葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線和快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的異同
早在1931年Kautsky和Hirsh就認(rèn)識(shí)到光合原初反應(yīng)和葉綠素?zé)晒庵g有著密切的關(guān)系。他們次報(bào)告了經(jīng)過(guò)暗適應(yīng)的光合材料照光后，葉綠素?zé)晒庀妊杆偕仙揭粋€(gè)值，然后逐漸下降，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。此后，隨著研究的深入，人們逐步認(rèn)識(shí)到熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線中蘊(yùn)藏著豐富的信息。
葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線：
圖1用脈沖調(diào)制式熒光儀測(cè)定熒光參數(shù)的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線
(注：引自許大全著《光合作用效率》2002)
典型的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線是圖1作用光后邊到次飽和脈沖光之前的曲線部分，圖1的整條曲線是為了計(jì)算所有熒光參數(shù)，通過(guò)在不同時(shí)間開(kāi)啟飽和脈沖光來(lái)關(guān)閉反應(yīng)中心獲得特殊的熒光參數(shù)。從葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線我們主要來(lái)獲得原初光化學(xué)反應(yīng)，以及光合啟動(dòng)后實(shí)際光化學(xué)效率、光能的吸收利用等。
脈沖調(diào)制式熒光儀，無(wú)論商家吹噓可以測(cè)定多少熒光參數(shù)，而實(shí)際上重要的就是圖1中測(cè)定的5個(gè)基本參數(shù)，其他一切參數(shù)都是根據(jù)這五個(gè)基本參數(shù)計(jì)算出來(lái)的。充分暗適應(yīng)的葉片，在很弱的檢測(cè)光下，測(cè)定得到小熒光FO，這時(shí)所有反應(yīng)中心處于開(kāi)放狀態(tài);接著開(kāi)啟飽和脈沖光(0.7s)測(cè)得熒光Fm，此時(shí)所有反應(yīng)中心處于關(guān)閉狀態(tài);等待幾秒鐘，開(kāi)啟作用光，此時(shí)熒光上升，然后隨著光合作用的啟動(dòng)，熒光逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)，熒光達(dá)到穩(wěn)態(tài)后測(cè)定的穩(wěn)態(tài)熒光Fs;熒光達(dá)到穩(wěn)態(tài)后開(kāi)啟飽和脈沖光測(cè)得光下熒光Fm’;接著作用光關(guān)閉，同時(shí)開(kāi)啟遠(yuǎn)紅光測(cè)得熒光參數(shù)Fo’。用這五個(gè)基本參數(shù)計(jì)算我們?cè)谖墨I(xiàn)上見(jiàn)到的脈沖調(diào)制式熒光儀測(cè)定的參數(shù)，計(jì)算公式如下：
暗適應(yīng)下PSⅡ的量子產(chǎn)額[FV/FM=(FM-FO)/FM];
光適應(yīng)下PSⅡ的量子產(chǎn)額[FV’/FM’= (FM’-FO’)/FM’];
光適應(yīng)下的PSⅡ反應(yīng)中心開(kāi)放的比例[qP=(FM’-FS)/( FM’-FO’)];
光適應(yīng)下PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)效率[ΦPSII=(FM’-FS)/FM’](Genty等 1989);
光適應(yīng)下的非光化學(xué)猝滅[NPQ=FM/FM’-1](Demmig-Adams和Adams 1996)等
其他可以見(jiàn)到的參數(shù)也是根據(jù)這五個(gè)基本參數(shù)計(jì)算出來(lái)。
快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線：
圖2用連續(xù)激發(fā)式熒光儀測(cè)定的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(圖A: 時(shí)間坐標(biāo)為線性形式;圖B: 時(shí)間坐標(biāo)為對(duì)數(shù)形式)
(注：引自李鵬民等文章“快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)分析在光合作用研究中的應(yīng)用”)
圖2是典型的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線，又稱O-J-I-P曲線，測(cè)定該曲線，要求儀器的分辨率非常高，每秒記錄10萬(wàn)次以上。為了更好的從曲線上獲得信息，我們通常把時(shí)間坐標(biāo)改為對(duì)數(shù)形式(圖2B)。目前只有英國(guó)Hanshatech公司的Handy PEA植物效率分析儀，可以測(cè)定完整的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線。
從快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線上，我們可以得到五十多個(gè)熒光參數(shù)，通過(guò)對(duì)曲線上參數(shù)的分析我們可以了解PSII的原初光化學(xué)反應(yīng)及PSII的結(jié)構(gòu)和功能的變化。主要應(yīng)用在逆境生理、遺傳育種(Maldonado-Rodriguez等2003)、病蟲(chóng)害防治(Bueno等2004)及污染檢測(cè)(Appenroth等2001, Hermans等2003)等。我們有理由相信，隨著該理論的進(jìn)一步發(fā)展，快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)將會(huì)在更多研究領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。
表1JIP-測(cè)定所用的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(O-J-I-P)的參數(shù)(Table 1Formulae and glossary of terms used in the JIP-test in the analysis of the O-J-I-P fluorescence transient)
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從OJIP快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線上直接獲得的參數(shù) |
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Ft |
暗適應(yīng)后照光t時(shí)間時(shí)的熒光強(qiáng)度 |
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F50μs或F20μs |
