漢莎快訊（五）：葉綠素熒光動力學曲線和快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的異同
漢莎快訊（五）
葉綠素熒光動力學曲線和快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的異同
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早在1931年Kautsky和Hirsh就認識到光合原初反應和葉綠素熒光之間有著密切的關系。他們第一次報告了經過暗適應的光合材料照光后，葉綠素熒光先迅速上升到一個最大值，然后逐漸下降，最后達到一個穩定值。此后，隨著研究的深入，人們逐步認識到熒光誘導動力學曲線中蘊藏著豐富的信息。
葉綠素熒光動力學曲線
圖1 用脈沖調制式熒光儀測定熒光參數的葉綠素熒光動力學曲線
（注：引自許大全著《光合作用效率》2002）
典型的葉綠素熒光動力學曲線是圖1作用光后邊到第二次飽和脈沖光之前的曲線部分，圖1 的整條曲線是為了計算所有熒光參數，通過在不同時間開啟飽和脈沖光來關閉反應中心獲得特殊的熒光參數。從葉綠素熒光動力學曲線我們主要來獲得原初光化學反應，以及光合啟動后實際光化學效率、光能的吸收利用等。
脈沖調制式熒光儀，無論商家吹噓可以測定多少熒光參數，而實際上最重要的就是圖1中測定的5個基本參數，其他一切參數都是根據這五個基本參數計算出來的。充分暗適應的葉片，在很弱的檢測光下，測定得到最小熒光Fo，這時所有反應中心處于開放狀態；接著開啟飽和脈沖光（0.7s）測得最大熒光Fm，此時所有反應中心處于關閉狀態；等待幾秒鐘，開啟作用光，此時熒光上升，然后隨著光合作用的啟動，熒光逐漸達到一個穩態，熒光達到穩態后測定的穩態熒光Fs；熒光達到穩態后開啟飽和脈沖光測得光下最大熒光Fm’；接著作用光關閉，同時開啟遠紅光測得熒光參數Fo’。用這五個基本參數計算我們在文獻上見到的脈沖調制式熒光儀測定的參數，計算公式如下：
暗適應下PSⅡ的最大量子產額[FV/FM=(FM-FO)/FM]；
光適應下PSⅡ的最大量子產額[FV’/FM’= (FM’-FO’)/FM’]；
光適應下的PSⅡ反應中心開放的比例[qP=(FM’-FS)/( FM’-FO’)]；
光適應下PSⅡ的實際光化學效率[ΦPSII=(FM’-FS)/FM’]（Genty等 1989）；
光適應下的非光化學猝滅[NPQ=FM/FM’-1]（Demmig-Adams和Adams 1996）等
其他可以見到的參數也是根據這五個基本參數計算出來。
快速葉綠素熒光誘導動力學曲線：
圖2 用連續激發式熒光儀測定的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（圖A: 時間坐標為線性形式；圖B: 時間坐標為對數形式）
（注：引自李鵬民等文章“快速葉綠素熒光誘導動力學分析在光合作用研究中的應用”）
圖2是典型的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線，又稱O-J-I-P曲線，測定該曲線，要求儀器的分辨率非常高，每秒記錄10萬次以上。為了更好的從曲線上獲得信息，我們通常把時間坐標改為對數形式（圖2B）。目前只有英國Hanshatech公司的Handy PEA植物效率分析儀，可以測定完整的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線。
從快速葉綠素熒光誘導動力學曲線上，我們可以得到五十多個熒光參數，通過對曲線上參數的分析我們可以了解PSII的原初光化學反應及PSII的結構和功能的變化。主要應用在逆境生理、遺傳育種（Maldonado-Rodriguez等2003）、病蟲害防治（Bueno等2004）及污染檢測（Appenroth等2001, Hermans等2003）等。有理由相信，隨著該理論的進一步發展，快速葉綠素熒光誘導動力學將會在更多研究領域中得到更廣泛的應用。
表1 JIP-測定所用的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（O-J-I-P）的參數
Table 1 Formulae 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快速葉綠素熒光誘導動力學曲線上直接獲得的參數 | |
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Ft |
暗適應后照光t時間時的熒光強度 |
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F50μs 或F20μs |
用PEA在暗適應后照光50μs時或用Handy-PEA在暗適應后照光20μs時測定的熒光強度 |
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F100μs |
在暗適應后照光100μs時的熒光強度 |
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F300μs |
在暗適應后照光300μs時的熒光強度 |
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FJ≡F2ms |
在O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）J點處（2ms）的熒光強度 |
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FI≡F30ms |
在O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）I點處（30ms）的熒光強度 |
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FP |
在O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）的最大熒光處（P點）的熒光強度 |
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tFM |
從暗適應后照光到到達最大熒光所需時間 |
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Area |
O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）、熒光強度F=FM及y軸之間的面積 |
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從直接獲得參數導出的其它參數 | |
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FO≌F50μs 或≌F20μs |
當所有反應中心完全開放時的熒光，即暗適應后的最小熒光強度 |
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FM= FP |
當所有反應中心完全關閉時的熒光，即暗適應后的最大熒光強度 |
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FV≡Ft - FO |
在t時的可變熒光強度 |
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Vt≡(Ft - FO)/( FM - FO) |
在t時的相對可變熒光強度 |
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VJ≡(FJ - FO)/( FM - FO) |
在J點的相對可變熒光強度 |
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MO≡4(F300μs- FO)/( FM- FO) |
