叶绿素荧光应用解释

叶绿素荧光原理与应用

光合作用过程简介

光合膜上的蛋白复合体

光反应的电子传递Z-scheme

叶绿素荧光的产生

叶绿素吸收光能的去向

光合机构吸收的光能有三个可能的去向：

一、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),氮素还原，光呼吸等。

二、转变成热散失；

三、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

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1)。

实际上,以荧光形式发射出来的光能在数量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。

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%被转变成约97%被用于光化学反应25%被转变成热散失,被变成荧光发射出来；

热散失,0.5%被变成荧光发射出来；

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，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。

调制式荧光仪的作用原理

调制光用于叶绿素荧光测定和猝灭分析是荧光测定的一个革命性进展。在这样的系

统中，用于测定荧光的光源被调制，也就

是使用以很高频率不断开关的光源。在这

样的系统中，检测器选择性放大，仅仅检样的系统中检测器选择性放大仅仅检

测被调制光激发的荧光，就可以在田间条

件下，即在田间很强的太阳光存在的情况件下即在田间很强的太阳光存在的情况下测定相对的荧光产额。

调制荧光技术把作用光信号与荧光信号区分开，

在测定时，给植物材料施加一个脉冲调制光束，

该脉冲光使植物叶片产生一个脉冲的荧光信号，

当有自然光存在时，检测到由脉冲调制光束诱

导出的脉冲荧光信号。

导出的脉冲荧光信号

脉冲荧光信号的大小可以反映出叶片生理状况

，由脉冲调制光束诱导出的脉冲荧光信号作为由冲制光束出的冲荧光信作为

光系统II光能利用效率大小的探针。

叶绿素荧光诱导动力学

z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

会随时间发生规律性的变化即kautsky效应，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、I、D、P、S、M和T

为O I D P S M和T

叶绿素荧光诱导动力学曲线

在照光的第一秒钟内，荧光水平从O上升到P,这段被称为快相；

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。

快相与的原初程有，慢相

快相与PSII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。

测定与分析

荧光测定和猝灭分析需要几种不同的光源：

1.检测光（调制光）―绿光：光强PPFD 小于

-2-1用于测10μmol·m 2·s 1，用于测Fo 。

2.作用光―通常用白光，用于推动光合作用的光

化学反应光强可因实验目的不同而变化化学反应，光强可因实验目的不同而变化。

3.饱和脉冲光―通常用白光，光强PPFD 大于

3000μmol·m -2·s -1，确保Q A 全部还原，用于测Fm 和Fm'。

4.弱远红光（或暗）―以便PSI 推动Q A 氧化，测

Fo'前使用。

前使用

基本步骤

在植物对各种环境胁迫响应的分子机理研究中，

为了获得未遭受任何环境胁迫的对照叶片的基本荧光

参数首先需要让对照叶片经过一个充分的暗适应过参数，首先需要让对照叶片经过个充分的暗适应过

程。

首先，给一个经过充分暗适应的叶片照射检测光

，经过小段时间（12min）荧光水平稳定后得到，经过一小段时间（1~2min

荧光参数Fo。接着，给一个饱和脉冲光，一个脉冲

后关闭，得到荧光参数Fm，于是得到荧光参数

v/(v o)，即潜在的S的光化学效率

Fv/Fm(Fv=Fm-Fo)PS II

叶片荧光的暗－光适应曲线

高级植物生态学试题

《高级植物（生理）生态学》课程考试试题 生命科学学院周晓丽学号：G2004477 一、名词解释（30分） 1.光补偿点和光饱和点 光补偿点：光合作用吸收的二氧化碳与呼吸作用放出的二氧化碳数量相等时的光强。阴生植物的光补偿点低于阳生植物，C3植物低于C4植物。 光饱和点：在一定的光强范围内，植物的光合强度随光照度的上升而增加，当光照度上升到某一数值之后，光合强度不再继续提高时的光照度值。 2.CO2饱和点和CO2补偿点 CO2饱和点：CO2浓度增加到一定程度时光合速率不再增加,此时环境中CO2的浓度称二氧化碳饱和点。 CO2补偿点：光合作用释放的氧气与呼吸作用消耗的氧气相等时外界环境中的CO2浓度，就是光合作用的CO2补偿点。 3.量子产率与羧化效率 量子产率：体系吸收每一个光子所引发的某种事件的数目。符号为ψ，Y。积分量子产率为Ф=事件数/吸收光子数。对于光化学反应，ψ=反应物消耗(或产物产生)的数量/吸收光子数量。微分量子产率为φ=(d[x]/dt)/n。式中d[x]/dt为某可测量量的变率，n为单位时间内所吸收的光子数(摩尔或爱因斯坦)。ψ可用于光物理过程或光化学反应。 羧化效率：在低CO2浓度条件下，CO2浓度是光合作用的限制因子，直线的斜率(CE)受羧化酶活性和量的限制。因而，CE被称为羧化效率。CE值大，则表示Rubisco的羧化效率较高。 4.叶面积指数：单位土地面积上植物植株绿叶面积与土地面积的比值。是反映作物群体大小的较好的动态指标。 5.植物的碳同位素区异：主要指C3、C4在植物体内的不同含量。