用PEA在暗適應(yīng)后照光50μs時(shí)或用Handy-PEA在暗適應(yīng)后照光20μs時(shí)測(cè)定的熒光強(qiáng)度 |
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F100μs |
在暗適應(yīng)后照光100μs時(shí)的熒光強(qiáng)度 |
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F300μs |
在暗適應(yīng)后照光300μs時(shí)的熒光強(qiáng)度 |
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FJ≡F2ms |
在O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線（圖1B）J點(diǎn)處（2ms）的熒光強(qiáng)度 |
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FI≡F30ms |
在O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線（圖1B）I點(diǎn)處（30ms）的熒光強(qiáng)度 |
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FP |
在O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線（圖1B）的熒光處（P點(diǎn)）的熒光強(qiáng)度 |
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tFM |
從暗適應(yīng)后照光到到達(dá)熒光所需時(shí)間 |
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Area |
O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線（圖1B）、熒光強(qiáng)度F=FM及y軸之間的面積 |
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從直接獲得參數(shù)導(dǎo)出的其它參數(shù) |
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FO≌F50μs或≌F20μs |
當(dāng)所有反應(yīng)中心完全開(kāi)放時(shí)的熒光，即暗適應(yīng)后的小熒光強(qiáng)度 |
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FM= FP |
當(dāng)所有反應(yīng)中心完全關(guān)閉時(shí)的熒光，即暗適應(yīng)后的熒光強(qiáng)度 |
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FV≡Ft- FO |
在t時(shí)的可變熒光強(qiáng)度 |
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Vt≡(Ft- FO)/( FM- FO) |
在t時(shí)的相對(duì)可變熒光強(qiáng)度 |
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VJ≡(FJ- FO)/( FM- FO) |
在J點(diǎn)的相對(duì)可變熒光強(qiáng)度 |
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MO≡4(F300μs- FO)/( FM- FO) |
O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線（圖1B）的初始斜率 |
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Sm≡(Area)/( FM- FO) |
標(biāo)準(zhǔn)化后的O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線（圖1B）、熒光強(qiáng)度F=FM及y軸之間的面積 |
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SS= VJ/MO |
用O-J相標(biāo)準(zhǔn)化的熒光上升互補(bǔ)面積 |
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N≡Sm/ SS= Sm•MO•(1/ VJ) |
從開(kāi)始照光到到達(dá)FM的時(shí)間段內(nèi)QA被還原的次數(shù) |
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比活性參數(shù)（QA處在可還原態(tài)時(shí)，單位PSⅡ反應(yīng)中心的活性） |
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ABS/RC= MO•(1/ VJ)•(1/φPo) |
單位反應(yīng)中心吸收的光能 |
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TRO/RC= MO•(1/ VJ) |
單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量（在t＝0時(shí)） |
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ETO/RC= MO•(1/ VJ)•ψO |
單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量（在t＝0時(shí)） |
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DIO/RC= (ABS/RC)- (TRO/RC) |
單位反應(yīng)中心耗散掉的能量（在t＝0時(shí)） |
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量子產(chǎn)額或能量分配比率 |
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φPo≡TRO/ABS= [ 1-(FO/FM)] |
光化學(xué)效率（在t＝0時(shí)） |
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ψO≡ETO/TRO= (1-VJ) |
反應(yīng)中心捕獲的激子中用來(lái)推動(dòng)電子傳遞到電子傳遞鏈中超過(guò)QA的其它電子受體的激子占用來(lái)推動(dòng)QA還原激子的比率（在t＝0時(shí)） |
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φEo≡ETO/ABS= [1-(FO/FM)]•ψO |
用于電子傳遞的量子產(chǎn)額（在t＝0時(shí)） |
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φDo≡1-φPo= (FO/FM) |
