叶绿素荧光分析方法
叶绿素荧光分析具有观测手续简便,获得结果迅速,反应灵敏,可以定量,对植物无破坏、少干扰的特点。它既可以用于叶绿体、叶片,也可以遥感用于群体、群落。它既是室内光合基础研究的先进工具,也是室外自然条件下诊断植物体内光合机构运转状况、分析植物对逆境响应机理的重要方法。现在人们可以通过叶绿素荧光分析估计量子效率、光合能力,利用荧光参数计算光合电子传递速率、胞间CO2浓度,并且试图利用荧光参数快速筛选遗传变异的植物。有人甚至预言,将来荧光分析可能会代替气体交换测定。20世纪80年代以来,调制荧光仪,特别是便携式荧光仪的商品化,使荧光分析在光合作用研究中得到这样广泛的应用,以至如果不懂荧光分析技术,便很难看懂近年的光合作用研究文献。
1.基本原理
光合机构吸收的光能有三个可能的去向：一是用于推动光化学反应,引起反应中心的电荷分离及后来的电子传递和光合磷酸化,形成用于固定、还原二氧化碳的同化力(ATP和NADPH)；二是转变成热散失；三是以荧光的形式发射出来。由于这三者之间存在此消彼长的相互竞争关系,所以可以通过荧光的变化探测光合作用的变化(图4-1)。实际上,以荧光形式发射出来的光能在数量上是很少的,还不到吸收的总光能的3%。在很弱的光下,光合机构吸收的光能大约97%被用于光化学反应,2.5%被转变成热散失,0.5%被变成红色(在体内,叶绿京的荧光发射峰在685nm左右)的荧光发射出来；在很强的光下,当全部PSII反应中心关闭时,吸收的光能95%～97%被变成热,而2.5%～5.0%被变成荧光发射[l]。在体内,由于吸收的光能多被用于光合作用,叶绿素a荧光的量子产额(即量子效率)仅仅为0.03～0.06。但是,在体外,由于吸收的光能不能
图4-1叶绿素分子的光激发
被用于光合作用,这一产额增加到0.25～0.30[2]。在室温条件下,绝大部分荧光来自PS II 天线[1,3],而不是反应中心的叶绿素a分子[4,5]。这是因为反应中心的叶绿素分子仅占叶绿素总量的几百分之一。叶绿素荧光发射的高峰在685nm(天线色素)和695nm(反应中心)。在体内,决定荧光产额的主要因素是电子的第一个稳定的醌受体QA的氧化还原状态。实际上,在暗适应的健康叶片和良好的叶绿体,所有的QA都处于还原态时的最大荧光产额与所有的QA 都处于氧化态时的最小荧光产额之比大致为5~6[6]。然而,这个比值可以发生很大变化,取决于照光状态和一些处理。多种因素影响荧光强度：激发光强,反应中心对激发能的捕获和转化速率,激发能以热的形式耗散的程度和两个光系统间能量的分配等。当PS II的光化学反应被阻止时,最大荧光产额的减少是反应中心和天线热耗散增加的反映。由于可以测定完整叶片的荧光,叶绿素a荧光诱导动力学可以成为原位检测PS II重要步骤的极好的探针[5]。1.1 叶绿素荧光诱导动力学
当一片经过充分暗适应的叶片从黑暗中转入光下后,叶片的荧光产额会随时间发生规律性的
变化,即kautsky效应[7],记录下来的典型荧光诱导动力学曲线上几个特征性的点分别被命名为O、J、D、P、S、M和T[8.9](图4-2)。在照光的第一秒钟内,荧光水平从O上升到P,这一段被称为快相;在接下来的几分钟内,荧光水平从P下降到T,这一段被称为慢相。快相与PS II的原初过程有关,慢相则主要与类囊体膜上和间质中的一些反应过程包括碳代谢之间的相互作用有关。
图4-2 叶绿素荧光诱导动力学曲线
荧光水平从O到I的上升已经被归因于不能将电子传递到PQ库的失活的PS II中心[10],这些中心具有有功能的水氧化系统,但是对净电子传递没有明显的贡献。在饱和光下,当反应中心的电荷分离速率超过从QA到QB的电子传递速率时,I水平大大提高[11]。从D到P的荧光增加是由于Fd-NADP氧化还原酶以前电子传递链中电子受体的还原[4]。荧光水平从FO到FP(当光强不足以使全部PS II反应中心关闭时)的上升受多种因素的影响:①PS II的协作性;②PS II的异质性;③PQ库的大小及其重新氧化的速率;④PS II以外的电子传递速率,包括碳同化;⑤向
P680+供给电子的速率。荧光水平到达Fm表明QA已经完全还原[12]。结合在D1蛋白上QB 部位的DCMU能够阻断QA－向PQ的电子传递,所以在这种抑制剂存在时比没有它时从F。到Fm的荧光水平上升快得多。从F。上升到Fm所需要的时间的一半(T1/2)是估计PQ库大小的一个简单的指标。与阳生叶相比,阴生叶具有大的叶绿素天线和小的PQ库,因此表现出一个短的T1/2[13]。叶龄从幼变老,P、M、T的水平降低,幼叶和老叶无M峰。M峰的出现意味着光合诱导期的结束,快速碳同化的开始。当光合作用受到突然干扰(高光强、高CO2、磷缺乏等)时荧光诱导动力学曲线会出现波动。这时,用叶圆片氧电极同时记录下来的光合氧释放和荧光两条动力学曲线大体上呈镜像对称,但是有一点相位差。这种波动现象可能反映了条件急剧变化后同化力的产生与使用之间的不平衡以及为达到平衡而发生的快速调节过程。但是,在遭受环境胁迫的叶片看不到这样的波动[14],可能是由于胁迫削弱了光合机构的同化力生产和调节能力的缘故。
1.2 低温荧光(77K)
人们通常在植物正常生长的生理温度(文献中常称之为室温)下测定叶绿素荧光。但是,有时为了某种研究的需要,也在液氮(即77K,-196℃)温度下进行观测。在这样的低温下,任何与温度有关的酶反应和电子传递能力对荧光水平的影响都被避免,因此只有原初光化学反应的变化被反映出来[10,12]。77K荧光是测定PS II光化学效率(Fv/Fm)的一个重要工具,多种维管束植物健康而未遭受环境胁迫的叶片的Fv/Fm值为0.832±0.004[15]。77K荧光也常被用于研究两个光系统之间的能量分配,因为在这样的低温下,PS II和PS I分别在695nm和735nm处(高等植物)有各自的荧光发射峰[6]。PS I在735nm处的荧光增加往往是PS II向PS I增加激发能分配的结果(见第15章)。与室温荧光不同,在77K下,天线和核心复合体不同组分之间激发能的快速平衡是不可能的。因此,在关于天线和反应中心组织结构的研究中,77K荧光光谱分析具有重要的用途。
1.3 调制荧光
在用于叶绿素荧光测定和猝灭分析仪器上的一个革命性进展,就是使用调制光于测定系统中
