第1节叶绿素荧光参数及意义v2.doc

第四章 叶绿素荧光技术应用第一节 叶绿素荧光参数及其意义韩志国，吕中贤（泽泉开放实验室，上海泽泉科技有限公司，上海，33）叶绿素荧光技术作为光合伙用的典型测量措施，已经成为藻类生理生态研究领域功能最强大、使用最广泛的技术之一由于常温常压下叶绿素荧光重要来源于光系统 II 的叶绿素 a，而光系统 II 处在整个光合伙用过程的最上游，因此涉及光反映和暗反映在内的多数光合过程的变化都会反馈给光系统 II，进而引起叶绿素 a 荧光的变化，也就是说几乎所有光合伙用过程的变化都可通过叶绿素荧光反映出来与其他测量措施相比，叶绿素荧光技术还具有不需破碎细胞、简便、快捷、可靠等特性，因此在国际上得到了广泛的应用1 叶绿素荧光的来源藻细胞内的叶绿素分子既可以直接捕获光能，也可以间接获取其他捕光色素（如类胡萝卜素）传递来的能量叶绿素分子得到能量后，会从基态（低能态）跃迁到激发态（高能态）根据吸取的能量多少，叶绿素分子可以跃迁到不同能级的激发态若叶绿素分子吸取蓝光，则跃迁到较高激发态；若叶绿素分析吸取红光，则跃迁到最低激发态处在较高激发态的叶绿素分子很不稳定，会在几百飞秒（fs，1 fs=10－15 s）内通过振动弛豫向周边环境辐射热量，回到最低激发态（图 1）。

而最低激发态的叶绿素分子可以稳定存在几纳秒（ns，1 ns=10－9 s）A较高激发态B热耗散吸取蓝光吸取红光最低激发态能量荧光基态蓝波长红吸取荧光图 1 叶绿素吸取光能后能级变化（A）和相应的吸取光谱（B）（引自韩博平 et al., ）处在最低激发态的叶绿素分子可以通过几种途径（图 2）释放能量回到基态(韩博平 et al., ; Schreiber, )：1）将能量在一系列叶绿素分子之间传递，最后传递给反映中心叶绿素 a，用于进行光化学反映；2）以热的形式将能量耗散掉，即非辐射能量耗散（热耗散）；3）放出荧光这三个途径互相竞争、此消彼长，往往是具有最大速率的途径处在支配地位一般而言，叶绿素荧光发生在纳秒级，而光化学反映发射在皮秒级（ps，1 ps=10－12 s），因此在正常生理状态下（室温下），捕光色素吸取的能量重要用于进行光化学反映，荧光只占约 3%～5%(Krause and Weis, 1991; 林世青 et al., 1992)在活体细胞内，由于激发能从叶绿素 b 到叶绿素 a 的传递几乎达到 100％的效率，因此基本检测不到叶绿素 b 荧光在常温常压下，光系统 I 的叶绿素 a 发出的荧光很弱，基本可以忽视不计，对光系统 I 叶绿素 a 荧光的研究要在 77 K 的低温下进行。

因此，当我们谈到活体叶绿素荧光时，其实指的是来自光系统 II 的叶绿素 a 发出的荧光1第四章 叶绿素荧光技术应用图 2 激发能的三种去激途径（引自韩博平 et al., ）LHC，捕光色素蛋白复合体2 叶绿素荧光的研究历史在 19 世纪就有了有关叶绿素荧光现象的记载最初是在 1834 年由欧洲传教士 Brewster 发现，当强光穿过月桂叶子的乙醇提取液时，溶液的颜色由绿色变成了红色1852 年 Stokes 结识到这是一种光发射现象，并发明了“fluorescence”一词1931 年，德国科学家 Kautsky 和 Hirsch 用肉眼观测并记录了叶绿素荧光诱导现象，明确指出暗适应解决的叶片照光后的诱导过程中，叶绿素荧光强度的变化与 CO2 固定呈相反的关系(Kautsky and Hirsch, 1931; Govindjee, 1995)，此后的 10 余年中，Kautsky 和她的学生 Franck 就这一现象作了系统的研究(Kautsky and Franck, 1943)在 Kautsky 研究的基本上，后人进一步对叶绿素荧光诱导现象进行了广泛而进一步的研究，并逐渐形成了光合伙用荧光诱导理论，被广泛应用于光合伙用研究。