二、简答题（40分） 1、画图示意光合速率的光响应曲线，并标示出暗呼吸、光补偿点和光饱和 点。 光和响应曲线 2、如何理解叶绿素荧光动力学中的F V/F m和NPQ，它们在分析植物光合生 理分析有何意义？ 调制叶绿素荧光全称脉冲-振幅-调制（Pulse-Amplitude-Modulation,PAM）叶绿素荧光，我们国内一般简称调制叶绿素荧光，测量调制叶绿素荧光的仪器叫调制荧光仪，或叫PAM。 调制叶绿素荧光（PAM）是研究光合作用的强大工具，与光合放氧、气体交换并称为光合作用测量的三大技术。由于其测量快速、简单、可靠、且测量过程对样品生长基本无影响，目前已成为光合作用领域发表文献最多的技术。 调制叶绿素荧光仪的工作原理 1983年，WALZ公司首席科学家，德国乌兹堡大学教授Ulrich Schreiber 博士利用调制技术和饱和脉冲技术，设计制造了全世界第一台脉冲振幅调制（Pulse-Amplitude-Modulation，PAM）荧光仪——PAM-101/102/103。 所谓调制技术，就是说用于激发荧光的测量光具有一定的调制（开/关）频

叶绿素荧光参数及意义

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，200333） 叶绿素荧光技术作为光合作用的经典测量方法，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主要来源于光系统II 的叶绿素a ，而光系统II 处于整个光合 作用过程的最上游，因此包括光反应和暗反应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作用过程的变化都可通过叶绿素荧光反映出来。与其它测量 方法相比，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，也可以间接获取其它捕光色素（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）。根据吸收的能量多少， 叶绿素分子可以跃迁到不同能级的激发态。若叶绿素分子吸收蓝光，则跃迁到较高激发态；若叶绿素分析 吸收红光，则跃迁到最低激发态。处于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围环境辐射热量，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 ）。 波长吸收荧光红 B 蓝 荧光 热耗散 最低激发态较高激发态基态吸收蓝光吸收红光能量A 图1 叶绿素吸收光能后能级变化（A ）和对应的吸收光谱（B ）（引自韩博平 et al., 2003） 处于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., 2003; Schreiber, 2004)：1）将能量在一系列叶绿素分子之间传递，最后传递给反应中心叶绿素a ，用于进行光化 学反应；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。这三个途径相互竞 争、此消彼长，往往是具有最大速率的途径处于支配地位。一般而言，叶绿素荧光发生在纳秒级，而光化 学反应发射在皮秒级（ps ，1 ps=10－12 s ），因此在正常生理状态下（室温下），捕光色素吸收的能量主要用 于进行光化学反应，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，基本可以忽略不计，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。

叶绿素荧光研究背景知识介绍

叶绿素荧光研究背景知识介绍 前言 近些年来，叶绿素荧光技术已经逐渐成为植物生理生态研究的热门方向。荧光数据是植物光合性能方面的必要研究内容。目前这种趋势由于叶绿素荧光检测仪的改进而得到发展。然而荧光理论和数据解释仍然比较复杂。就我们所了解的情况来看，目前许多研究者对荧光理论不是很清楚，仪器应用仅仅限于简单的数据说明的基础上，本文在此基础上，目的在于简单明晰地介绍相关理论和研究要点，以求简单明确地使用叶绿素荧光检测设备，充分分析实验数据，重点在于植物生理生态学技术的应用和限制。 荧光测量基础 植物叶片所吸收的光的能量有三个走向：光合驱动、热能、叶绿素荧光。三个过程之间存在竞争，其中任何一个效率的增加都将造成另外两个产量的下降。因此，测量叶绿素荧光产量，我们可以获得光化学过程与热耗散的效率的变化信息。尽管叶绿素荧光的总量很小(一般仅占叶片吸收光能总量的1-2%)，测量却非常简单。荧光光谱不同于吸收光谱，其波长更长，因此荧光测量可以通过把叶片经过给定波长的光线的照射，同时测量发射光中波长较长的部分光线的量来实现。有一点需要注意的是，这种测量永远是相对的，因为光线不可避免会有损失。因此，所有分析必须把数据进行标准化处理，包括其进一步计算的许多参数也是如此。 调制荧光仪的出现是荧光研究技术的革命性的创新。在这类仪器中，测量光源是调制(高频率开关)的，其检测器也被调谐来仅仅检测被测量光激发的荧光。因此，相对的荧光产量可以在背景光线(主要是指野外全光照的条件下)存在的条件下进行测量。目前绝大多数的荧光仪采用了调制系统，同时也强烈建议选择调制荧光仪(Kate Maxwell,2000)。 为什么荧光产量会发生改变？Kautsky效应和Beyond 叶绿素荧光产量的变化最早在1960年被Kautsky和其合作者发现。他们发现，当把植物叶片从黑暗中转入光下，荧光产量瞬间上升(大约在1秒左右)这种上升可以解释为光合途径中电子受体的还原(可接受电子的受体的减少)。一旦PSII吸收光能，初级电子受体Q A(质体醌)接受了电子，它将不能再接受电子，直到它把电子传递给下一级电子载体Q B。此期间，反应中心是关闭的，反应中心关闭的比

