叶绿素荧光动力学参数的意义及实例辨析_尤鑫

叶绿素荧光动力学参数的意义及实例辨析*

尤鑫1，2，龚吉蕊1（1.北京师范大学资源学院地表过程与资源生态国家重点实验室，北京100875；2.中共江西省委党校研究所，江西南昌330003）摘要：叶绿素荧光动力学过程研究是目前最为先进的无损伤测定植物光合作用能量吸收、传递、耗散、分配的重要研究内容和方法。但在其研究过程中对叶绿素荧光动力学参数的生物学意义和使用鉴定混淆不清。故文明述了叶绿素荧光动力学参数的含义及其在植物光合作用中的生物学意义，并以实例对其重要参数NPQ和qn进行了辨析。关键词：叶绿素荧光；动力学参数；实例辨析中图分类号：S718.43文献标识码：A文章编号：1672－8246（2012）05－0090－05SignificanceandApplicationofChlorophyllFluorescenceDynamicsProcessParameters

YOUXin1，2，GONGJi-rui1（1.TheStatekeylaboratoryofSurfaceProcessesandResourceEcology，BeijingNormalUniversity，Beijing100875，P.R.China；2.ThePartySchooloftheJiangxiProvincialCommitteeofCPC，NanchangJiangxi330003，P.R.China）Abstract：Chlorophyllfluorescencedynamicsprocessstudyiscurrentlythemostadvancedresearchcontentandmethodondeterminingtheenergyabsorption，energytransmission，energydissipationandenergydistributionwith-outdamagetotheplant．However，someconfusionoccurredonseveralaspectssuchasthebiologicalmeaningofparametersinchlorophyllfluorescencedynamicsprocessstudy，theuseandidentificationoftheparameters．Thispaperelaboratedthemeaningofchlorophyllfluorescencedynamicsprocessparameters，andthebiologicalmeaningonphytosynthesisofplant，twoimportantparametersNPQandqnweredistinguishedusingrelevantexamples．Keywords：chlorophyllfluorescence；dynamicparameter；exampledistinguish

绿色植物所进行的光合作用是地球能量转化的直接来源，亦是地球初级生产力的重要来源。对绿色植物光合作用的探测关系到地球光能向化学能转化的估算及对全球CO2固定效率的监测。因此对其光合作用光能转化的测定成为研究绿色植物光合作用的重点。叶绿素荧光动力学技术是目前无损伤光合作用能量转化探测技术的先导而被广泛应用于植物光合作用的测量中。叶绿素荧光动力学技术在测定植物叶片光合作用过程中对光能的吸收、传递、耗散、分配等具有独特的作用［1］。几乎所有的光合作用过程的变化均可通过叶绿素荧光反映出来，而叶绿素荧光动力学测定技术不需破碎细胞，不会伤害到生物体，因此通过对叶绿素荧光的研究以间接研究植物光合作用的变化，是一种简便、快捷、可靠的方法。现今，叶绿素荧光在植物光合作用及胁迫生理学、水生生物学、海洋学和遥感等方面得到了广泛的应用。目前应用便携式li－6400测量仪（PhotonSys-第41卷第5期2012年10月西部林业科学JournalofWestChinaForestryScienceVol.41No.5Oct.2012

*收稿日期：2012－06－26基金项目：国家自然科学基金项目（40771069）和国家重点基础研究发展规划项目（2007CB106807）资助。第一作者简介：尤鑫（1980－），女，内蒙古呼和浩特人，助理研究员，博士，主要从事生态学方面的研究。通讯作者简介：龚吉蕊（1969－），女，宁夏海原人，教授，博士，主要从事生态学方面的研究。temsInstrumentsLi－6400，LI－COR，Lincoln，Ne-braska，U.S.）荧光叶室测得的叶绿素荧光的许多参数，在意义上还存在许多争议。有些参数容易混淆，有些参数的意义相同或者相近，但在表达上，存在一定的区别。为此，本文对叶绿素荧光动力学的各个参数及其含义以及叶绿素荧光在植物光合作用中的生物学意义作了明晰的论述，并以新疆伊犁察布查尔平原林场苗圃的P64、Jia2个杂交杨品系扦插苗株的叶光合能量转化测定实验为实例对其重要的叶绿素荧光参数进行了辨析。

