葉綠素螢光 — 實用指南 (中文版)

Chlorophyll fluorescence — a practical guide (Chinese translate version)

Maxwell, K., & Johnson, G. N. ,2000, Journal of Experimental Botany, Volume 51, Issue 345, 1 April 2000, Pages 659–668, https://doi.org/10.1093/jxb/51.345.659
Published:01 April 2000

摘要

葉綠素螢光分析已成為植物生理學家和生態生理學家最有力和最廣泛使用的技術之一。本綜述旨在為新手介紹葉綠素螢光的方法和應用。簡要介紹了該技術的理論背景之後,解釋可能使用的方法和一些技術缺陷。然後使用參數選擇的實例來說明螢光可以提供的信息類型。

前言

葉綠素螢光測量的基礎

光能被葉中的葉綠體吸收後以三種方式轉換:用來驅動光合作用,即光化學(photochemistry)作用。多餘的能量作為熱消散或者重新激發變成螢光 ──葉綠素螢光。三種轉換方式彼此消長,任何一轉換方式效率的提高都會導致其他兩個產量的下降。因此,透過測量葉綠素螢光的產量,可以取得關於光化學和熱消散產量變化的信息。

光進入葉子以三種方式轉換:1.光合作用(光化學)、 2.熱消散、 3.葉綠素螢光。

雖然葉綠素螢光相對於整體光能非常的少(只有吸收光能的1到2%),但測量相當容易。葉子吸收的光線差異產生的螢光光譜也不同。激發螢光峰值波長會比原吸收光能的波長還長,因此通過將葉子暴露於限定波長的光並測量在較長波長處重新發射的光量來量化螢光產量。因此葉子在可控制波長的光照射下,再次激發波長較長的葉綠素螢光可以被量化測得。值得要注意的是光不可避免地多少會有遺漏,所以測量只是相對的。因此所有分析必須包含某種形式的標準化,來計算不同的螢光參數(見下文)。

不同光線對應螢光光譜也不同,所以在控制波長光照射下葉綠素螢光可以被量化測得。

葉綠素螢光應用的基本測量裝置中的,一種改進是使用「調整型測量系統」(Quick & Horton, 1984)。系統中,檢測器的光源已經被調整(以高頻開啟和關閉)並僅測量從此光源激發出的螢光。因此即使在有背景照明的存在下仍能測量熒光的相對產率,並且最重要的是也能在全日光室外情況下也能進行測量。大多數葉綠素螢光使用此「調整型測量系統」作為測量工具,建議考慮研究螢光系統者選擇調整型螢光測計。

螢光產量為何會浮動? Kautsky效應及後續

Kautsky和同事在1960年第一次發現葉綠素螢光產量浮動的現象(Kautsky et al., 1960)。研究者發現在將光合作用材料從黑暗移到光中時,在約1秒的時間內發生葉綠素螢光產量增加的現象。這種上升被解釋為在PSII光合途徑中( PSII 下游的質體醌和 QA 中)電子受體減少的結果。一旦 PSII吸收光並且讓 QA 接受了電子,直到它通過第一個前都無法接受另一個電子。在此期間反應中心被稱為「關閉」。 在此任何時間點有存在一定比例的反應中心封閉導致光化學效率的總體降低,並因此導致螢光產率的相應增加。

因為反應中心關閉,所以三項轉換中光化學往熒光與熱銷散轉變。
光照射植物的葉綠素 工作時所產生的螢光隨時間變化的現象。注意X軸時間為對數關係。由 Pedrose 来自 en.wikipedia.org, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=47590605
暗適應後,反應中心電子受體減少並關閉,導致螢光量增加。

當葉子從黑暗轉移到光線時, PSII 反應中心逐漸關閉。這使得(在光照第1秒左右)產生葉綠素螢光產量的增加。然而之後螢光水平通常在幾分鐘內開始再次下降。這種稱為螢光淬滅(fluorescence quenching)的現像用兩種方式解釋:電子從 PSII 傳輸的速率有所增加,這主要是由於光誘導的碳代謝活化和氣孔開啟所致。這種淬火稱為「光化學淬滅」(photochemical quenching)。於此同時,能量化為熱量的效率也在提高,這個過程稱「非光化學淬滅」(non-photochemical quenching)。典型植物中,這兩個過程的變化大約在15–20分鐘內完成,並且達到近似穩態,儘管達到這種狀態所需的時間在植物物種之間可能有很大差異(Johnson et al., 1990)。

螢光淬火為螢光的減弱,其包含兩種:1.光化學淬滅: PSII 傳輸的速率的回覆。 2.非光化學淬滅:能量不轉為螢光,而是化為熱能耗散。

螢光的訊息解讀

為了從葉綠素螢光產量的測量獲得關於植物的光合作用性能的有用信息,必須能夠區分光化學和非光化學對淬滅的佔比。通常的方法是「關閉」兩個貢獻者中的一個,尤其是對於光合作用(光化學)的關閉,以便可以估計另一個存在情狀的螢光產量。 在植物體外這可以通過添加化學物質來實現,例如抑制PSII的除草劑敵草隆(DCMU),將光合作用降低至零。然而這種方法在生理的背景下既不實用也不甚理想。 相反,「光倍增(light doubling)」技術已被開發,高強度短時間的閃光方法,PSII反應中心暫時關閉,使光化學淬滅的貢獻瞬時降低到零( Bradbury & Baker, 1981; Quick & Horton, 1984)。

典型熒光軌跡的變化。

淬滅分析

在葉綠素分析的簡史中,儘管試圖使術語統一化,但光化學淬滅和非光化學淬滅常被用許多不同計算方式來表達相同的參數(van Kooten & Snel, 1990 )。新手在閱讀文獻時可能會遇到相當大的困惑。這裡不打算涵蓋已計算的所有參數,反而是介紹最有用且常見的(表一)。表中使用的術語被認為是公認的,當然在其他文獻中也會對相同的參數的使用其別的術語表達。

通過參考典型實驗跡線可以最好地解釋螢光計算出的參數。野外條件下,此種實驗可能並合適,但是大多數參數仍然可以被計算。通過接通測量光測量螢光的Fo(最小)水平。然後給予飽和閃光,允許在暗適應狀態(Fom)下測量Fm,接著給予光化光,並以適當的間隔進一步給予飽和的閃光。從這些中的每一個中,可以測量螢光最大值(F’m)。緊接閃光之前的螢光的穩態值稱為Ft。閃光後,去除光化光(最好是同時產生遠紅光)允許測量F’o。

逆境指標

Fv / Fm

早期測量使用暗適應Fv / Fm的連續下降和Fo的增加做逆境指標。如高溫、低溫,過量光子通量密度的光抑制損傷的發生、水分逆境的指標(Gamon & Pearcy, 1989; Groom & Baker, 1992; Ögren & Sjöström, 1990; Epron et al., 1992)。儘管技術和調製系統的發展有所改進,這些觀察仍然有效,並且Fv / Fm和Fo的變化仍被接受並廣泛用作光抑制的可靠診斷指標(He et al., 1996; Valladares & Pearcy, 1997)。非逆境條件下該參數的變化極小,不受物種和生長條件的影響,逆境條件下該參數明顯下降。

NPQ

1.較高的NPQ與紫黃質去環氧化成抗黃嘌呤和玉米黃質強烈相關。

2.在幾乎所有情況下,光週期早期的低溫期會出現較高NPQ。

3.枝條葉子表現出中午NPQ減少,同時發生蘋果酸的脫羧現象。

PFD

光合器官有高完整的PFD,通常具有大的葉黃素循環池(xanthophyll cycle pool)。