对于叶绿素荧光全方面的研究

对于叶绿素荧光全方面的研究 叶绿素荧光现象的发现 将暗适应的绿色植物突然暴露在可见光下后，植物绿色组织发出一种暗红色，强度不断变化的荧光。荧光随时间变化的曲线称为叶绿素荧光诱导动力学曲线。最直观的表现是，叶绿素溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色的现象。其本质是，叶绿素吸收光后，激发了捕光色素蛋白复合体，LHC将其能量传递到光系统2或光系统1，期间所吸收的光能有所损失，大约3%-9%的所吸收的光能被重新发射出来，其波长较长，即叶绿素荧光。 叶绿素荧光动力学研究的特点 1、叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息 光能的吸收和转换 能量的传递与分配 反应中心的状态 过剩光能及其耗散 光合作用光抑制与光破坏 2、可以对光合器官进行“无损伤探查” 3、操作步骤简单快捷 光合作用的光抑制 光抑制是过剩光能造成光合功能下降的过程。过剩光能指植物所吸收的光能超出光化学反应所能利用的部分。过去人们把光抑制与光破坏等同起来，认为发生了光抑制就意味着光和机构遭到破坏。甚至把光抑制、光破坏、光氧化等，沦为一体。 光抑制的基本特征表现为： 光合效率下降说明叶片吸收的光能不能有效地转化为化学能。光破坏：PSII 是光破坏的主要场所，破坏也可能发生在反应中心也可能发生在与次级电子受体结合的蛋白上。发生光破坏后的结果：电子传递受阻、光合效率下降。当过剩的光能，不能及时有效地排散时，会对光合机构造成不可逆的伤害，如光氧化、光漂白等等。一切影响二氧化碳同化的外界因素，如低温、高温、水分亏缺、矿质元素亏缺等都会减少对光能的利用，导致过剩光能增加，进而加重光破坏。 植物防御破坏的措施 1、减少对光能的吸收 增加叶片的绒毛、蜡质 减少叶片与主茎夹角 2、增强代谢能力 碳同化 光呼吸 氮代谢 3、增加热耗散 依赖叶黄素循环的热耗散 状态转换 作用中心可逆失活 光合作用

植物表型组学研究技术(一)FluorCam 叶绿素荧光成像技术

植物表型组学研究技术（一） ——FluorCam叶绿素荧光成像技术

FluorCam叶绿素荧光成像技术 Rousseau等（High throughput quantitative phenotyping of plant resistance using chlorophyll fluorescence image analysis.Plant Methods, 2013, 9:17），利用FluorCam开放式叶绿素荧光成像系统作为高通量表型分析平台，采用图像阈值分割等分析方法，对植物病原体感染进行了定量分析检测，根据Fv/Fm将感染分为不同阶段／等级，特别是可以将用其它方法难以分辨出来的感染前期加以分辨，并对5个品种的菜豆对普通细菌性疫病的抗性进行了定量分析评价。 PSI公司首席科学家Nedbal教授与公司总裁Trtilek博士等首次将PAM叶绿素荧光技术（Pulse Amplitude Modulated technique—— 脉冲调制技术）与CCD技术结合在一起，于1996 年在世界上成功研制生产出FluorCam叶绿素荧 光成像系统（Heck等，1999；Nedbal等，2000； Govindjee and Nedbal, 2000）。FluorCam叶 绿素荧光成像技术成为上世纪90年代叶绿素荧 光技术的重要突破，使科学家对光合作用与叶 绿素荧光的研究一下子进入二维世界和显微世 界，广泛应用于植物生理生态、植物胁迫与抗 性监测、作物育种、植物表型分析等。不同于 其它成像分析技术，FluorCam叶绿素荧光成像 只对叶绿素荧光波段敏感，可以有效避免环境 光的干扰，特异性、高灵敏度反映植物生理生 态状况。 主要功能特点如下： 1)高灵敏度CCD，时间分辨率可达50帧／秒，有效抓取叶绿素荧光瞬变；可选配高分 辨率CCD，分辨率1392x1040像素，用于气孔功能成像分析、稳态荧光如GFP荧光测量等

