵循以下建议：从反应中心PSII（P680）的叶绿素向PSII（QA）的初级醌受体的电子转移淬灭荧光（28），这一过程称为光化学淬灭。热损失速率的增加导致荧光的非光化学淬灭。该模型预测，PSII荧光发射可用于监测光化学变化，只要荧光和热损失的速率常数不变（21）。

然而，现在已经知道，大的变化会引起PSII天线热损失的持续损失（61,65）。因此，为了从荧光估计PSII光化学，它决定了光化学过程和非光化学过程产生的荧光猝灭。通过在完整的叶绿体和小球藻细胞中加入3-（3,4-二氯苯基）-1,1-二甲基脲（DCMU），在整个荧光诱导曲线上点（64,66），首先实现了光化学和非光化学成分的荧光顺序分离。 DCMU抑制电子从QA到PSII的次醌受体（QB）的转移，从而导致QA快速降低和荧光增加，因为防止了光化学淬灭。随后荧光增加缓慢，这与非光化学淬灭的衰减有关。不幸的是，这种DCMMU技术不适合用于分析叶片中的荧光淬灭，这是由于DCMU缓慢而不均匀地渗入叶组织。而且，DCMU抑制电子传递的不可逆性使得该技术不适合在单个叶片上进行连续测量。然而，通过迅速将叶子暴露在光照中非常大的增加（17），可以实现光照下叶片最大QA的减少。这种光添加技术用于定量测定荧光淬灭的比例，这是荧光化学非光化学淬火过程的归因（18）。使用相位和频率解码来检测荧光产量变化的弱调制测量光束的光度计的发展使得通过使用足够短的（小于1s）饱和的光的饱和闪光对树叶中的光化学过程和非光化学过程进行常规的，非破坏性的，定量的测定（26,102 （101）。这项技术被用来证明在给定的光化光强度下，叶片的PSII光化学的量子效率可以从施加饱和光前的调制荧光产量和荧光寿命期间的最大调制荧光量来看[37]。在没有光呼吸的情况下，与电子传输产物同化的光呼吸相比，PSII光化学的量子产率直接与叶的CO 2同化量phi;phi;（37）直接相关，因此在某些条件下允许应用荧光测量提供快速无损 探索二氧化碳同化。 表1列出了所用荧光参数列表，它们的定义，以及它们与生理相关性的关系

图1

光系统II（PSII）吸收的光能可能命运的简单模型。 由与PSII相关的叶绿素吸收的光能可用于驱动光化学，其中电子（e-）从反应中心叶绿素P680转移至PSII的主醌受体QA。 或者，吸收的光能可以从PSII中丢失为叶绿素荧光或热量。 光化学过程，叶绿素荧光和热量损失直接激发能量竞争。 如果一个过程的比率增加，另外两个比率的比率就会下降。

