用调制荧光技术研究光合作用

本实验内容 比较不同植物的光合差异 比较同一植物不同年龄叶片的光合差异 比较逆境胁迫植物的光合差异（高温、低温等逆境胁迫处理30分钟以上）

光合作用和叶绿素荧光 调制荧光技术及其应用

关于光合作用 Chloroplast Light

光反应过程—光合电子传递 PS II Cytb6/f PS I ATPase Calvin Cycle ATP ADP+Pi NADPH 2H2O O2+4H+ ADP+Pi ATP NADPH Calvin Cycle

暗反应过程——卡尔文循环 CO2 暗反应过程—Calvin循环

如何测光合作用？ 测CO2 的变化：气体交换法 测O2释放量：氧电极法 测糖的增加：半叶片法 测荧光变化：调制荧光法 Light Chloroplast Light

光合膜的结构 PS II Cytb6/f PS I ATPase 1.电子门的概念 (光系统II的开放和关闭) e- e- e- e- e- 2H2O O2+4H+ ADP+Pi ATP NADPH Calvin Cycle e- e- e- e- e- e- e- e- e-

光合膜的结构 PS II Cytb6/f PS I ATPase 1.电子门的概念 (光系统II的开放和关闭) 2.荧光的产生 e- e- 2H2O O2+4H+ ADP+Pi ATP NADPH Calvin Cycle 2.荧光的产生 e- e- e- e- e- e- e- e- e-

叶绿素荧光的产生 较高激发态 热 最低激发态 光合作用 蓝光 红光 荧光 热 基态 叶绿素荧光：植物吸收的一小部分光重新以光的形式发射出来

光合膜的结构 PS II Cytb6/f PS I ATPase 1.电子门的概念 (光系统II的开放和关闭) 2.荧光的产生 2H2O O2+4H+ ADP+Pi ATP NADPH Calvin Cycle 2.荧光的产生 3.线性电子传递与循环电子传递的平衡 (光系统II与光系统I的平衡) e- e-

光强与叶绿素荧光的关系 Fm Fo 叶绿素荧光 光强 µmol m-2 s -1 光化光 (AL) 饱和光 (SP) 测量光 (ML) 1 2000 光强与叶绿素荧光的关系

任一状态下的荧光产量是将最大荧光（Fm）淬灭的结果 (D) (P) P+F+D=1 F=1-P-D 如何通过荧光来反映光合呢？ 活体状态下，叶绿素荧光几乎全部来自PSII的叶绿素a。 PSII处于光合电子传递链的上游，光合作用各个过程密切偶联，因此任何一步的变化都会影响到PSII，从而引起荧光的变化。 荧光是光合作用的有效探针。 任一状态下的荧光产量是将最大荧光（Fm）淬灭的结果 光化学和非光化学荧光淬灭

光诱导曲线 光（饱和）曲线

PAM测量的荧光诱导曲线—饱和脉冲法 Fv/Fm =(Fm-Fo)/Fm Y(II)=(Fm’-F)/Fm’ =F/Fm’ Fm Fv Time SP Fo Fm Fm’ F Fo’ Fv F AL AL ML ML Fv/Fm =(Fm-Fo)/Fm Y(II)=(Fm’-F)/Fm’ =F/Fm’ PAM测量的荧光诱导曲线—饱和脉冲法

PAM测量的荧光诱导曲线—饱和脉冲法 NPQ qL Time qL=(Fm’-F)/(Fm’-Fo’)·Fo’/F=qP·Fo’/F SP AL AL ML ML qL NPQ qL=(Fm’-F)/(Fm’-Fo’)·Fo’/F=qP·Fo’/F qP=(Fm’-F)/Fv’=1-(F-Fo’)/(Fm’-Fo’) NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’=Fm/Fm’-1 qN=(Fv-Fv’)/Fv=1-(Fm’-Fo’)/(Fm-Fo) PAM测量的荧光诱导曲线—饱和脉冲法