植物体叶绿素荧光测定仪的原理与使用方法

植物体叶绿素荧光测定仪的原理与使用方法 【实验目的】 ?了解目前在光合作用研究中先进的叶绿素荧光技术，了解便携式叶绿素荧光仪测定 植物光合作用叶绿素荧光参数的基本原理和仪器的使用方法。 ?老师演示和学生分组利用便携式叶绿素荧光仪(PAM2100)测定实验植物的叶绿素荧 光基本参数(Fo, Fm, Fv/Fm, Fm’, Fo’, Yield, ETR, PAR, qP, qN等)。 ?了解荧光仪的广泛应用 【实验原理】 仪器介绍和工作原理 叶绿素荧光（Chlorophyll Fluorescence）的产生 ?传统的光合作用测定是通过测量植物光合作用时CO2的消耗或干物质积累计算出 来。叶绿素荧光分析技术通过测量叶绿素荧光量准确获得光合作用量及相关的植物生长潜能数据。 ?叶绿素荧光动力学技术在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗 散、分配等方面具有独特的作用，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”特点。 ?本实验以调制式叶绿素荧光仪PAM-2100（W ALZ）为例，测定植物叶绿素荧光主 要参数。植物叶片的生长状况不同，所处位置的不同，光照不同，叶绿素荧光参数数值也会有所不同，所以不同叶片之间叶绿素荧光产量存在着一定的差异。 【实验内容与步骤】 一、仪器使用步骤讲解 1. 仪器安装连接 将光纤和主控单元和叶夹2030-8相连接。光纤的一端必须通过位于前面板的三孔光纤连接器连接到主控单元，光纤的另一端固定到叶夹2030-B上。同时，叶夹2030-B还应通过LEAF CLIP插孔连接到主控单元。 2. 开机 按“POWER ON”键打开内置电脑后，绿色指示灯开始闪烁，说明仪器工作正常。随后在主控单元的显示器中会出现PAM-2100的表示。从仪器启动到进入主控单元界面大概要40秒。 3. PAM-2100的键盘 PAM-2100主控单元上有20个按键，现分别简要介绍主要按键的功能。

叶绿素荧光成像技术及其在光合作用研究中的应用

Fluorcam荧光成像技术及其在光合作用研究 中的应用 Eco‐lab生态实验室 北京易科泰生态技术有限公司 info@eco‐https://www.wendangku.net/doc/4a8052234.html,

目录 1、叶绿素荧光成像技术发展过程 2、荧光参数及其生理意义 3、PSI介绍（荧光成像的发明者） 4、PSI产品介绍 5、应用案例

叶绿素荧光技术发展历程 ?Kautsky effect: Kautsky and Hirsch(1931)首次用肉眼发现叶绿素荧光现象并发表论文“CO2同化新实验”，后被称作“Kautsky effect” ?PAM(Pulse Amplitude Modulated Fluorometer): Schreiber（1986）等发明了PAM脉冲调制技术测量叶绿素荧光。?FluorCam：KineKc imaging of chlorophyll fluorescence: Ladislav Nedbal（2000）等于上世纪90年代末期发明了与 PAM技术相结合的叶绿素荧光成像技术

成像测量局部放大

荧光参数及其意义 ?Fo、Fm与QY，此外还有PAR_Abs及ETR ?Kautsky诱导效应：Fo，Fp，Fv，Ft_Lss，QY，Rfd ?荧光淬灭分析：Fo，Fm，Fp，Fs，Fv，QY，NPQ，Qp，Rfd 等50多个参数 ?OJIP曲线：快速荧光诱导曲线。Fo，Fj，Fi，P或Fm，Mo（OJIP曲线初始斜率）、FixArea固定面积、Sm（对关闭所有光反应中心所需能量的量度）、QY、PI等 ?LC光响应曲线：Fo，Fm，QY，QY_Ln

叶绿素荧光仪著名厂商 ?PSI：捷克布尔诺Brno（孟德尔在此发现著名的孟德尔遗传定律），Ladislav Nedbal为首席科学家和主要股东（另一股东为David Kramer，美国密执根州立大学教授），1997年为美国华盛顿大学H.Pakrasi教授研制成了第一台FluorCam荧光成像系统。主要产品有： –FluorCam叶绿素荧光成像系列产品 –FL3500/FL5000双调制荧光仪系列产品 –FluorPen及AquaPen等手持式荧光仪产品 –光养生物反应器等藻类培养与在线监测产品 –光源与植物培养室 ?Optics：美国，主要产品为OS5p‐PAM叶绿素荧光仪等?Walz：德国，主要产品为PAM2500叶绿素荧光仪等

