提起光合作用測量儀器,
可能很多人都會搶答,
這個我知道,光合儀和熒光儀嘛!
那我再問,光合儀和熒光儀具體都測什么?
如何選擇?哪個更好用?
突然好多概念,參數(shù)浮現(xiàn)在腦海,
我們好像在哪見過!
OK!坐好,手背后邊,
睜大眼睛,豎起耳朵,
聽小編來給你們“瞎扯”一番。
—— 光合作用的光&合 ——
Photosynthesis=Photon(光)+Synthesis(合),光合作用可分為光反應和暗反應。
光反應:發(fā)生葉綠體的類囊體膜上,以光能捕獲傳遞轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)的光能利用,氧氣釋放和電子傳遞。
暗反應:發(fā)生在葉綠體基質(zhì)內(nèi),以CO2吸收同化合成為基礎(chǔ)的酶促反應,羧化,還原,再生。
>> 總結(jié) <<
光反應:反應相對快,光子轉(zhuǎn)化成電子實現(xiàn)太陽能的初級利用。涉及到光能轉(zhuǎn)換效率,激發(fā)能耗散途徑,電子傳遞速率,NADPH和ATP合成。
暗反應:反應相對慢,吸收CO2,通過酶促反應利用光反應產(chǎn)生的還原劑,合成糖類,淀粉,實現(xiàn)活躍化學能到穩(wěn)定化學能的轉(zhuǎn)化。涉及氣孔導度,葉肉導度,蒸騰速率,羧化效率。
—— 光反應和暗反應的測量儀器 ——
光合儀:氣體交換原理,利用紅外氣體分析器(InfraRed Gas Analyzer IRGA)測量流經(jīng)葉片前后CO2和H2O的濃度變化,分析葉片與環(huán)境發(fā)生的氣體交換,用固定了多少CO2來表征光合作用的能力。常用的參數(shù)是凈光合速率,蒸騰速率,氣孔導度,胞間二氧化碳濃度等。氣體交換是非常經(jīng)典的光合作用測量方法,光合儀是常被用來測量氣體交換的儀器。
熒光儀:葉綠素熒光原理,通過檢測光合作用光能利用過程中葉綠素熒光的產(chǎn)量(F),來分析光合作用光能吸收,轉(zhuǎn)化和分配。用葉綠素熒光參數(shù)來表征不同途徑能量分配的多少。常用的參數(shù)有光系統(tǒng)的最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm), 實際光能轉(zhuǎn)換效率(Yield), 光化學淬滅(qP), 非光化學淬滅(NPQ), 電子傳遞速率(ETR)等。葉綠素熒光法具有無損,原位測量等優(yōu)勢,可以作為光合作用的有效探針,葉綠素熒光儀廣泛應用于實驗室和野外光合作用研究。
>> 總結(jié) <<
光合作用和蒸騰作用相伴發(fā)生,光合儀測量葉片和環(huán)境的氣體交換。交換的氣體是H2O和CO2,交換的門戶是氣孔,交換的結(jié)果是水分從葉片中蒸騰散失,CO2進入葉片被同化。光合儀測量光合作用極易受到環(huán)境濕度,CO2濃度,光照,溫度的影響,測量過程中應盡量保持環(huán)境條件穩(wěn)定。
光能的吸收與耗散平衡,熒光儀測量吸收光能中用于發(fā)射熒光的部分,根據(jù)模型計算轉(zhuǎn)化為光合電子傳遞和熱耗散的部分。熒光儀測量的葉綠素熒光通常指的是室溫(25℃)葉綠素熒光,熒光儀測量光合作用主要受光照強度(PAR)和溫度的影響。
—— 如何選擇或哪個更好用?——
任何一種儀器的選擇,
都要服從科研內(nèi)容對工具的需求!
舉個例子,一個種質(zhì)資源管理中心,如果要收集200個水稻品種的田間光合特性數(shù)據(jù),可以嘗試使用熒光儀測量實際光能轉(zhuǎn)化效率即可,熒光儀可以在短時間內(nèi)測量大量樣品。換一個角度,如果是要評估改良的新品種和親本之間的光合差異,則建議使用光合儀來測量,畢竟固定CO2生成糖和淀粉才是作物產(chǎn)量的保證。你品,你細品!