表1经常用于光系统II光化学研究的叶绿素荧光参数

适应黑暗的状态

光合系统II光化学暗适应状态当叶片在黑暗中保存时，QA变为最大氧化状态，PSII反应中心称为“开放”，即能够进行QA的光化学还原。曝光适应性的叶片以减弱调制测量光束[光合有效光子通量密度（PPFD） 。 0.1mu;molm-2s-1]的最小荧光水平Fo（图2）。测量光束的强度必须是不确定的，以确保QA保持最大程度的氧化。如果用于暗适应的时间不够，QA可能不会被最大程度地氧化。然后，应在测量之前应用弱远红光脉冲，其优先激发光系统I（PSI）并从QA中去除电子的Fo。在一些叶片（32）和藻类（10）中，由于通过氯素呼吸使质体醌无光化学还原，在黑暗中可发生显着的QA降低;在测量Fo之前，还原质体醌必须由弱红光脉冲再氧化。如果达到Fo之后叶片现在暴露于高PPFD的短光化脉冲（通常小于1 s，几千mu;molm-2 s-1），则QA将最大程度地降低，观察到最大荧光水平Fm （图1）。具有减少的QA的PSII反应中心被称为“关闭”。 Fm和Fo之间的差别被定义为可变荧光Fv。 Fv / Fm的比率可以用来估计Butler的简单模型（21）中QA还原的最大量子产率，即PSII光化学。从叶，F，在Fl荧光发射是由单位叶面积分数PSII.phi;F，其中I是入射PPFD叶上定义德音响，单位叶面积入射PPFD的由该叶子吸收的比例，PSII是吸收的分数由PSII和phi;F接收的PPFD是荧光量子产率。 phi;F是通过KF /（KF 的kH KPP），其中KF，KH，和Kp是速率常数为激发的衰减定义德音PSII中的能量由荧光，热量损失和光化学，分别和PSII反应中心的组成部分开放。在Fo和PSII反应中心最大限度地开放，P = 1，并且荧光量子产额phi;Fo由kF /（kF kH kP）给出。在Fm处，PSII反应中心最大限度地闭合，P = 0，并且光化学不可能发生，因此kPP = 0，并且荧光量子场phi;Fm由kF /（kF kH）给出。因此，phi;Fv/phi;Fm由下式给出（phi;Fm - phi;Fo）/phi;Fm= KP /（KF 的kH KP），这表明该比例估计所述PSII光化学的最大量子态。假设I，单位叶面积和分数PSII是常数，用于测量Fo和Fm，然后的Fv / FM可用于估计PSII光化学的最大量子产率。这个简单的模型需要一些其他的假设，不需要对所有情况进行校正（15）。例如，Fo和Fm的荧光假设是从同源系统发射的，其中叶绿素的激发态是相同的。很显然，情况并非如此;因此，Fv / Fm不应被视为提供PSII光化学量子产率的严格定量值（15）。然而，Fv / Fm提供了PSII一级光化学最大量子效率的所有相关测量值;非叶片Fv / Fm值在ca. 0.83（14）。

当植物在光照下遭受非生物和生物胁迫时，经常观察到Fv / Fm的降低。这是一个普遍的现象，Fv / Fm测量提供了一种监测压力的简单而快速的方法。不幸的是，压力引起的Fv / Fm减少的原因通常很复杂。强调光照下的光合组织会导致非光化学淬灭过程的增加，从而降低Fm。在短时间的暗适应期间，甚至一夜之间，并可能导致结果测量失败，而且这种猝灭可能不会恢复。然而，确定这种减少的内在原因常常是困难的。在非光化学淬灭中，增加非光化学淬灭常常伴随着PSII反应中心的光灭活，然后将激发能量消散为热量而不是光化学[79]。光失活可导致氧化损伤和PSII反应中心的损失（4），这两者都与Fo增加有关（19,90）。然而，当试图解释Fm的减少或Fo增加的意义时，必须小心谨慎。这些荧光水平由PSII的物理化学性质和叶子的光学性质决定。不幸的是，在许多胁迫处理过程中，尤其是当叶片水分状况发生变化时，叶片的光学特性可能发生显着变化并改变单位叶面积。由于改变了类囊体膜的结构和组织，可能导致psII部分的变化。这种修改会导致Fo和Fm的变化，这与phi;Fo和phi;Fm的变化无关。在这种情况下，Fo和Fm的绝对变化不能用来确定PSII反应中心的损失或非光化学淬灭的增加。然而，当考虑荧光参数比例如Fv / Fm时，单位叶面积和分PSII的变化的影响被抵消，并且比率的变化表明两个参数的量子产率比例的变化;例如Fv / Fm由（I.单位叶面积.分PSII.phi;Fv）/（I.单位叶面积.分PSII.phi;Fm）=（phi;Fv/phi;Fm）定义。由于PSII光化学的光量子产额远低于观测到的Fv / Fm值，其估计PSII光化学的最大量子产率，而不是在PSII下操作的产率，因此Fv / Fm的胁迫诱导的减少意味着光合有效辐射的降低。环境光线（见下文）。 PSII光化学的最大量子产率仅在非常低的环境光水平下实现。