1叶绿素荧光动力学参数及其含义叶绿素荧光不仅能反映植物光合作用过程中的光能吸收、激发能传递和光化学反应等的光合作用的原初反应过程，而且与其电子传递、质子梯度的建立及ATP合成和CO2固定等过程有关。

表1各叶绿素荧光动力学参数Tab.1Relevantparametersofchlorophyllfluorescencedynamicsprocess暗下的参数Fo固定荧光，又叫初始荧光Fm暗下最大的荧光产量FvFv=Fm－Fo最大可变荧光Fv/Fm

最大光化学量子产量

光下的参数Fs稳定光下荧光产量Fm'光下最大的荧光产量Fv'Fv'=Fm'－Fo'光下最大的可变荧光产量Fv'/Fm'有效光化学量子产量△Fv△Fv=Fm'－Fs=Fv'光下的可变荧光

表1中，Fo为initialfluorescence（dark）：暗下的初始荧光，表示植物叶片对光的全开放状态。张守仁文献中用minimalfluorescence表示。有的文献也称为水平荧光，表示植物叶片光合中心光系统Ⅱ处于完全开放时的荧光产量，为最小荧光，完全经过暗适应的荧光。Fv为variablechlorophyllfluo-rescence（dark）：暗适应叶片给光的最大的可变荧光值。Fm为maximumfluorescence（dark）：暗适应叶片的最大荧光产量。Fs为fluorescenceinten-sityatanytime（light）：光适应叶片的稳定荧光产量。张守仁提到的Fa即现在文献中通常所指的Fs［1］。Fo'为minimalfluorescence（light）：光适应叶片的最小荧光产量（当开放的PSⅡ最大荧光产量平稳时，关闭作用光得到Fo'）。Fv'为variablefluorescence（light）：光适应叶片的可变荧光产量。Fm'为maximalfluorescence（light）———（VanKooten，Snel1999）：光适应叶片的最大荧光产量。PSⅡ为cross－centre，reactioncentres：光合反应中心。qp为photochemicalquenching：光化学淬灭。qn=1－（Fm'－Fo'）/（Fm－Fo）=1－Fv'/Fv———non－photochemicalquenching：非光化学淬灭。NPQ=（Fm－Fm'）/Fm'=Fm/Fm'－1———non－photochemicalquenching：非光化学淬灭。叶绿素荧光动力学参数主要表达的是植物光合作用中的能量传递和转化。植物叶片中叶绿素分子吸收的光能整体以3种形式释放（也可以说以3种形式转化利用）：即荧光F、热量H和光化学光P。此3种形式的关系表示为：F+H+P=1；三者在被吸收的量子能量的总和中所占比例之和为1，p被称为量子产量或量子效率。在饱和光强下，随着光照强度不断增加，光化学光p将不再增加，而为0，故所有的活化能转化为热能和荧光。根据饱和光和非饱和光条件下的荧光测量数值来推算p，并由此推算荧光不同状态下的参数值和植物叶片的光能能量转化过程。为此我们应明确叶绿素荧光动力学各参数，即暗下的参数和光下的参数（表1）之含义。