光合儀和熒光儀可以獨立存在,但是光反應和暗反應不會獨立運行。所以,兩者沒有絕對意義上的高下,因為光反應和暗反應同樣重要。如果想全面的分析光合作用,光合儀和熒光儀都需要用到,最佳的使用方案是聯(lián)用,同步測量氣體交換和葉綠素熒光。
—— 使用光合儀和熒光儀要注意什么?——
>> 光合儀 <<
1、預熱!預熱!預熱!所有IRGA原理的光合儀都需要預熱!不同品牌的光合儀預熱時間不同,實際應用中預熱的時間約為30-60分鐘。
2、分析器調(diào)零,調(diào)零的目的是為了消除光合儀的檢測誤差。不同品牌,不同型號的光合儀,根據(jù)IRGA類型的不同,調(diào)零模式有差異。目前比較常見的是雙通道四分析器光合儀,雙通道是Reference和Sample兩股氣路通道,四分析器分別是H2O Reference分析器和CO2 Reference分析器,H2O Sample分析器和CO2 Sample分析器。在測量葉片前先測量分析器的讀數(shù)差異并將其固定即視為調(diào)零,之后才可以進行氣體交換的測量。
調(diào)零氣路
測量氣路
3、精確控制環(huán)境因子(光、溫、水、氣),光合儀主要采用開放式氣路系統(tǒng),即光合儀從環(huán)境中吸取空氣,測量流經(jīng)葉片前后CO2和H2O的濃度變化,測量后的氣體從出氣口流走。環(huán)境空氣的溫度,濕度,CO2濃度及環(huán)境的光強劇烈波動會嚴重影響光合儀的使用。因此建議在使用過程中精確控制環(huán)境因子。
4、原位測量,嚴禁離體,因為離體葉片生理狀態(tài)會發(fā)生變化,最明顯的就是氣孔關(guān)閉。除了離體損傷之外,可能會導致氣孔關(guān)閉的還有手上的汗液或化妝品殘留等,所以不要直接用手擦拭葉片。
5、葉片面積(或重量),光合儀計算的光合速率是單位面積(或重量),單位時間內(nèi)的CO2同化率,測量時需要已知的測量面積(或重量)?,F(xiàn)在有些品牌的光合儀允許測量完成后修正測量面積(或重量),重新計算光合速率,如德國WALZ的GFS-3000。
6、葉片溫度,葉片溫度是計算光合參數(shù)和控制氣體交換溫度的重要依據(jù)。因為光合儀的測量原理默認葉肉細胞內(nèi)為100% 相對濕度。
7、葉室氣流流速,流經(jīng)葉室的氣流流速,與氣體交換參數(shù)計算有關(guān)。光合能力弱的陰生植物可以嘗試低流速測量。
8、日常維護,光合儀屬于精密的氣體分析儀器,為保證測量的準確性,應該定時做標定,標定程序分為CO2和H2O分析器零點標定和CO2和H2O分析器跨度標定。光合儀在環(huán)境因子控制過程中會消耗一些藥品,如干燥劑和堿石灰等,使用前后要注意檢查。光合儀作為野外便攜式測量設(shè)備,時常會被帶到野外去實驗,使用中務必留意電池電量狀況,及時保存數(shù)據(jù),使用前后及時給電池充電。特別提醒,遠離水源!
>> 熒光儀 <<
1、熒光儀的種類,目前常用的葉綠素熒光儀有兩種,脈沖調(diào)制式的和連續(xù)激發(fā)式的。脈沖調(diào)制式的可以在有環(huán)境光為背景的情況下使用,連續(xù)激發(fā)式的不可以。但是連續(xù)激發(fā)式的時間分辨率比脈沖調(diào)制式的高。脈沖調(diào)制式的葉綠素熒光儀通常用來測量淬滅分析,快速光曲線等。連續(xù)激發(fā)式的通常用來做快相分析。
2、暗適應,為了更好的對葉綠素熒光測量進行合理的解釋,如何定義光合機構(gòu)在測量開始時的狀態(tài)非常重要。所以,在大多數(shù)實驗中,無論脈沖調(diào)制式還是連續(xù)激發(fā)式葉綠素熒光儀,測量前一般需要首先進行暗適應。葉片的暗適應狀態(tài)是光合機構(gòu)的基本狀態(tài)。暗適應的方式有很多種,整株植物置于暗室,單個葉片放入暗適應夾,夜間測量。暗適應的時間長短取決于我們希望從葉綠素熒光中得到什么信息。例如,大田作物葉片光合能力評價,暗適應時間一般只需要30分鐘。而實驗室內(nèi)擬南芥葉片跨膜質(zhì)子梯度ΔpH的測量則需要幾個小時甚至更長。
