葉綠素螢光動力學曲線和快速葉綠素的異同

　　葉綠素螢光動力學曲線和快速葉綠素螢光誘導動力學曲線的異同

　　早在1931年Kautsky和Hirsh就認識到光合原初反應和葉綠素螢光之間有著密切的關係。他們次報告了經過暗適應的光合材料照光後，葉綠素螢光先迅速上升到一個值，然後逐漸下降，達到一個穩定值。此後，隨著研究的深入，人們逐步認識到螢光誘導動力學曲線中蘊藏著豐富的信息。

　　葉綠素螢光動力學曲線：

　　

　　圖1用脈衝調製式螢光儀測定螢光參數的葉綠素螢光動力學曲線

　　(註：引自許大全著《光合作用效率》2002)

　　典型的葉綠素螢光動力學曲線是圖1作用光後邊到次飽和脈衝光之前的曲線部分，圖1的整條曲線是為了計算所有螢光參數，通過在不同時間開啟飽和脈衝光來關閉反應中心獲得特殊的螢光參數。從葉綠素螢光動力學曲線我們主要來獲得原初光化學反應，以及光合啟動後實際光化學效率、光能的吸收利用等。

　　脈衝調製式螢光儀，無論商家吹噓可以測定多少螢光參數，而實際上重要的就是圖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，測定得到小螢光FO，這時所有反應中心處於開放狀態;接著開啟飽和脈衝光(0.7s)測得螢光Fm，此時所有反應中心處於關閉狀態;等待幾秒鐘，開啟作用光，此時螢光上升，然後隨著光合作用的啟動，螢光逐漸達到一個穩態，螢光達到穩態後測定的穩態螢光Fs;螢光達到穩態後開啟飽和脈衝光測得光下螢光Fm』;接著作用光關閉，同時開啟遠紅光測得螢光參數Fo』。用這五個基本參數計算我們在文獻上見到的脈衝調製式螢光儀測定的參數，計算公式如下：

　　暗適應下PSⅡ的量子產額[FV/FM=(FM-FO)/FM];

　　光適應下PSⅡ的量子產額[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。

　　快速葉綠素螢光誘導動力學曲線：

　　

　　圖2用連續激髮式螢光儀測定的快速葉綠素螢光誘導動力學曲線(圖A: 時間坐標為線性形式;圖B: 時間坐標為對數形式)

　　(註：引自李鵬民等文章「快速葉綠素螢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螢光誘導動力學曲線，又稱O-J-I-P曲線，測定該曲線，要求儀器的解析度非常高，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螢光誘導動力學曲線。

　　從快速葉綠素螢光誘導動力學曲線上，我們可以得到五十多個螢光參數，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)及汙染檢測(Appenroth等2001, Hermans等2003)等。我們有理由相信，隨著該理論的進一步發展，快速葉綠素螢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1JIP-測定所用的快速葉綠素螢光誘導動力學曲線(O-J-I-P)的參數(Table 1Formulae and glossary of terms used in the JIP-test in the analysis of the O-J-I-P fluorescence transient)

從OJIP快速葉綠素螢光誘導動力學曲線上直接獲得的參數
Ft	暗適應後照光t時間時的螢光強度
F50μs或F20μs	用PEA在暗適應後照光50μs時或用Handy-PEA在暗適應後照光20μs時測定的螢光強度
F100μs	在暗適應後照光100μs時的螢光強度
F300μs	在暗適應後照光300μs時的螢光強度
FJ≡F2ms	在O-J-I-P螢光誘導曲線（圖1B）J點處（2ms）的螢光強度
FI≡F30ms	在O-J-I-P螢光誘導曲線（圖1B）I點處（30ms）的螢光強度
FP	在O-J-I-P螢光誘導曲線（圖1B）的螢光處（P點）的螢光強度
tFM	從暗適應後照光到到達螢光所需時間
Area	O-J-I-P螢光誘導曲線（圖1B）、螢光強度F=FM及y軸之間的面積
從直接獲得參數導出的其它參數
FO≌F50μs或≌F20μs	當所有反應中心完全開放時的螢光，即暗適應後的小螢光強度
FM= FP	當所有反應中心完全關閉時的螢光，即暗適應後的螢光強度
FV≡Ft- FO	在t時的可變螢光強度
Vt≡(Ft- FO)/( FM- FO)	在t時的相對可變螢光強度
VJ≡(FJ- FO)/( FM- FO)	在J點的相對可變螢光強度
MO≡4(F300μs- FO)/( FM- FO)	O-J-I-P螢光誘導曲線（圖1B）的初始斜率
Sm≡(Area)/( FM- FO)	標準化後的O-J-I-P螢光誘導曲線（圖1B）、螢光強度F=FM及y軸之間的面積
SS= VJ/MO	用O-J相標準化的螢光上升互補面積
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
比活性參數（QA處在可還原態時，單位PSⅡ反應中心的活性）
ABS/RC= MO•(1/ VJ)•(1/φPo)	單位反應中心吸收的光能
TRO/RC= MO•(1/ VJ)	單位反應中心捕獲的用於還原QA的能量（在t＝0時）
ETO/RC= MO•(1/ VJ)•ψO	單位反應中心捕獲的用於電子傳遞的能量（在t＝0時）
DIO/RC= (ABS/RC)- (TRO/RC)	單位反應中心耗散掉的能量（在t＝0時）
量子產額或能量分配比率
φPo≡TRO/ABS= [ 1-(FO/FM)]	光化學效率（在t＝0時）
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佔用來推動QA還原激子的比率（在t＝0時）
φEo≡ETO/ABS= [1-(FO/FM)]•ψO	用於電子傳遞的量子產額（在t＝0時）
φDo≡1-φPo= (FO/FM)	用於熱耗散的量子比率（在t＝0時）
比活性參數（照光材料單位橫截面積的活性）
ABS/CSO≈FO	單位面積吸收的光能（在t＝0時）
ABS/CSM≈FM	單位面積吸收的光能（在t＝tFM時）
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）
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）
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）
反應中心的密度
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）
性能指數
PIABS≡(RC/ABS)•[φPo/(1-φPo)]•[ψO/(1-ψO)]	以吸收光能為基礎的性能指數
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）
推動力（性能指數的對數）
DFABS≡log(PIABS)	以吸收光能為基礎的推動力
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 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, Strasser R J. 快速葉綠素螢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: 上海科學技術出版社, 2002