第4章第1节_叶绿素荧光参数及意义-v2

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，200333） 叶绿素荧光技术作为光合作用的经典测量方法，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主要来源于光系统 II 的叶绿素 a ，而光系统 II 处于整个光合作用过程的最上游，因此包括光反应和暗反应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作用过程的变化都可通过叶绿素荧光反映出来。与其它测量方法相比，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，也可以间接获取其它捕光色素（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）。根据吸收的能量多少，叶绿素分子可以跃迁到不同能级的激发态。若叶绿素分子吸收蓝光，则跃迁到较高激发态；若叶绿素分析吸收红光，则跃迁到最低激发态。处于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围环境辐射热量，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 吸收蓝光 吸收红光 最低激发态 能量 荧光 基态 蓝 波长 红 荧光 图 1 叶绿素吸收光能后能级变化（A ）和对应的吸收光谱（B ）（引自韩博平 et al., 2003） 处于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., 2003; Schreiber, 2004)：1）将能量在一系列叶绿素分子之间传递，最后传递给反应中心叶绿素 a ，用于进行光化学反应；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。这三个途径相互竞争、此消彼长，往往是具有最大速率的途径处于支配地位。一般而言，叶绿素荧光发生在纳秒级，而 光化学反应发射在皮秒级（ps ，1 ps=10－12 s ），因此在正常生理状态下（室温下），捕光色素吸收的能 量主要用于进行光化学反应，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，基本可以忽略不计，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。

叶片荧光测量实验报告

叶片荧光测量实验报告 1.实验目的 2.实验方法 利用PAM100,荧光成像系统测量叶绿素荧光 3.实验原理及一些参数的意义 荧光的变化反映光合与热耗散的变化。 光化学淬灭（Photochemical Quenching）:由于光合作用引起的荧光下降，反映了光合活性的高低。 qP=(Fm’-Fs)/Fv’=1-(Fs-Fo’)/(Fm’-Fo’) （基于“沼泽模型”） qL=(Fm’-F)/(Fm’-Fo’)·Fo’/F=qP·Fo’/F （基于“湖泊模型”） 非光化学淬灭（Non-Photochemical Quenching）:由于热耗散引起的荧光下降。 qN=(Fv-Fv’)/Fv=1-(Fm’-Fo’)/(Fm-Fo) NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’=Fm/Fm’-1 ，不需测定Fo’，适合野外调查qN或NPQ反映了植物耗散过剩光能转化为热的能力，反映了植物的光保护能力。 Fv/Fm =(Fm-Fo)/Fm : PS II的最大量子效率，反映植物潜在最大光合能力，高等植物一般在0.8－0.84之间，当植物受到胁迫（Stress）时，Fv/Fm显著下降。 ΦPS II = Yield = (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。 Y(NPQ)=1-Y(II)-1/(NPQ+1+qL(Fm/Fo-1))：调节性能量耗散，PS II 处调节性能量耗散的量子产量。若Y(NPQ)较高，一方面表明植物接受的光强过剩，另一方面则说明植物仍可以通过调节（如将过剩光能耗散为热）来保护自身。Y（NPQ）是光保护的重要指标。 Y(NO)=1/(NPQ+1+qL(Fm/Fo-1))：非调节性能量耗散 PS II处非调节性能量耗散的量子产量。若Y(NO)较高，则表明光化学能量转换和保护性的调节机制（如热耗散）不足以将植物吸收的光能完全消耗掉。也就是说，入射光强超过了植物能接受的程度。这时，植物可能已经受到损伤，或者（尽管还未受到损伤）继续照光的话植物将要受到损伤。Y（NO）是光损伤的重要指标。 P：光合速率，即相对电子传递速率rETR Pm: 最大光合速率，即最大相对电子传递速率rETRmax α：初始斜率，反映了光能的利用效率 β：光抑制参数 Ik=Pm/α：半饱和光强，反映了样品对强光的耐受能力。

植物叶绿素荧光成像技术在国内的应用

植物叶绿素荧光成像技术在国内的应用（第四期） 植物叶绿素荧光成像技术作为最早实用化的叶绿素荧光成像技术，是目前世界上最权威、使用范围最广、种类最全面、发表论文最多的叶绿素荧光成像技术。涵盖了从叶绿体、单个细胞、微藻到叶片、果实、花朵，乃至整株植物和植物灌层，几乎可以测量所有的植物样品，甚至包括含有叶绿素的微生物和动物。 叶绿素荧光成像技术最早在21世纪初引进到国内，但一直到2010年后国内的科学家才在国际交流中逐渐发现这项技术的巨大价值，在短短数年中也利用这一技术发表了几十篇高水平SCI 文献。本期主要介绍目前叶绿素荧光成像技术在国内的应用情况。 一、 植物光合生理研究 叶绿素荧光可以直接反应植物光系统的生理状况，因此从叶绿素荧光技术发明之初，就被用于各种植物光合生理研究。 山东农科院使用FluorCam 叶绿素荧光成像技术研究了小麦旗叶与外露花梗光合能力的差异[1]。研究中发现在小麦生长前中期，旗叶与外露花梗的最大光化学效率Fv/Fm 和量子产额ΦPSII 基本相同。但在生长后期，旗叶的光合能力显著下降，而花梗光合能力的下降幅度要小于旗叶（图1）。这证明了在生长后期的灌浆期，花梗对维持籽粒的生长更为重要。 之后，他们又研究了小麦叶片和颖片季节衰老过程中以及颖果发育过程中光合特性的变化[2；3，图2]。 图2. 不同生长期小麦叶片和颖片的最大光化学效率Fv/Fm （A ）、量子产额ΦPSII （B ）和非光化学淬灭NPQ （C ）的变 化 图1. 不同生长阶段的旗叶（A ，C ）和外露花梗（B ，D ）的Fv/Fm （A ，B ）和ΦPSII （C ，D ）典型叶绿素荧光成像图