3、熒光儀光源,在熒光參數(shù)測量前對熒光儀光源有明確的認識是非常有必要的。以調(diào)制式的葉綠素熒光儀為例,通常會配置四種光,測量光ML,光化光AL,飽和脈沖光SP,遠紅光FR。測量光,光強比較弱(<1μmolm-2s-1),具有調(diào)制頻率,用于信號檢測,測量前需要調(diào)整測量光強度(Int.)和頻率(Freq.)使熒光信號達到基本檢測要求。測量光強度過高, Fm 測定時可能會因為過飽和被低估,如果測量光強度太低,則不會使用滿量程,誤差增大。光化光,是誘導植物發(fā)生光合作用的光,又叫作用光。常見的熒光儀光化光光源有兩種, 460nm左右的藍光或630nm左右的紅光。光化光的強度通常也是可以調(diào)節(jié)的,以適應不同的實驗需求。但是請注意,光源出口與樣品的距離會改變樣品表面的光強。所以測量前務必明確到達樣品表面的光強具體是多少。很多設(shè)備的出廠設(shè)置都是預設(shè)的,安裝調(diào)試時最好執(zhí)行光強校準,確保軟件或者報告里的PAR值與樣品水品的實際光強值一致。飽和脈沖,脈沖調(diào)制式熒光儀除了上述兩種光還有一種飽和脈沖光,而連續(xù)激發(fā)式熒光儀通常只有飽和脈沖光。飽和脈沖在熒光儀中通常是用來計算數(shù)據(jù)的,光強比較強,一般都要大于3000μmolm-2s-1。為適應不同樣品類型和實驗要求,飽和脈沖的強度和持續(xù)時間通常也是可以調(diào)節(jié)的。遠紅光,有些品牌或型號的熒光儀還會搭載用于激發(fā)光系統(tǒng)Ⅰ的遠紅光,遠紅光可以用來測量Fo’,暗弛豫,狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
4、Fv/Fm, (Fm-Fo)/Fm,最大光能轉(zhuǎn)換效率,反應植物潛在的最大光合能力。通過測量暗適應之后的最小熒光Fo和最大熒光Fm計算而來。該參數(shù)相對獨立,可以單獨使用,來評估脅迫條件下植物的光合特性變化或用來篩選突變體。大多數(shù)熒光儀都可以測。
5、ΦPSII,(Fm’-F)/Fm’, 實際光能轉(zhuǎn)換效率,反應植物在穩(wěn)態(tài)下的實際光合能力,通過測量穩(wěn)定環(huán)境(光溫水汽)狀態(tài)下的最小熒光F和最大熒光Fm’計算而來。可以在晴朗的天氣,快速測量大量植物的光合特性。測量過程要同時采集環(huán)境參數(shù),如光強,溫度等。
6、誘導曲線,Induction Curve,慢速熒光誘導動力學(Slow Kinetics)的一種。測量誘導曲線可以獲得淬滅分析(Quenching Analysis)的參數(shù),光化學淬滅(qP), 非光化學淬滅(NPQ)。實際應用中,誘導曲線后可以增加暗弛豫的測量,進一步分析植物非光化學淬滅的能力。完整操作如下,先通過光化光誘導植物葉片達到穩(wěn)態(tài),測量光化學淬滅和非光化學淬滅。然后關(guān)閉光化光,打開遠紅光,繼續(xù)測量,直到植物在暗處再次達到穩(wěn)態(tài),測量暗穩(wěn)態(tài)下的熒光淬滅。謹記,誘導曲線的測量需要暗適應。
7、光曲線,Light Curve,測量不同光強下的量子產(chǎn)量,計算電子傳遞速率ETR(ETR=PAR*Yield*吸光系數(shù)*0.5)。光曲線是光響應曲線的一種表征方式,相對于光合儀測氣體交換的A/Q曲線,熒光儀測量light Curve的時間可以短得多,所以又被稱為快速光曲線(RLC)。光曲線可以擬合得到光能利用效率α,最大電子傳遞速率ETRmax,半飽和光強Ik,實現(xiàn)不同樣品光合特性的對比。
8、熒光成像,普通的熒光儀通常以數(shù)據(jù)報告的形式呈現(xiàn)測量結(jié)果,而熒光成像則可以將數(shù)據(jù)圖像化,直觀的展現(xiàn)樣品間的光合特性差異,極大地擴展了葉綠素熒光技術(shù)的應用。如今,熒光成像早已經(jīng)成為光合生理研究,遺傳育種,突變體篩選,病蟲害早期檢測的常用工具。相比于普通的熒光儀,熒光成像的測量面積大,全葉片成像有助于分析葉片的橫向異質(zhì)性。熒光成像并不是面積越大越好,比面積更重要的是成像區(qū)域光場的均一性。均勻的廣場保證了葉片每一個部位的照光條件一致,實驗結(jié)果才更可靠。所以熒光成像的光源布局要經(jīng)過精心的的設(shè)計,就像手術(shù)臺的無影燈,照亮每一個看得見的角落。
熒光參數(shù)圖像(Belén Naranjo,etal. 2016)
再次聲明,光合作用研究儀器沒有好壞之分,DIY或Custom-Made的測量系統(tǒng)照樣可以發(fā)好文章。正所謂光合儀器測量的數(shù)據(jù)千篇一律,有趣的idea萬里挑一。再次祝各位老師,用好儀器,做好實驗,講好故事,發(fā)好文章!
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