O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）的初始斜率 |
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Sm≡(Area)/( FM- FO) |
標準化后的O-J-I-P熒光誘導曲線（圖1B）、熒光強度F=FM及y軸之間的面積 |
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SS= VJ/MO |
用O-J相標準化的熒光上升互補面積 |
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N≡Sm/ SS= Sm•MO•(1/ VJ) |
從開始照光到到達FM的時間段內QA被還原的次數 |
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比活性參數（QA處在可還原態時，單位PSⅡ反應中心的活性） | |
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ABS/RC= MO•(1/ VJ)•(1/φPo) |
單位反應中心吸收的光能 |
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TRO/RC= MO•(1/ VJ) |
單位反應中心捕獲的用于還原QA的能量（在t＝0時） |
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ETO/RC= MO•(1/ VJ)•ψO |
單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量（在t＝0時） |
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DIO/RC= (ABS/RC)- (TRO/RC) |
單位反應中心耗散掉的能量（在t＝0時） |
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量子產額或能量分配比率 | |
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φPo≡TRO/ABS= [ 1-(FO/FM)] |
最大光化學效率（在t＝0時） |
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ψO≡ETO/TRO= (1-VJ) |
反應中心捕獲的激子中用來推動電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的激子占用來推動QA還原激子的比率（在t＝0時） |
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φEo≡ETO/ABS= [1-(FO/FM)]•ψO |
用于電子傳遞的量子產額（在t＝0時） |
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φDo≡1-φPo = (FO/FM) |
用于熱耗散的量子比率（在t＝0時） |
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比活性參數（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） |
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ABS/CSM≈FM |
單位面積吸收的光能（在t＝tFM時） |
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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）
單位面積捕獲的光能（在t＝tFM時） |
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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額（在t＝0時）
單位面積電子傳遞的量子產額（在t＝tFM時） |
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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）
單位面積的熱耗散（在t＝tFM時） |
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反應中心的密度 | |
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RC/CSO= φPo•(VJ/MO)•(ABS/CSO)
RC/CSM= φPo•(VJ/MO)•(ABS/CSM) |
單位面積內反應中心的數量（在t＝0時）
單位面積內反應中心的數量（在t＝tFM時） |
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性能指數 | |
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PIABS≡(RC/ABS)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)] |
以吸收光能為基礎的性能指數 |
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PICS≡(RC/CSO)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)]
PICS≡(RC/CSM)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)] |
以單位面積為基礎的性能指數（在t＝0時）
以單位面積為基礎的性能指數（在t＝tFM時） |
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推動力（性能指數的對數） | |
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DFABS≡log(PIABS) |
以吸收光能為基礎的推動力 |
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DFCS≡log(PICS) |
以單位材料面積為基礎的推動力 |
參考文獻：
Appenroth KJ, Stöckel J, Srivastava A, Strasser RJ (2001). Multiple effects of chromate on the photosynthetic apparatus of Spirodela polyrhiza as 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 cyanobacterium Anabaena. 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, Strasser R J. 快速葉綠素熒光誘導動力學分析在光合作用研究中的應用. 植物生理與分子生物學學報, 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�？茖W技術出版社, 2002
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