叶绿素荧光原理及理论

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第二部分：脉冲调制荧光参数测定原理及意义
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一：叶绿素荧光的五个基本参数
FO； FM； FS； FM’； FO’
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FO ：最小荧光（或基础荧光等）；充分暗适应的光合机构全部 PS
● ФPSII（ Ф II）+ ФNPQ + Ф NO = 1 ФPSII：实际光化学效率
（光化学量子产额）
ФNPQ：包括天线耗散和反应
中心的失活
ФNO：非光诱导的淬灭
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● 表示光合电子传递去向的荧光参数：
Je(PSII) =0.5 × α× ФPSⅡ × PFD；单位时间内通过PSII的全部电子流
1 荧光参数在文献中常见的出现形式
Sakamoto W, Takahashi Y. The Plant Cell, 2003(15), 2843-2855
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●：33% ○：78% ▼：100%
图示：不同展开程度的大豆叶片荧光参数Fv/Fm的日变化
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Jiang CD et al. EEB 2006
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5 盐击过程中电子传递过程的研究
盐击
21% O2
▲: 净光合速率 ■: PSII实际光
化学效率
2% O2
盐击
盐击过程中光合速率（Pn， ▲）和PSII光量子效率（ΦPSII，■）的变化
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◆ ：21% O2 ■ ：2％ O2
A: 气孔导度（Gs） B：光化学猝灭系数（qP） C：光能捕获效率（Fv’/Fm’） D: 非光化学猝灭系数（NPQ）
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F v /F m
.8 5
.8 4
.8 3
.8 2
.8 1
.8 0
CK
T1
T2
T3
F v /F m
.8 5
.8 4
.8 3
.8 2
.8 1
.8 0
CK
T1
T2
T3
F v /F m
.8 5
.8 .8 4
F v /F m
.8 3
.2 .8 2
.8 1
.8 0
CK
T1
T2
T3
0 .0
CK
Dong H , Wan JM, etc, Plant Physiol. 2013 162: 1867-1880
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2 Fv/Fm 的应用
Shahbazi M, Kuntz M. Plant Physiology, 2007(145), 691-702
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2.1 Fv/Fm 常用来表示光系统II（PSII）的活性
瞬时荧光
脉冲调制式荧光 连续激发式荧光
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二 叶绿素荧光仪的分类：
基于脉冲调制式荧光理论的荧光仪： 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： 植物效率分析仪；多功能植物效率分析仪
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三 脉冲调制式荧光仪：
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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 Ja (21% O2)-Ja (2% O2)；用于Mehler反应的电子流
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第三部分：荧光数据在光合研究中的应用
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FM’：光下最大荧光；光适应状态下全部PSII中心都关闭时的荧光
强度 。
FS（FS’）：稳态荧光；稳定光强下，全部PSII反应中心开发关
闭处于平衡状态下的荧光。
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二：表示PSII光化学效率的荧光参数
FV/FM； ФPSⅡ ； ETR（或 J）； FV’/FM’;
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α = 4 ×(A+Rd)/(PFD × φPSII)
Je(PCR) = 4 (A+Rd)/(1-pO2/(2 ×Sr × CC)) ; 用于碳同化的电子流
Je(PCO) = 4 (Vc ×pO2)/(Sr ×CC) ; 用于光呼吸的电子流 Ja = Je(PSII) - Je(PCR) - Je(PCO); 用于PCR和PCO以外途径的电子流
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100元 1000元
ФPSII
花80元 花500元
花钱效率0.8 花钱效率0.5
100 μmol·m-2·s-1 利用80 实际光化学效率ФPSII 0.8 1000 μmol·m-2·s-1 利用500 实际光化学效率ФPSII 0.5
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4 颠倒因果关系，将荧光参数ФPSII降低一律当做是光合降低的原因
PFD ： 光通量密度，单位(μmol·m-2·s-1), α： 叶片吸光系数，一般为0.84
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三：荧光淬灭参数
qP; qNP; NPQ
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qP : 光化学淬灭系数，反 映总PSⅡ的反应中心开放反应中心
所占的比例。1-qP则表示关闭反应中心所占的比例。
qP = (FM’-FS)/(FM’-FO’)
qNP : 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。
NPQ = FM/ FM’ - 1
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四：其他荧光参数
● 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）
qT：与状态转换相关的荧光淬灭（捕光色素复合体与PSII分离） qI： 与光抑制相关的荧光淬叶绿灭素（荧由光于原理产及生理光论抑制引起的荧光淬灭）
Sakamoto W, Takahashi Y. The Plant Cell, 2003(15), 2843-2855
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Wingler A, Delatte TL, etc, Plant Physiol. 2012 158: 1241-1251.