2叶绿素荧光在植物光合作用中的生物学意义为了解叶绿素荧光在植物光合作用中的生物学意义，首先要明确光合反应中心的生物学过程和意义。光合反应中心，即光化学反应中心（photo-chemicalreactioncenter），在植物光合作用中，因叶绿素受到光能的激发，产生电子（叶绿素的蛋白复合体构成产生的电子和电子穴）接受聚光性叶绿素的电子激发能，变成电荷分离的能量系统，是特殊的，为光合作用中电子传递反应的动力。高等植物的叶绿体，每400个聚光性叶绿素分子，有反应中心Ⅰ和反应中心Ⅱ各1个。随着电荷的分离，反应中心Ⅰ在700nm、反应中心Ⅱ在680nm的条件下显示吸光度减弱，这是部分反应中心叶绿素氧化的结果，将此显示吸光度变化的色素分别称为P700及P680。有时将P700和P680作为反应中心Ⅰ及反应中心Ⅱ的同义词使用。一般用19第5期尤鑫等：叶绿素荧光动力学参数的意义及实例辨析ΦPSⅠ表示光合作用反应中心Ⅰ，用ΦPSⅡ表示光合作用反应中心Ⅱ。叶绿素a，b的吸收峰过程：叶绿体膜上的光合作用系统Ⅰ和光合作用系统Ⅱ两套系统，光合作用系统Ⅰ比光合作用系统Ⅱ要原始，但电子传递从光合系统Ⅱ开始。在光照的情况下，分别吸收680nm和700nm波长的光子，作为能量，将从水分子光解过程中得到电子不断传递，最后传递给辅酶NADP。而水光解所得的氢离子则因为顺浓度差通过类囊体膜上的蛋白质复合体从类囊体内向外移动到基质，而势能降低，其间的势能用于合成ATP，以供暗反应用。而此时势能已降低的氢离子则被氢载体NADP带走。一分子NADP可携带2个氢离子。NADPH+H离子则在暗反应里面充当还原剂的作用。对叶绿素荧光的测量主要是光合作用中反应中心Ⅰ和Ⅱ的荧光总和，因为光合作用最先开始和光能传递主要在反应中心Ⅱ中进行，所以叶绿素荧光可以主要看作是光合反应中心Ⅱ的产量。Fo表示反应中心没有进行光合作用时最原始状态下的最小荧光产量值，Fm为反应中心没有进行光合作用时最原始状态下的最大荧光产量值，他们之间的差值Fv反映了植物的光合中心叶片进行光化学反应的“域”或“能力范围”，这种能力由植物自身的特征所决定。实验中，通常Fo'表示植物在光下荧光的最小产量，要比Fo大。Fv/Fm揭示了植物体对其生境光强密度长期适应的机制［2］。Fv'/Fm'代表光合反应中心PSII的光合效率，是光合中心吸收的激发能的捕捉效能，反映了光合反应中心在部分关闭的情况下的实际捕获能量的传递效率［3］。叶绿素荧光参数的动力学示意图如图1。右，P64植株叶的qn值最大可以达到0.8左右，其预测值在PFD为0μmolm－2s－1时，qn不等于0，且2个杂交杨品系植株线性回归的qn均为正值，非线性回归Jia杂交杨品系植株的qn为正值，P64杂交杨品系植株的qn为负值，但qn与PFD的非线性回归更接近测量值。2个杂交杨品系植株叶的qn和光量子通量线性回归均为正值，qn和PFD的非线性回归在PFD为0μmolm－2s－1时，Jia杂交杨品系植株的qn为正值，P64杂交杨品系植株的qn为负值。正值表示Jia杂交杨品系植株的叶片在无光的条件下仍进行非光化学淬灭，而负值代表P64杂交杨品系植株叶片在无光条件下不再进行非光化学淬灭，但qn在低PFD下，似乎比NPQ更能真实反映植物的能量耗散特性。非光化学淬灭参数NPQ和qn都反映同样的生物学意义。目前多数学者倾向于使用前者。本试验结果表明：Jia杂交杨品系植株叶片的NPQ最大值小于P64杂交杨品系植株叶片的NPQ最大值，两者全天的NPQ相差31.7%；而两者的qn差异不显著，全天相差仅3%。当PFD为0μmolm－2s－1时，图2所呈现的2个杂交杨品系植株在无辐射的情况下，几乎没有NPQ热耗散，这与Demmig－Adams等［5］的研究结果不一致，因为即使PFD为0μmolm－2s－1的情况下，植物也存在暗呼吸，需要耗散能量［4］。NPQ和PFD非线性回归对实际值的拟合R2不一定大于线性回归，而qn非线性回归对实际值的拟合R2值均大于线性回归。2个杂交杨品系植株NPQ和PFD的线性回归表明：其R2均达到0.9以上；而qn和PFD的线性回归，R2未达到0.9；Jia杂交杨品系植株的qn和PFD的线性R2大于P64。NPQ、qn和PFD的非线性回归的拟合R2均达0.95以上。证明2个杂交杨品系植株的NPQ和qn与环境光量子通量不存在线性关系。NPQ和qn与环境光量子通量的非线性关系似乎更能反映2个杂交杨品系植株的非光化学淬灭与环境的光量子通量间的变化关系。