由于 Kautsky 的杰出奉献，叶绿素荧光诱导现象也被称为 Kautsky 效应（Kautsky Effect）从 1960 年代到 1980 年代初期，叶绿素荧光这毕生物物理学的技术被广泛用于光合伙用基本研究，诸多重要发现都与这一技术有关，如光合伙用存在两个光反映的提出(Duysens and Sweers, 1963)就是采用的这一技术应用的典型代表但在那个年代，所有的叶绿素荧光测量都只能在完全遮蔽环境光的“黑匣子”里进行，这大大限制了叶绿素荧光技术在植物胁迫生理学、生理生态学和植物病理学等领域的应用因此在很长一段时间中，叶绿素荧光技术在基本研究和应用研究的使用中存在一种鸿沟尽管如此，状况还是在逐渐好转这是由于虽然叶绿素荧光信号虽然复杂，但的确提供了可靠的、定量的信息，并且可以由越来越小型化的仪器来进行测量1980 年代中期，德国乌兹堡大学的 Schreiber 提出了叶绿素荧光测量的饱和脉冲理论，并发明了脉冲-振幅-调制（Pulse-Amplitude-Modulation）叶绿素荧光仪(Schreiber, 1986; Schreiber et al., 1986)，也就是今天大名鼎鼎的调制叶绿素荧光仪 PAM。

Schreiber 早年师从 Kautsky 的学生 Franck，在后者的指引下很早就开始进行叶绿素荧光研究(Schreiber et al., 1971; Gielen et al., )，并在 1975 年就设计出了科研界第一款便携式叶绿素荧光仪(Schreiber et al., 1975)但受限于光电技术的发展，当时这款荧光仪只能测量叶绿素荧光诱导曲线，不能进行进一步的淬灭分析，直到 PAM 的浮现才解决了这个问题调制叶绿素荧光仪 PAM 和调制叶绿素荧光测量技术在叶绿素荧光的研究历史上具有里程碑意义它采用了调制技术进行测量，从而可以在有环境光照（甚至是很强的太阳光）的状况下记录叶绿素荧光信号；2第四章 叶绿素荧光技术应用它采用了饱和脉冲技术，使得光化学淬灭和非光化学淬灭的测量成为也许PAM 面世后，不久就替代了老式的光合放氧和 CO2 同化技术，成为使用最广泛的光合活性测量技术初期的调制叶绿素荧光仪重要在实验室内进行测量，到了 1990 年代发展到可以非常以便的在野外现场测量初期的仪器采用光电二极管作为检测器，只能测量叶片或细胞浓度很高的藻液，后来采用光电倍增管后可以直接检测大洋海水的叶绿素荧光。

随着技术的发展，陆续浮现了叶绿素荧光成像测量技术、水下原位叶绿素荧光测量技术、显微叶绿素荧光测量技术、无线远程叶绿素荧光测量技术和运用叶绿素对浮游植物进行分类的技术等，这些技术均在藻类学界得到了广泛的应用3 调制叶绿素荧光原理为了更好的理解调制叶绿素荧光，一方面要懂得“荧光强度（intensity）”和“荧光产量（yield）”的区别荧光强度”的高下依赖于激发光的强度和仪器的信号放大倍数，其变化可以达到几种数量级的幅度而“荧光产量”可以理解为固定仪器设立下的荧光强度，其变化不会超过 5-6 倍，是真正涉及了光合伙用信息的参数例如针对一种暗适应解决后的样品，照射 0.5 µmol m-2 s-1 的测量光后，其荧光产量是非常稳定的假设此时仪器的增益设立为 1，荧光强度为 300 mV；当仪器的增益设立改为 3 后，荧光强度变为 900 mV但事实上由于激发光恒定，样品发出的荧光产量是恒定的，只是在不同的信号放大倍数下检测到的荧光强度不同而已抱负的荧光仪必须能在不变化样品状态的状况下（即非破坏性）进行生理活性测量，需要满足如下几条规定(Schreiber, 1986; Schreiber et al., 1986; Schreiber, )：1）测量光必须足够低，只激发色素的本底荧光而不引起光合伙用，这样才干获得暗适应后的最小荧光 Fo；2）测量光由一系列微秒级的光脉冲构成，这些短光脉冲可以不同的频率给出。