叶绿素荧光技术及其在藻类研究监测中的应用

叶绿素荧光技术及其在藻类研究中的应用 自从上世纪六十年代Carl Lorenzen（1966）首次将海水泵入安装在考察船上的叶绿素荧光仪进行藻类研究以来，叶绿素荧光技术很快成为海洋湖泊藻类研究的重要技术手段。特别是上世纪九十年代以来，Kolber等（1993,1998）、Trtilek等（1997）、Nedbal等（1999）、Dijkman等（1999）、Koblizek等（1999）等科学家采用P&P技术“pump-and-probe”、双调制技术（Dual-modulation）FRR技术（fast repetition rate）对海洋湖泊藻类进行了大量研究，奠定了叶绿素荧光技术在藻类研究监测中的重要地位。下面就一系列国际先进的用于藻类研究监测的叶绿素荧光仪器技术做一简单介绍。 栅藻（Scenedesmus）FKM叶绿素荧光成像及不同栅藻的叶绿素荧光动态曲线 1. FL3500叶绿素荧光仪 1995年Trtilek等研制生产了世界上首款FL100双调制叶绿素荧光仪（Trtilek等，1997；Koblizek等，1997；Nedbal等，1999），时间分辨率可达1μs。FL3500历经FL200等几次升级换代，是世界上时间分辨率最高、功能最为强大、配置灵活多样的叶绿素荧光技术仪器，由控制单元（主机）和功能多样化的测量单元组成，其主要功能特点为： 1)通用455nm和625nm蓝光和橙红光双色光源，满足所有藻类叶绿素荧光激发测量； 2)双色调制测量光、双色调制光化学光和双色持续光化学光； 3)除通用蓝光和橙红光双激发光测量单元外，还可选配其它波长的测量单元，组成2 个以上多激发光叶绿素荧光系统； 4)既可进行PAM（脉冲调制）测量，还可进行STF单周转光闪、TTF双周转光闪、MTF 多周转光闪及FRR程序测量，测量程序（protocols）包括单光闪荧光诱导、 OJIP-test、QA－再氧化动力学、放氧复合体S状态转换等； 5)可选配时间分辨率为4μs的标配测量单元或时间分辨率达1μs的快速测量单元， 还可选配水下原位叶绿素荧光测量单元及叶夹式测量单元，从而组成功能强大多 样化的叶绿素荧光测量系统，既可测量水体微藻叶绿素荧光，还可原位测量水下

调制叶绿素荧光仪原理简介

调制叶绿素荧光仪调制叶绿素荧光仪原理简介 原理简介刘君华 （河北先河环保科技股份有限公司，河北，石家庄，050035ljh51@https://www.wendangku.net/doc/4a8052234.html,） 1）调制叶绿素荧光 调制叶绿素荧光全称脉冲-振幅-调制 （Pulse-Amplitude-Modulation,PAM）叶绿素荧光，我们国内一般简称调制叶绿素荧光，测量调制叶绿素荧光的仪器叫调制荧光仪，或叫PAM。 调制叶绿素荧光（PAM）是研究光合作用的强大工具，与光合放氧、气体交换并称为光合作用测量的三大技术。由于其测量快速、简单、可靠、且测量过程对样品生长基本无影响，目前已成为光合作用领域发表文献最多的技术。 2）调制叶绿素荧光仪的工作原理 1983年，WALZ 公司首席科学家，德国乌兹堡大学教授Ulrich Schreiber 博士利用调制技术和饱和脉冲技术，设计制造了全世界第一台脉冲振幅调制（Pulse-Amplitude-Modulation，PAM）荧光仪——PAM-101/102/103。 所谓调制技术，就是说用于激发荧光的测量光具有一定的调制（开/关）频率，检测器只记录与测量光同频的荧光，因此调制荧光仪允许测量所有生理状态下的荧光，包括背景光很强时。正是由于调制技术的出现，才使得叶绿素荧光由传统的“黑匣子”（避免环境光）测量走向了野外环境光下测量，由生理学走向了生态学。 所谓饱和脉冲技术，就是打开一个持续时间很短（一般小于1s）的强光关闭所有的电子门（光合作用被暂时抑制），从而使叶绿素荧光达到最大。饱和脉冲（Saturation Pulse,SP）可被看作是光化光的一个特例。光化光越强，PS II 释放的电子越多，PQ 处累积的电子越多，也就是说关闭态的电子门越多，F 越高。当光化光达到使所有的电子门都关闭（不能进行光合作用）的强度时，就称之为饱和脉冲。 打开饱和脉冲时，本来处于开放态的电子门将该用于光合作用的能量转化为了叶绿素荧光和热，F 达到最大值。

