叶绿素荧光介绍.ppt

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1、一、叶绿素荧光动力学理论及其在逆境一、叶绿素荧光动力学理论及其在逆境生理生态学研究中的应用生理生态学研究中的应用杨志勇杨志勇杨志勇杨志勇1 1、光合作用的基本过程、光合作用的基本过程 光合作用从光能的吸收、能量转光合作用从光能的吸收、能量转换、电子传递、换、电子传递、ATPATP合成到合成到COCO2 2的的固定，共包括固定，共包括6060多个步骤，是一多个步骤，是一个相当复杂的化学反应。个相当复杂的化学反应。1.1.光反应：光反应：电子从光系统电子从光系统（PSPS）经过经过CytCyt b6/f b6/f复合体传递到光系统复合体传递到光系统（PSPS）；同时光合膜两侧形成质子梯度；同时光合

2、膜两侧形成质子梯度；类囊体腔中的质子经过类囊体腔中的质子经过ATPATP合成合成酶流到细胞质中驱动酶流到细胞质中驱动ATPATP的合成；的合成；同时生成同时生成NADPHNADPH。2.2.暗反应：暗反应：Calvin-BensonCalvin-Benson循环循环,即即光反应得到的光反应得到的ATPATP和和NADPHNADPH参与参与COCO2 2的固定生成葡萄糖。的固定生成葡萄糖。2 2、叶绿素荧光的研究历史、叶绿素荧光的研究历史19311931年，年，KautskyKautsky（考茨基（考茨基）发现叶绿素荧光诱导现象并将）发现叶绿素荧光诱导现象并将其与光合作用联系起来其与光合作用联系

3、起来（Lichtenthaler1992;Lichtenthaler1992;GovindjeeGovindjee 19951995)。此后，人们对其进行了广泛而深入的研究，并逐步。此后，人们对其进行了广泛而深入的研究，并逐步形成了光合作用的荧光诱导理论，被广泛应用于光合作用形成了光合作用的荧光诱导理论，被广泛应用于光合作用研究。研究。叶绿素荧光已成为光合作用的有效探针叶绿素荧光已成为光合作用的有效探针（PapageorgiouPapageorgiou 1975;1975;PapageorgiouPapageorgiou&GovindjeeGovindjee 2004 2004)。随着调制荧光

4、。随着调制荧光技术的出现，叶绿素荧光的应用逐渐从传统的植物生理学技术的出现，叶绿素荧光的应用逐渐从传统的植物生理学领域延伸到植物生态学、农学、林学、水生生物学和环境领域延伸到植物生态学、农学、林学、水生生物学和环境科学等领域（科学等领域（LichtenthalerLichtenthaler 1992;1992;PapageorgiouPapageorgiou&GovindjeeGovindjee 2004 2004)。植物吸收的阳光（光植物吸收的阳光（光量子）都被其用于光量子）都被其用于光合作用了吗？如果不合作用了吗？如果不是，又是如何利用的是，又是如何利用的呢？呢？叶绿素荧光是如何产叶绿素荧

5、光是如何产生的呢？生的呢？叶绿素荧光与光合作叶绿素荧光与光合作用有什么样的联系呢用有什么样的联系呢？叶绿素荧光技术是如叶绿素荧光技术是如何应用于逆境生理生何应用于逆境生理生态学研究的呢？态学研究的呢？3 3、叶绿素荧光的产生、叶绿素荧光的产生植物叶片呈绿色，是因为它吸收红光和蓝光，反射植物叶片呈绿色，是因为它吸收红光和蓝光，反射绿光的缘故。绿光的缘故。入射到叶片表面的光，经过反射、散射和投射，约入射到叶片表面的光，经过反射、散射和投射，约有有84%84%被吸收利用。被吸收利用。叶绿素吸收光能后能级的变化叶绿素吸收光能后能级的变化 叶绿素分子吸收光量子后，从叶绿素分子吸收光量子后，从基态（低能态

6、）跃迁到激发态基态（低能态）跃迁到激发态（高能态）。（高能态）。由于波长越短能量越高，故叶由于波长越短能量越高，故叶绿素分子吸收红光后，电子跃绿素分子吸收红光后，电子跃迁到最低激发态；吸收蓝光后，迁到最低激发态；吸收蓝光后，跃迁到比吸收红光更高的能级跃迁到比吸收红光更高的能级（较高激发态）。（较高激发态）。处于较高激发态的叶绿素分子处于较高激发态的叶绿素分子很不稳定，在几百飞秒很不稳定，在几百飞秒（fs,1fs=10fs,1fs=10-15-15s)s)内，向周围环内，向周围环境辐射热量，回到最低激发态。境辐射热量，回到最低激发态。最低激发态的叶绿素分子可以最低激发态的叶绿素分子可以稳定存在几