在很低的频率下，虽然单个微秒级光脉冲的强度比较高，也不会引起光合伙用；3）用反映迅速、线性范畴大的光电二极管（或光电倍增管）来检测这些由微秒级测量光脉冲激发的微秒级荧光脉冲；4）荧光脉冲信号一方面由交流耦合放大器放大，然后进一步经选择性锁相放大器解决，只放大和调制测量光同频率的荧光信号，可以有效屏蔽环境中自身就存在的与叶绿素荧光同波长的背景噪音（这就好比选择调频收音机的某个频道，就可以在浩如烟海的无线电波噪音中获得选择性接受您需要的无线电波，采用调制技术，可以在大量的环境光背景噪音中选择性测量叶绿素 a 发出的荧光）；5）当打开光化光或饱和脉冲时，可以自动提高测量光频率，以提高信号采点率，有效记录某些比较迅速的荧光动力学变化（如荧光迅速上升动力学）调制叶绿素荧光仪有两大核心技术，一种是上文提到的光调制技术，有了它才干使得我们在有环境光的状况下测量叶绿素荧光；另一种就是饱和脉冲技术所谓饱和脉冲技术，就是提供一种瞬间的强光脉冲，来临时打断光系统 II 电子传递过程我们已经懂得，光合机构吸取的光能有三条去激途径：光化学反映（Photochemistry, P）、叶绿素荧光（Fluroescence, F）和热耗散（Dissipation, D）。

根据能量守恒原理，假设吸取的光能为常数 1，得到 1=P+F+D叶绿素荧光产量可以测量出来，而我们但愿得出 P 和 D 两个参数根据基本的数学原理，一种等式有两个未知数是无解的此时如果给出一种饱和脉冲，临时打断光化学反映过程，则 P=0，这个等式就可以求解了由此可知，饱和脉冲技术的基本作用就是打断光合伙用，用于求出光化学反映和热耗散分别用去了多少能量初期，科研人员只能通过人为加入农药敌草隆（DCMU）来阻断光系统 II 的电子传递过程，从而获得最大荧光 Fm，而这是不可逆的后来，Schreiber 在“光强倍增”技术(Bradbury and Baker, 1981; Quick and Horton, 1984)的基本上提出了“饱和脉冲”技术(Schreiber et al., 1986)饱和脉冲技术的最大长处在于，它是临时阻断光系统 II 的电子传递过程，由于持续时间很短（一般 0.2-1.5 s），因此饱和脉 冲关闭后光合电子传递会在极端的时间内恢复运转因此说这是一种可逆的过程，正是有了饱和脉冲技术，我们才干不破3第四章 叶绿素荧光技术应用坏样品的完整性就获得其光合生理参数4 叶绿素荧光诱导曲线和典型参数从 Kautsky 发现叶绿素荧光诱导现象并提出其与光合伙用的关系后，80 近年来运用叶绿素荧光研究光合伙用采用的最重要技术就是荧光诱导曲线。

那么什么是叶绿素荧光诱导曲线呢？测量叶绿素荧光诱导曲线能获得哪些生物信息呢？所谓叶绿素荧光诱导，就是将样品在黑暗的状态下适应一段时间，然后照射光化光，观测样品的光合机构从暗转到光下的响应过程为什么要暗适应呢？在光合电子传递链上有一种叫做质体醌（PQ）的载体，是整个电子传递过程的限速环节，可以通俗的称之为电子门在光合膜上 PQ 的数量与捕光色素吸取的光子数（微摩尔级）相比是微局限性道的因此光合伙用进行时，光系统 II 释放出的电子总是。