用于熱耗散的量子比率（在t＝0時(shí)） |
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比活性參數(shù)（照光材料單位橫截面積的活性） |
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ABS/CSO≈FO |
單位面積吸收的光能（在t＝0時(shí)） |
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ABS/CSM≈FM |
單位面積吸收的光能（在t＝tFM時(shí)） |
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TRO/CSO= φPo•(ABS/CSO) TRO/CSM= φPo•(ABS/CSM) |
單位面積捕獲的光能（在t＝0時(shí)） 單位面積捕獲的光能（在t＝tFM時(shí)） |
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ETO/CSO= φEo•(ABS/CSO) ETO/CSM= φEo•(ABS/CSM) |
單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額（在t＝0時(shí)） 單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額（在t＝tFM時(shí)） |
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DIO/CSO= (ABS/CSO) - (TRO/CSO) DIO/CSM= (ABS/CSM) - (TRO/CSM) |
單位面積的熱耗散（在t＝0時(shí)） 單位面積的熱耗散（在t＝tFM時(shí)） |
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反應(yīng)中心的密度 |
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RC/CSO= φPo•(VJ/MO)•(ABS/CSO) RC/CSM= φPo•(VJ/MO)•(ABS/CSM) |
單位面積內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量（在t＝0時(shí)） 單位面積內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量（在t＝tFM時(shí)） |
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性能指數(shù) |
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PIABS≡(RC/ABS)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)] |
以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù) |
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PICS≡(RC/CSO)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)] PICS≡(RC/CSM)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)] |
以單位面積為基礎(chǔ)的性能指數(shù)（在t＝0時(shí)） 以單位面積為基礎(chǔ)的性能指數(shù)（在t＝tFM時(shí)） |
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推動(dòng)力（性能指數(shù)的對(duì)數(shù)） |
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DFABS≡log(PIABS) |
以吸收光能為基礎(chǔ)的推動(dòng)力 |
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DFCS≡log(PICS) |
以單位材料面積為基礎(chǔ)的推動(dòng)力 |
參考文獻(xiàn)：
Appenroth KJ, Stöckel J, Srivastava A, Strasser RJ (2001).Multiple effects of chromate on the photosynthetic apparatus ofSpirodela polyrhizaas probed by OJIP chlorophyll a fluorescence measurements.Environ Pollut,115:49-64
Bueno M, Fillat MF, Strasser RJ, Maldonado-Rodriguez R, Marina N, Smienk H, Gómez-Moreno C, Barja F (2004).Effects of lindane on the photosynthetic apparatus of the cyanobacteriumAnabaena.Environ Sci Pollut Res,11:98-106
Maldonado-Rodriguez R, Pavlov S, Gonzalez A, Oukarroum A, Strasser RJ (2003). Can machines recognise stress in plants?Environ Chem Lett,1: 201-205
Genty B, Briantais JM, Baker NR (1989). The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence.Biochim Biophys Acta,990:87-92
Demmig-Adams B, Adams WWIII (1996). Xanthophyll cycle and light stress in nature: uniform response to excess direct sunlight among higher plant species.Planta,198:460-470
李鵬民, 高輝遠(yuǎn), Strasser R J. 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)分析在光合作用研究中的應(yīng)用. 植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 31(6): 559-566
Li PM, Gao HY, Strasser RJ. Application of the chlorophyll fluorescence Induction dynamics in photosynthesis study. Journal of Plant Physiology and Molecular Biology, 2005, 31(6): 559-566
許大全. 光合作用效率. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2002