叶绿素荧光

叶绿素荧光叶绿素荧光作为光合作用研究的探针，得到了广泛的研究和应用。叶绿素荧光不仅能反映光能吸收、激发能传递和光化学反应等光合作用的原初反应过程，而且与电子传递、质子梯度的建立及ATP合成和CO2固定等过程有关。几乎所有光合作用过程的变化均可通过叶绿素荧光反映出来，而荧光测定技术不需破碎细胞，不伤害生物体，因此通过研究叶绿素荧光来间接研究光合作用的变化是一种简便、快捷、可靠的方法。目前，叶绿素荧光在光合作用、植物胁迫生理学、水生生物学、海洋学和遥感等方面得到了广泛的应用。 1叶绿素荧光的研究历史 叶绿素荧光现象是由传教士Brewster首次发现的。1834年Brewster发现，当一束强太阳光穿过月桂叶子的乙醇提取液时，溶液的颜色变成了绿色的互补色¬¬——红色，而且颜色随溶液的厚度而变化，这是历史上对叶绿素荧光及其重吸收现象的首次记载。后来，Stokes（1852）认识到这是一种光发射现象，并使用了“fluorescence”一词。 1874年，Müller发现叶绿素溶液稀释后，荧光强度比活体叶子的荧光强得多。尽管Müller提出叶绿素荧光和光合作用之间可能存在相反的关系，但由于他的实验没有对照，实验条件控制不严格，因此人们并没有将叶绿素荧光诱导（瞬变）现象的发现归功于Müller。 Kautsky是公认的叶绿素荧光诱导现象的发现者。1931年，Kautsky和Hirsch用肉眼观察并记录了叶绿素荧光诱导现象(Lichtenthaler，1992；Govindjee，1995)。他们将暗适应的叶子照光后，发现叶绿素荧光强度随时间而变化，并与CO2的固定有关。他们得到的主要结论如下：1）叶绿素荧光迅速升高到最高点，然后下降，最终达到一稳定状态，整个过程在几分钟内完成。2）曲线的上升反映了光合作用的原初光化学反应，不受温度（0℃和30℃）和HCN处理的影响。若在最高点时关掉光，则荧光迅速下降。3）荧光强度的变化与CO2的固定呈相反的关系，若荧光强度下降，则CO2固定增加。这说明当荧光强度降低时，较多的光能用于转变成化学能。4）奇怪的是（照光后）CO2的固定有一个延滞期，似乎说明“光依赖”的过程对CO2固定过程的进行是必需的。另一个未得到解释的现象是若在荧光诱导结束后关掉光，则荧光水平的恢复需要很长时间。在Kautsky的发现之后，人们对叶绿素荧光诱导现象进行了广泛而深入的研究，并逐步形成了光合作用荧光诱导理论，被广泛应用于光合作用研究。由于Kautsky的杰出贡献，叶绿素荧光诱导现象也被称为Kautsky效应（Kautsky Effect）。 2叶绿素荧光的产生及其量子产量 细胞内的叶绿素分子通过直接吸收光量子或间接通过捕光色素吸收光量子得到能量后，从基态（低能态）跃迁到激发态（高能态）。由于波长越短能量越高，故叶绿素分子吸收红光后，电子跃迁到最低激发态；吸收蓝光后，电子跃迁到比吸收红光更高的能级（较高激发态）。处于较高激发态的叶绿素分子很不稳定，在几百飞秒（fs，1fs=10-15s）内，通过振动弛豫向周围环境辐射热量，回到最低激发态。最低激发态的叶绿素分子可以稳定存在几纳秒（ns，1ns=10-9s）。 处于较低激发态的叶绿素分子可以通过几种途径释放能量回到稳定的基态。能量的释放方式有如下几种（图3.3）（Campbell et al.，1998；Roháček & Barták，1999；Malkin & Niyogi，2000）：1）重新放出一个光子，回到基态，即产生荧光。由于部分激发能在放出荧光光子之前以热的形式逸散掉了，因此荧光的波长比吸收光的波长长，叶绿素荧光一般位于红光区。2）不放出光子，直接以热的形式耗散掉（非辐射能量耗散）。3）将能量从一个叶绿素分子传递到邻近的另一个叶绿素分子，能量在一系列叶绿素分子之间传递，最后到达反应中心，反应中心叶绿素分子通过电荷分离将能量传递给电子受体，从而进行光化学反应。以上这3个过程是相互竞争的，往往是具有最大速率的过程处于支配地位。对许多色素分子来说，荧光发生在纳秒级，而光化学发生在ps级，因此当光合生物处于正常的生理状态时，天线色素吸收的光能绝大部分用来进行光化学反应，荧光只占很小的一部分。