7、纳秒（稳定存在几纳秒（ns,1ns=10ns,1ns=10-9 9s)s)。处于较低激发态的叶绿素分子可通处于较低激发态的叶绿素分子可通过三种途径释放能量回到稳定的基过三种途径释放能量回到稳定的基态：态：1.重新放出一个光子，回到基态，即重新放出一个光子，回到基态，即产生荧光。产生荧光。2.不放出光子，直接以热的形式耗散不放出光子，直接以热的形式耗散掉。掉。3.将能量从叶绿素分子传递给电子受将能量从叶绿素分子传递给电子受体进行光化学反应。体进行光化学反应。以上这三个过程相互竞争，具有最以上这三个过程相互竞争，具有最大速率的过程处于支配地位。对于大速率的过程处于支配地位。对于许多色素分子来说，荧

8、光发生在纳许多色素分子来说，荧光发生在纳秒级，而光化学反应发生在皮秒级，秒级，而光化学反应发生在皮秒级，因此当光合生物处于正常的生理状因此当光合生物处于正常的生理状态时，叶绿素吸收的光能大部分是态时，叶绿素吸收的光能大部分是用来进行光化学反应的，荧光只占用来进行光化学反应的，荧光只占很小的一部分。很小的一部分。所以，叶绿素荧光：所以，叶绿素荧光：植物吸收的一小部分光重新以光的形式发射植物吸收的一小部分光重新以光的形式发射出来。出来。根据能量守恒：根据能量守恒：1=1=光合作用光合作用+叶绿素荧光叶绿素荧光+热。热。可以得出：叶绿素荧光可以得出：叶绿素荧光=1-=1-光合作用光合作用-热。热。P

9、+D+F=1 F=1-P-D4 4 4 4、活体叶绿素荧光是光合作用的有效探针、活体叶绿素荧光是光合作用的有效探针、活体叶绿素荧光是光合作用的有效探针、活体叶绿素荧光是光合作用的有效探针活体状态下，叶绿素荧光几乎全部来源于活体状态下，叶绿素荧光几乎全部来源于PSPS的的ChlChl a a，活体叶绿素荧光提供的快速信息反映了，活体叶绿素荧光提供的快速信息反映了PSPS对激发能的利用和耗散情况。对激发能的利用和耗散情况。光合作用过程的各个步骤密切偶联，因此任何一光合作用过程的各个步骤密切偶联，因此任何一步变化都会影响到步变化都会影响到PSPS，从而引起荧光变化，也，从而引起荧光变化，也就是说通过

10、叶绿素荧光几乎可以探测所有光合作就是说通过叶绿素荧光几乎可以探测所有光合作用过程的变化。用过程的变化。5 5、叶绿素荧光术语、叶绿素荧光术语 植物发出的荧光可分为性质不同的两个部分：固定荧光植物发出的荧光可分为性质不同的两个部分：固定荧光(Fo)(Fo)和可变荧光和可变荧光(Fv)(Fv)。Fo Fo：固定荧光或初始荧光产量：固定荧光或初始荧光产量,也称基础荧光。代表不参也称基础荧光。代表不参与与PS PS 光化学反应的光能辐射部分光化学反应的光能辐射部分,是是PS PS 反应中心处反应中心处于完全开放时的荧光产量于完全开放时的荧光产量,它与叶绿素浓度有关。它与叶绿素浓度有关。Fv Fv：可变

11、荧光产量：可变荧光产量,代表可参与代表可参与PS PS 光化学反应的光能光化学反应的光能辐射部分辐射部分,反映了反映了PS PS 原初电子受体原初电子受体QA QA 的还原情况。的还原情况。Fm:Fm:最大荧光产量最大荧光产量,是是PS PS 反应中心处于完全关闭时的荧反应中心处于完全关闭时的荧光产量。反映通过光产量。反映通过PS PS 的电子传递情况。通常叶片经暗的电子传递情况。通常叶片经暗适应适应20min20min后测得。后测得。Fm=Fo+FvFm=Fo+Fv。FoFo：作用光关闭时的原初荧光产量。：作用光关闭时的原初荧光产量。FmFm：作用光打开时的最大荧光产量。：作用光打开时的最大

12、荧光产量。FsFs：稳态荧光产量。：稳态荧光产量。6 6、常用叶绿素荧光参数、常用叶绿素荧光参数 Fv/Fm=(Fm-Fo)/FmFv/Fm=(Fm-Fo)/Fm：PSPS的最大的最大量子产量，反应了植物的潜在量子产量，反应了植物的潜在最大光合能力（光合效率）。最大光合能力（光合效率）。叶片暗适应叶片暗适应1530min 1530min 后测得。后测得。高等植物一般在之间。高等植物一般在之间。当植物受到胁迫（当植物受到胁迫（Stress)Stress)时，时，Fv/FmFv/Fm显著下降！显著下降！PS=Yield=Fv/Fm PS=Yield=Fv/Fm：实：实际光化学量子产量，它反映际光化

