光合作用基本过程与 叶绿素荧光原理

a maximum
terminal steady state
dip origin
quasi-steady state
PAM测量的荧光曲线——饱和脉冲法
叶绿素荧光参数
• Fv/Fm =(Fm-Fo)/Fm : PS II的最大光化学量子产量 • 高等植物一般在0.8－0.84之间 • 当植物或藻类受到胁迫（Stress）时，Fv/Fm显著下 降! • ΦPS II=(Fm’-Fs)/Fm’=ΔF/Fm’=qP·Fv’/Fm’ : PS II光化学能量转换的有效量子产量， PS II有效 光化学量子产量 • 不需暗适应，不需测定Fo’，适合野外调查
PAM荧光仪 与饱和脉冲法
PAM——Pulse-Amplitude-Modulation “脉冲－振幅－调制”
PAM结构示意图
测量光 饱和光
长波截止滤光 片λ＜670 nm 光导纤维
样品室
信号放大器
信号记录
检测器
短波截止滤光片 λ＞700 nm
光化光 远红光
饱和脉冲法
经验表明，只有PS II（不是PS I）的光化学与荧光发射呈竞争关系
同时记录荧光诱导曲线与光合放氧
光响应曲线
叶绿素荧光技术的优缺点
• 优点：
• • • •
• 缺点：
活体测定，对样品无干扰 • 有可能受非光合过程 的影响 迅速 • 参数多，不易理解 高灵敏度 操作简便
对叶绿素荧光进行解释时 要特别小心
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荧光产量与饱和脉冲法
• 任一状态下的荧光产量是将最大荧光（Fm）淬灭 （光化学、非光化学）的结果 • Fm是指在非光化学淬灭最小（qN＝0）的状态下 （通常指暗适应状态）的荧光 • PAM荧光仪允许测量所有生理状态下的荧光，包括 背景光很强时（调制技术） • 光化学淬灭可以被一种短饱和脉冲光（0.2－1 s）暂 时完全抑制，剩余的荧光淬灭就是非光化学淬灭
叶绿素荧光参数
• Fv’/Fm’=(Fm’-Fo’)/Fm’ =1-Fo’/Fm’： PS II光化学 的有效量子产量 • 由于在光适应状态下非光化学过程得到活化，因此 Fv’/Fm’往往小于Fv/Fm • rETR =PAR·ΔF/Fm’·0.84·0.5 : 相对电子传递速率 • rETR随PAR的变化图即为光响应曲线
叶绿素荧光原理
► 叶子之所以呈绿色是因为它吸收红光和蓝 光， 而反射绿光的缘故 ► 入射到叶片表面的光，经过反射、散射和透 射，约有84％被吸收利用
叶绿素荧光的产生
较高激发态
热
最低激发态
蓝 光 红 光 热 荧 光 光 合 作 用
基态
叶绿素荧光：植物吸收的一小部分光重新以光的形式发射出来
活体叶绿素荧光是光合作用的有效探针
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ML Fo
LHC
SP
ML Fm
LHC
光化学
RC
光合 作用
光化学
RC
光合 作用
打断！ 1 2 wenku.baidu.com 4 SP AL 热 ML Fm’
LHC
热 AL ML F
LHC
光化学
RC
光合 作用 RC
光化学 打断！ 热
光合 作用
热
叶绿素荧光诱导动力学曲线
peak
inflection(inter mediate) peak
叶绿素荧光参数
• qP=(Fm’-Fs)/Fv’=1-(Fs-Fo’)/(Fm’-Fo’) :光化学淬灭 • 即由光合作用引起的荧光淬灭，反映了光合活性的高低
• 非光化学淬灭
• qN=(Fv-Fv’)/Fv=1-(Fm’-Fo’)/(Fm-Fo) • NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’=Fm/Fm’-1 ，不需测定Fo’，适合野外 调查 • qN或NPQ反映了植物耗散过剩光能为热的能力，反映了植 物的光保护能力
快速光曲线
(即rETR随PAR的变化图)
rETR
PAR 红树植物秋茄在清晨 07:00点的快速光曲 线
橡树Quercus rubra（○）、 Q. virginiana （●）和Q. michauxii （▲）中rETR 与CO2固定的关系
Calvin循环可以通过荧光淬灭来分析
热胁对Calvin循环的影响可以通过荧 光淬灭反映出来
光合作用基本过程与 叶绿素荧光原理
韩 志 国
光系统与光合作用 基本过程
光合作用作为地球上最重要的化学反应，主 要在绿色植物叶肉细胞的叶绿体内进行
光合作用过程
光反应
暗反应
光合膜的结构与光反应
PS II
Cytb6/f
PS I
ATPase
光合电子传递的”Z图”
CO2固定过程—Calvin循环
CO2
短饱和脉冲光 PS II反应中心被暂时完全关闭
光化学淬灭全部被抑制
剩余的荧光淬灭即为非光化学淬灭
• E=P + D + F = 1 （能量守恒定律） • 打开饱和脉冲时：P=0, F=Fm, D=Dm, Dm=1－Fm • 假设在打开饱和脉冲的短暂时间内，D/F的比值保持 不变，则 D/F=Dm/Fm D=F • Dm/Fm=F • (1－Fm)/Fm 因此，PS II的量子产量P可根据下式计算： P=1－F－D =1－F－F • (1－Fm)/Fm =(Fm－F)/Fm =ΔF/Fm
暗适应：Fv/Fm —— 最大量子产量 光适应：ΔF/Fm’ —— 实际量子产量
光化学能量转换引起的荧光淬灭通常称为光 化学淬灭（Photochemical Quenching） 耗散性的荧光淬灭通常称为非光化学淬灭 (Non-Photochemical Quenching)，也称非辐 射能量耗散，也就是指热耗散 非光化学淬灭是过剩光能（有害）耗散为热 （无害）的有效探针
叶绿体
5000 μE/m²s
乙醇提取物
100 μE/m²s 0.1 μE/m²s
(D)
(F)
(P)
P+D+F=1
F = 1- P - D
光化学的 和 耗散性的 荧光 淬灭
• 活体状态下，叶绿素荧光几乎全部来源于PS II的Chl a（包括天线Chl a），活体叶绿素荧光提供的快速信 息仅仅反映了PS II对激发能的利用和耗散情况 • 光合作用过程的各个步骤密切偶联，因此任何一步 的变化都会影响到PS II从而引起荧光变化，也就是 说通过叶绿素荧光几乎可以探测所有光合作用过程 的变化