光合氣體交換、調(diào)制葉綠素?zé)晒?、日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馔綔y(cè)量系統(tǒng):一種遙感葉綠素?zé)晒獾脑u(píng)估方法
脈沖振幅調(diào)制(PAM)熒光測(cè)量技術(shù)是選擇性打開和關(guān)閉光系統(tǒng)II(PSII)反應(yīng)中心以測(cè)定光子吸收的光合量子產(chǎn)率的最廣泛使用的技術(shù)之一(Krause&Weis,1991;Bilgeret al.,1995)。PAM在光合作用研究中的廣泛應(yīng)用引發(fā)了人們對(duì)利用遙感技術(shù)在陽(yáng)光照射下被動(dòng)檢測(cè)葉綠素?zé)晒獾呐d趣,即所謂的日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓?/span>SIF; Meroni et al., 2009; Porcar-Castell et al.,2014 for reviews)。通過PAM熒光技術(shù)得到與電子傳遞(PSII效率)相關(guān)的參數(shù)需要一個(gè)飽和脈沖光(>5000 μmol m-2 s-1)來暫時(shí)關(guān)閉PSII反應(yīng)中心,以及一個(gè)弱脈沖調(diào)制光(ML;Duysens,1979)來跟蹤穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量。這種方法在被動(dòng)遙感平臺(tái)上是不可行的,因此與PAM測(cè)量相比,SIF包含的信息量受到限制。盡管存在與被動(dòng)葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量和解釋相關(guān)的困難,但近幾十年來,SIF遙感在一系列尺度上取得了重大進(jìn)展(e.g. Gamonet al., 1990; Zarco-Tejada et al., 2003, 2012; Moya et al., 2004; Meroni &Colombo, 2006; Guanter et al., 2007; Damm et al., 2010; Yang et al., 2015)。雖然這些研究很有前景,但光譜葉綠素?zé)晒馀c葉片水平CO2交換之間的直接聯(lián)系尚未建立。在時(shí)間和空間上將被動(dòng)和主動(dòng)誘導(dǎo)的葉綠素?zé)晒夂腿~片水平的氣體交換聯(lián)系起來,有助于揭示遙感SIF和GPP在一系列尺度上的關(guān)系(i.e. satellite; Joiner et al., 2011, 2013; Frankenberg etal., 2011; Guanter et al., 2012, 2014)。例如,為了更好地理解SIF和GPP之間的關(guān)系,包括兩個(gè)過程的匯合和分歧,必須考慮NPQ的變化。通過同時(shí)測(cè)量光化學(xué)(PAM)、CO2氣體交換和光譜葉綠素?zé)晒廨椛涞漠a(chǎn)量,我們可以探索SIF信號(hào)中的真實(shí)信息內(nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、地質(zhì)行星科學(xué)系,康奈爾大學(xué)土壤與作物學(xué)部,斯坦福大學(xué)卡耐基科學(xué)研究院全球生態(tài)部,科羅拉多大學(xué),西方學(xué)院等多家研究機(jī)構(gòu),聯(lián)合德國(guó)WALZ公司開發(fā)了一款可同步測(cè)量光合氣體交換、調(diào)制葉綠素?zé)晒猓≒AM)和日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF)的測(cè)量系統(tǒng),相關(guān)研究成果和應(yīng)用展望發(fā)表在New Phytologist上。該系統(tǒng)是在光合熒光同步測(cè)量系統(tǒng)GFS-3000的基礎(chǔ)上稍加改造而成。系統(tǒng)由GFS-3000配備3050-F光纖型PAM葉綠素?zé)晒饽K,進(jìn)行氣體交換和調(diào)制葉綠素?zé)晒獾耐綔y(cè)量。光譜熒光部分通過整合一部QE Pro光譜儀實(shí)現(xiàn)。具體見圖1的示意圖。利用該系統(tǒng)成功獲得了一系列光照條件下穩(wěn)態(tài)熒光和最大熒光的光譜動(dòng)力學(xué)(圖3-5)。結(jié)果表明,雖然光譜葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量和PAM熒光產(chǎn)量之間的相關(guān)性一直很強(qiáng),但也與波長(zhǎng)有關(guān),斜率遵循熒光發(fā)射曲線的平均形狀。結(jié)果進(jìn)一步表明了定量NPQ和ΦPSII的重要性,兩者都可以以不同的非線性方式改變?nèi)~綠素?zé)晒獾漠a(chǎn)量(圖6)。該方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是較高的光譜采樣頻率(如此處所示為0.2秒),可用于觀察葉綠素?zé)晒忖绲目焖夙憫?yīng)動(dòng)力學(xué)(Francket al., 2005; Buschmann, 2007)。在葉片尺度上,我們證明了Fλ和Anet(圖7)在實(shí)驗(yàn)中每個(gè)光響應(yīng)曲線之間簡(jiǎn)單的環(huán)境和物種的不同關(guān)系。