13、学量子产量，它反映PSPS反应中心在部分关闭情况反应中心在部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率，下的实际原初光能捕获效率，叶片不经过暗适应在光下直接叶片不经过暗适应在光下直接测定。测定。常用叶绿素荧光参数常用叶绿素荧光参数 荧光淬灭分两种：光化学淬灭和非光化学淬灭。荧光淬灭分两种：光化学淬灭和非光化学淬灭。光化学淬灭（光化学淬灭（Photochemical QuenchingPhotochemical Quenching，qP)qP)：由光合作用引起的荧光淬灭。以光化学淬灭系数由光合作用引起的荧光淬灭。以光化学淬灭系数代表：代表：qP=(Fm-F)/(Fm-Fo)qP=(Fm-F)/(Fm-F

14、o)。非光化学淬灭（非光化学淬灭（Non-Photochemical QuenchingNon-Photochemical Quenching，qNqN或或NPQ)NPQ)：由热耗散引起的荧光淬灭，即热耗散。：由热耗散引起的荧光淬灭，即热耗散。有两种表示方法，有两种表示方法，NPQ=Fm/Fm-1NPQ=Fm/Fm-1或或qN=1-(qN=1-(Fm-F0)/(Fm-Fo)=1-Fv/FvFm-F0)/(Fm-Fo)=1-Fv/Fv。NPQNPQ比比qNqN能更准能更准确地反映无性系的非光化学淬灭的情况。确地反映无性系的非光化学淬灭的情况。光化学淬灭反映了植物光合活性的高低；非光化光化学淬灭反

15、映了植物光合活性的高低；非光化学淬灭反映了植物耗散过剩光能为热的能力，也学淬灭反映了植物耗散过剩光能为热的能力，也就是光保护能力（就是光保护能力（Muller et al.2001Muller et al.2001）。）。常用叶绿素荧光参数常用叶绿素荧光参数 rETRrETR：光合电子的相对传递速率。：光合电子的相对传递速率。rETR=F/FmPAR0.50.84 rETR=F/FmPAR0.50.84(Genty(Genty et al.1989;Schreiber et al.1994)et al.1989;Schreiber et al.1994)，其，其中系数中系数0.50.5是表示一

16、个电子传递需要吸收是表示一个电子传递需要吸收2 2个量子，系数个量子，系数0.84 0.84 表示在入射的光量子表示在入射的光量子中被吸收的占中被吸收的占84%84%，PARPAR是光合有效辐射。是光合有效辐射。7 7 7 7、叶绿素荧光动力学在植物抗逆、叶绿素荧光动力学在植物抗逆、叶绿素荧光动力学在植物抗逆、叶绿素荧光动力学在植物抗逆生理生态学研究中的应用生理生态学研究中的应用生理生态学研究中的应用生理生态学研究中的应用 光是植物最重要的能量来源光是植物最重要的能量来源,植物通过光植物通过光合作用把光能转变为化学能储藏于体内合作用把光能转变为化学能储藏于体内,但但过量的光会抑制光合作用的进行

17、过量的光会抑制光合作用的进行,甚至引起甚至引起光合机构的光氧化损伤。这种光合机构所光合机构的光氧化损伤。这种光合机构所吸收光能超过光合作用本身所能利用的能吸收光能超过光合作用本身所能利用的能量而引起光合作用效率下降的现象称为光量而引起光合作用效率下降的现象称为光抑制。抑制。现已证明现已证明,光抑制既是光抑制既是PSIIPSII伤害的一种伤害的一种表现形式表现形式,又是一种光保护过程。光抑制常又是一种光保护过程。光抑制常用用Fv/FmFv/Fm来检测。来检测。低温胁迫：黄瓜叶片的低温胁迫：黄瓜叶片的Fv/FmFv/Fm发生可逆性下降（周艳虹发生可逆性下降（周艳虹等，等，20042004）。）。热

18、胁迫：热胁迫：蜜柑和脐橙叶片蜜柑和脐橙叶片的的Fv/Fm Fv/Fm、ETRETR下降，下降，FoFo升高升高（郭延平等，（郭延平等，20032003）。）。水分胁迫：水分胁迫：甘蔗苗期甘蔗苗期叶片叶片的的Fv/FmFv/Fm、Fv/Fv/FoFo、YieldYield随水随水分胁迫强度的增强而下降。（罗俊等，分胁迫强度的增强而下降。（罗俊等，20042004）。盐胁迫：玉米幼苗叶片的盐胁迫：玉米幼苗叶片的Fv/FmFv/Fm和和Fv/Fv/FoFo明显下降，说明明显下降，说明PSIIPSII受到损伤（受到损伤（王丽燕王丽燕等等，20052005）。）。营养胁迫：缺水和缺氮时玉米叶片的营养胁迫：缺水和缺氮时玉米叶片的Fv/FmFv/Fm极显著减少极显著减少（SepheriSepheri A et al.A et al.20032003）。）。Thanks!