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2.2 Fv/Fm 常用来研究光抑制的程度
T e m p e ra tu re (oC )
○，对照；
●，200 mmol/L NaCl
Fv' / Fm'
NPQ
对照叶片和盐胁迫叶片光化学猝灭系数（qP）、PSII光能捕获效 （Fv’/Fm’）、PSII实际光化学效率(ФPSII，)、非光化学猝灭(NPQ，D)对温 度的响应。
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II 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 PS II 中心都关闭时
的荧光强度 。
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FO’：光下最小荧光；光适应状态下全部PSII中心都开放时的荧光
强度 。
中度高温、低温、盐胁迫后Fv/Fm没有明显变化
说明逆
境没有影响PSII的活性。
？？？
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单一的高温、低温、盐胁迫等逆境不一定会对PSII产生 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+光才会导致Fv/Fm的明显降 低。 Fv/Fm常被作为光抑制的指标
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6 叶绿素荧光的启动过程
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荧光使用过程中的常见问题举例
1 不了解各基本参数的测定条件
暗适应后测定的参数： Fo；Fm （计算出来的Fv；Fv/Fm） 光适应下测定的参数： Fo’；Fm’；Fs （计算出来的ФPSII；Fv’/Fm’；qP；NPQ；ETR等）
近来的研究表明，环境胁迫对PSII的伤害取决PSII蛋白复 合体于破坏和修复的速度，逆境并不加速PSII蛋白的破坏而 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)
.9
(A ) .8
.7
(C )
.6
.5 .7
.4
.6 .3
.5
Байду номын сангаас
.2
.4
.1
.8 (B ) .7 .6 .5 .4 .3 .2
27 30 33 36 39 42 45 48
4 .0 (D )
3 .5 3 .0 2 .5 2 .0 1 .5 1 .0 .5 0 .0 27 30 33 36 39 42 45 48
21% O2 (◆)和2％ O2 (■) 条件下，盐击过程中气孔导 度、光化学猝灭系数、PSII 反应中心光能捕获效率和非 光化学猝灭的变化
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◇：通过PSII的 电子流(Jf) □：光合以及光 呼吸消耗的电子 流(Jg) ▲：Mehler反应 消耗的电子流(Ja）
盐击过程中21% O2通过PSII的电子流(Jf, ◇)、光合以及光呼吸消耗的电 子流(Jg, □)、Mehler反应消耗的电子流(Ja, ▲)的变化
T1
T2
T3
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3 ФPSII使用中常见问题
A 测定数据错误 ФPSII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。 B 测定结果重复性不好，标准差很大 ФPSII必须在稳定的光强下测定，光强变， ФPSII就变。 不同光强下测定的数据不能进行平行比较。
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2 参数Fv/Fm使用中常见问题
Fv/Fm: 在非胁迫条件下，Fv/Fm的值很稳定，据Bjorkman & Demmig对大量植物的测定，其平均值为0.832±0.004，但 在逆境条件下，Fv/Fm显著降低，因此，Fv/Fm常作为发生 光抑制或者PSII受到伤害的指标。
Fv/Fm: PSII 的最大光化学效率。
FV/FM: 暗适应下PSII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 。
FV/FM= (FM-FO)/FM
FV：最大可变荧光； FV= FM-FO
FV/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。
示NaCl处理增加叶片的抗高温能力
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 nonphotochemical 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.
第一部分：叶绿素荧光仪的原理 第二部分：脉冲调制荧光参数测定原理及意义 第三部分：荧光数据在光合研究中的应用
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第一部分：叶绿素荧光仪的原理
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一 叶绿素荧光的分类：
瞬时荧光(PF)
按照荧光发生的时间分类：
延迟荧光(DF)
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按照荧光测定方式分类：
●：33% ○：78% ▼：100%
图示：不同展开程度的大豆叶片荧光参数Fv/Fm的日变化
Jiang CD et al. EEB 2006
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3 Fo常用来研究高温对光合机构的危害
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4 用叶绿素荧光反映胁迫条件下受伤害的程度
qP
P S I I
净光合速率 Net photosynthetic rate (μmolCO 2·
m-2·s-1)
PSII实际光化学效率 (Actual PSII efficiency)
15.0
12.0 9.0
6.0 3.0
0.0 0
FV’/FM’: 开放的PSII反应中心的激发能捕获效率，也称为最大天线
转化效率 。
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ФPSⅡ : PSⅡ实际光化学效率，反 映在照光下PSⅡ反应中心部
分关闭的情况下的实际光化学效率。(△F/Fm’)
ФPSⅡ = (FM’-FS)/FM’
ETR : 电子传递速率（一般指通过光系统的非环式电子传递）。 ETR = ФPSⅡ× PFD ×0.5 ×α