叶绿素荧光分析技术及其在植物光合机理研究中的应用

叶绿素荧光分析技术及其在植物光合机理 研究中的应用 Z一21 2OOO年9月 第34卷第3期 河南农业大学 如l珊a】ofH叽蚰Agncul~Univety sep.2OOO V o1.34No.3 文章蝈号:1000—234o(2ooo)o3一o248—04 叶绿素荧光分析技术及其在植物 光合机理研究中的应用 J 赵会杰,邹琦,于振文 (1.河南农业大学农学院面;2,山东农业大学,山东泰安271018) :.39;一 Ch10r0phyⅡnu0resenceanalysistechniqueanditsapplication tophotosynthesisofplant ZHAOHui-jie,ZOUQi2,YU21aen-wen2 (1,伽哟

Cdle~eofHmAgriculturalUniversity,Zheagzlxm450002,Ofian;2,Shand~嘶. ty,Taian271018,China) AbsI:Inthisminireview,thefimdamentahofchlorophyllfluorescenceanalysis wereintroducedands口lI1eadvances inapplicationofdllcl加Iy1lfluorescencekineticstophotosynthesisandstr幽physiologyofplant咖叫m田arized b. 1【昭唧D:chlorophyll;fluor~~enceanalysis;phowsynthesis;曲嘞physiok~gy 植物光合作用是将太阳能转换为化学能的过程,在光能的吸收,传递和转换过程中,叶绿体色素起着 关键作用.在植物体内叶绿素(da1)可以通过自己直接吸收的光量子(hr1)或间接通过天线色素吸收的光 量子(hr2)得到能量,使分子从基态(so)上升到较高能缴的不同激发态.然后很快通过内转换降低到最低 的第一单线态(S),再通过不同的去激途径回到基态.这些去激途径包括引起光化学反应,发射荧光,热能 耗散等.在摔内由于激发船从1b向dl1a的传递效率几乎达到100%,所以检不出体内chlb的荧光.而且 大量实验证明,绝大部分植物体内叶绿素荧光来自PSII的天线色素系统,PsI色素系统基本不发荧光….

叶绿素荧光分析方法

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

叶绿素荧光参数的意义

Fo 当PSII 反应中心都处于开放状态时的最小荧光。 Fm 暗适应后执行饱和脉冲当PSII 反应中心都处于关闭状态时的最大荧光产量 Fo’　光下最小荧光 Fo’ = 1/(1/Fo-1/Fm+1/Fm’） Fm’光下执行饱和脉冲当PSII 反应中心都处于关闭状态时的最大荧光产量 F’　执行饱和脉冲前的实时荧光产量。 Fv/Fm and Y(II) PSII 的最大量子产量（Fv/Fm）和实际量子产量（Y(II)） 这两个参数表示的都是PSII 将吸收的光能转化成化学能的效率。测Fv/Fm 前，样品必需经 过充分的暗适应以确保PSII 所有的反应中心都处于开放状态并且非光化学淬灭达到最小。 不同植物的暗适应时间不同，阴生叶片和阳生叶片的暗适应时间也不相同。 Y(II)反映的是光下叶片的实际光能转化效率。只有当照光强度（光化光）达到一定水平时 Y(II)的信息才能真实的反映光合的状态，因为在光强很弱时卡尔文碳同化过程可能无法正 常运转而Y(II)可能会比较高。 qP and qL 光化学淬灭系数 这两个参数表示的是PSII 中处于开放状态的反应中心所占的比例。其中qP 是基于沼泽模型的（puddle model，Schreiber et al. 1986 as formulated by van Kooten and Snel, 1990）。qL 是基于湖泊模型的（lake model, Kramer et al. 2004）。 qN and NPQ 非光化学淬灭参数 这两个参数都和基于跨膜质子梯度和玉米黄质的非光化学淬灭相关。 Y(NO) and Y(NPQ) 非光化学淬灭的量子产量 这两个是Kramer 等在2004 年提出的新参数。Y(NPQ)是指PS II 处调节性能量耗散的量子产量。若Y(NPQ)较高，一方面表明植物接受的光强过剩，另一方面则说明植物仍可以通过调 节（如将过剩光能耗散为热）来保护自身。Y（NPQ）是光保护的重要指标。Y(NO)是指PS II 处非调节性能量耗散的量子产量。若Y(NO)较高，则表明光化学能量转换和保护性的调节 机制（如热耗散）不足以将植物吸收的光能完全消耗掉。也就是说，入射光强超过了植物能 接受的程度。这时，植物可能已经受到损伤，或者（尽管还未受到损伤）继续照光的话植物 将要受到损伤。Y（NO）是光损伤的重要指标。Y(II)+Y(NO)+Y(NPQ)=1