图2荧光猝灭分析使用调制荧光。

黑暗适应的叶子受到各种光照处理。用素数（）表示的参数来自暴露于光化性光线的叶子。没有素数的参数是在暗适应状态下从叶片获得的。痕迹的不同颜色表示不同的光线处理。白色：单独测量弱光（0.1mu;molphotons m-2 s-1），得到Fo。这个测量光束的一个重要特征是它的强度必须足够低，因此它不会产生非常重要的PSII光化学。黄色：饱和光脉冲（le;1周期，gt; 6000mu;mol光子m-2 s-1），使Fm在黑暗中和Fm在光明中。蓝色：光化光（685mu;mol光子m-2s-1），其驱动光合作用并产生Falpha;。红色：优先激发光系统I（PSI），并因此氧化与PSII相关的质体醌和QA池并产生Fo的远红光（30mu;mol光子m-2s-1在720-730nm下4s）。橙色：变化的荧光计算为Fv = Fm - 来自暗适应叶和Fv的Fo = Fm -F o从照明的叶子。绿色：从Fm熄灭的荧光到F通过在光照叶中的PSII光化学计算为Fq = Fm -F 。除Fq , Fv和Fv之外的所有参数都是从基线开始测量的。经过许可，转载自参考文献8。

适应光的状态

连续光化光下的叶片具有荧光水平，称为F2，其上升到最大荧光水平Fm2，当叶片显示出最大减少QA的光照时（图2）。在荧光参数之后使用的主要符号 F, 表示样品暴露于将驱动光合作用的光，即光化光。 Fm之间的区别和F被指定为Fq以及Fm淬火的结果通过PSII光化学。比率Fq/ Fm是在应用饱和光脉冲之前PSII光化学量子产率的理论比值（37）。 Genty和同事凭经验证实了这一理论来自质谱测量氧气释放（38）。对于曝露于光化学光线下的叶片，PSII光化学的量子产率与通过PSII反应中心的线性电子通量（LEF）的量子产率相当，以下称为PSII操作效率.Fq/ Fm提供快速确定PSII在不同光照和其他环境条件下操作效率的方法; FQ/ FM以前被称为F / Fm和文献中的phi;PSII。

Fq/ Fm的测量有许多潜在的误差来源，这在评估PSII操作效率的变化时可能很重要。这些误差来源在测量Fv / Fm时也可能是一个问题。Fq / Fm之间的关系如果PSI对荧光参数的测量有重要贡献，那么PSII光化学的量子产率就会受到影响（41,57,97）。当使用Fq/ Fm以确定PSII光化学的量子产率，假设荧光假设来源于PSII。虽然这对变化的荧光是正确的，但如果荧光检测波长在700nm以上（70,85），那么它就不适用于Fo。一般认为PSI对700 nm以下波长的荧光贡献可忽略不计。不幸的是，大多数商业仪器在700nm以上的波长测量了大量的荧光。在波长700nm以上的PSI对Fo的贡献估计为约。 C3和C4叶分别为30％和50％（41,97）。因此，Fq/ Fm将会发生，因此认为PSII的运行效率低于实际值。随着PPFD增加Fq / Fm减少（图3），但是PSI荧光场仍然合理恒定（25），尽管PSI贡献导致抑制Fq/ Fm因此导致低估PSII操作效率的误差成比例地增加。在700nm以下波长处的荧光测量通过显着减少PSI贡献信号来减少误差（41,97）。然而，测量这些较短的波长导致叶子上部区域的荧光贡献增加，因为发射的重吸收的可能性小于或等于较长波长700纳米以上的辐射（71）。

在Fq/ Fm的估计中可能会出现另一个错误， 通过使用诱导PSII反应中心多次失败的饱和光脉冲，使用大多数商业仪器。 这种饱和脉冲可能导致QA的不仅

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[22476]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word