PAM测量的荧光诱导曲线—饱和脉冲法 Y(NPQ) Y(II) Y(NO) Time Y(II)=(Fm’-F)/Fm=F/Fm’ Y(NPQ)=F/Fm’-F/Fm Y(NO)=F/Fm Y(II)+Y(NPQ)+Y(NO)=1 Y(NPQ) Y(II) Y(NO) SP Time ML AL AL ML

暗适应：Fv/Fm —— 最大光合效率 光适应：ΔF/Fm’ —— 实际光合效率 E=P + D + F = 1 （能量守恒定律） 打开饱和脉冲时：P=0, F=Fm, D=Dm, Dm=1－Fm 假设在打开饱和脉冲的短暂时间内，D/F的比值保持不变，则 D/F=Dm/Fm D=F  Dm/Fm=F  (1－Fm)/Fm 因此，PS II的量子产量P可根据下式计算： P=1－F－D =1－F－F  (1－Fm)/Fm =(Fm－F)/Fm =ΔF/Fm 暗适应：Fv/Fm —— 最大光合效率 光适应：ΔF/Fm’ —— 实际光合效率

重要荧光参数 Fv/Fm：潜在最大光化学效率 ΦPSII：实际光化学效率 qP: 光化淬灭 （光合活性高低） NPQ： 非光化淬灭（耗散过剩光能的能 力，光保护） ΦNPQ：调节性能量耗散的量子产量 ΦNO：非调节性能量耗散的量子产量 ETR：相对电子传递速率

常用叶绿素荧光参数 Y(II)=ΦPS II=(Fm’-Fs)/Fm’=ΔF/Fm’=qP·Fv’/Fm’ : Fv/Fm =(Fm-Fo)/Fm : PS II的最大量子产量，反映了植物的潜在最大光合能力（光合效率） 高等植物：0.8-0.84；绿藻：0.7-0.75； 硅藻/甲藻：0.65-0.7；蓝藻/红藻：无固定值 当植物受到胁迫（Stress）时，Fv/Fm显著下降! Y(II)=ΦPS II=(Fm’-Fs)/Fm’=ΔF/Fm’=qP·Fv’/Fm’ : 任一光照状态下PS II的实际量子产量（实际光合能力、实际光合效率） 不需暗适应，不需测定Fo’，适合野外调查

实例一：低温对银叶树幼苗光合特性的影响 材料与方法： 将培养在光照培养箱（24℃）的银叶树幼苗从培养箱取出放在室外自然低温处理，记录低温对Fv/Fm的影响； 分别记录小苗取出前，低温处理1d,2d,3d的Fv/Fm；

快速光饱和曲线 rETR =PAR·Y(II)·0.84·0.5 : 光系统II的相对电子传递速率 rETR随PAR的变化图即为光响应曲线，即使光化光的持续时间短至10 s，也可得出典型的光响应曲线，这被称为快速光曲线（Rapid Light Curves）

实例二、逆境胁迫下高山榕叶片快速光饱和曲线 ETR PAR

调制荧光技术的优点 为什么选择荧光？ 简便、快速、灵敏、可靠 活体测量、对样品无干扰 光合作用研究的三大技术之一（调制荧光，光合放氧和气体交换） 对样品形状无任何限制，只要有叶绿素就能测 为什么选择荧光？

调制荧光技术可以做什么？ 研究环境因子对植物的影响 各种胁迫对植物光合生理的影响（温度、水分、光照、盐、空气污染、重金属…）。 不同物种对不同环境因子的适应性不同，可以进行种质资源的筛选。 植物健康状态的早期诊断 用于光合作用机理研究 植物病理学研究 筛选突变株 ……

应用于作物病理学

猕猴桃果实的光合作用异质性 Fo Fm

荷花叶片荧光参数的横向异质性 Y Fv/Fm rETR/50 qP qN NPQ/4

Zeiss Axiostar with Plan-Apochromat 10x/0.45 objective 分类：丝状绿藻与附生的硅藻 Zeiss Axiostar with Plan-Apochromat 10x/0.45 objective

植物胁迫生理学 Control 48° 50° 44° 46°