在圖7的示例中,在不同物種和條件下觀察到Fλ和Anet之間的非線性關(guān)系,其中Fλ在Anet達(dá)到光飽和后繼續(xù)增加(圖7)。最近,使用機(jī)載儀器進(jìn)行的研究為我們理解波長(zhǎng)依賴性和擴(kuò)展SIF的潛力做出了重大貢獻(xiàn),盡管這些研究主要集中在760和687 nm,表明這些波長(zhǎng)的比率可用于推斷作物脅迫(Rascher et al., 2015; Wieneke et al., 2016)。本文所述儀器的未來工作應(yīng)檢查目前星載平臺(tái)(OCO-2、GOME-2、GOSAT)測(cè)量的波長(zhǎng),并調(diào)查一系列環(huán)境條件和不同物種下,紅色和遠(yuǎn)紅色熒光之間的比率(see reviews by Buschmann, 2007; A_c et al.,2015)。此外,全面了解葉綠素?zé)晒獍l(fā)射光譜對(duì)于評(píng)估在未來儀器開發(fā)(即NASA OCO-3、ESA FLEX)和SIF解釋中如何外推紅色和遠(yuǎn)紅色熒光(及其比率)至關(guān)重要。這方面的研究不僅有助于解釋星載平臺(tái)上SIF的波長(zhǎng)依賴性,而且還可以更好地理解SIF的大小如何隨時(shí)間和環(huán)境條件而變化。
圖1 光合氣體交換、調(diào)制葉綠素?zé)晒狻⑷展庹T導(dǎo)葉綠素?zé)晒馔綔y(cè)量系統(tǒng)示意圖(a)。開始照光后的典型脈沖振幅調(diào)制(PAM)葉綠素?zé)晒馇€。請(qǐng)注意,顏色(藍(lán)色和粉色)代表驅(qū)動(dòng)信號(hào)的燈光的顏色,盡管PAM所有參數(shù)都是由藍(lán)色LED計(jì)算得出的。(b) 紅外氣體分析系統(tǒng)(IRGA)的基本原理圖,在光化光照射下(時(shí)間與(a)類似),顯示光響應(yīng)曲線(凈光合速率)。(c) 葉室示意圖,PAM和光譜儀(QE Pro)的光纖插入,以及PAM和光化光LED光源發(fā)出的代表性光的顏色。請(qǐng)注意,光化光LED光源為90%的紅色LED和10%的藍(lán)色LED,并且在短通濾光片的作用下有所衰減(在濾光片下方顯示稍淺的“粉色”)。在葉片表面有一個(gè)光合有效輻射(PAR)傳感器, PAM和QE Pro耦合的光纖束末端與葉片表面距離約2mm。(d) 與Fm, λ和Fm’, λ(由Blue LED激發(fā))和Ft, λ(由Actinic LED激發(fā))相關(guān)的光譜熒光曲線,其與(a)中熒光軌跡所示的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。
圖2 概念圖強(qiáng)調(diào)了光響應(yīng)曲線開始期間(包括第一和第二光強(qiáng)梯度)光譜熒光(Fλ)和脈沖振幅調(diào)制(PAM)熒光參數(shù)的推導(dǎo)過程。(a) 從光譜和PAM得到最大熒光參數(shù)。光譜(Fm, λ和Fm’,λ),PAM(Fm和Fm’)。(b) 將圖(a)放大(注意y軸的單位)強(qiáng)調(diào)光譜熒光信號(hào)(Fλ),相當(dāng)于日光誘導(dǎo)熒光(SIF)。(c) 通過PAM得到的熒光強(qiáng)度(Ft)對(duì)吸收光強(qiáng)(aPAR)不敏感,與光譜熒光產(chǎn)量(ΦFt,λ = Fλ/ aPAR×leaf absorption)疊加。樣本來自未受脅迫的大葉櫟,光譜為700-800 nm范圍的均值。對(duì)參數(shù)更詳細(xì)全面的描述,詳見支持信息圖S6.
圖3 (a)未受脅迫大葉櫟脈沖振幅調(diào)制(PAM)最大熒光產(chǎn)量(Fm和Fm’)和5個(gè)樣本波段(686,740,757,771和800nm)光譜最大熒光產(chǎn)量(Fm, λ和Fm’, λ)的相關(guān)性。(b)不同物種和條件下各波長(zhǎng)的最大熒光產(chǎn)量的確定系數(shù)(R2)。(c)PAM實(shí)時(shí)熒光(Ft)和光譜熒光產(chǎn)量(ΦFt,λ)的關(guān)系。(d)不同品種和條件下各波長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量的確定系數(shù)(R2)
圖4 飽和脈沖誘導(dǎo)的最大熒光發(fā)射(Fm, λ和Fm’, λ)(a-d)和光化光誘導(dǎo)的熒光發(fā)射(Fλ)(e-h)。藍(lán)色為槭樹,綠色為大葉櫟。a, e,c, g未受脅迫,b, f, d, h為脅迫后。顏色梯度表示光響應(yīng)曲線入射光合作用活化光強(qiáng)度(PAR, μmol m-2 s-1),顏色越深表示PAR越低。
圖5 (a)不同物種和條件的最大光譜熒光發(fā)射(Fm, λ和Fm’, λ)曲線比較。根據(jù)PAR=0(實(shí)線)和PAR=1500(虛線)的最大Fm, λ或Fm’,λ進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。(b)不同物種和條件的穩(wěn)態(tài)光譜熒光發(fā)射(Fλ)曲線比較。根據(jù)PAR=0(實(shí)線)和PAR=1500(虛線)的最大Fλ進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。注意主要發(fā)射光源分別為藍(lán)光(a)和紅光(b)LED。
圖6 未受脅迫槭樹光響應(yīng)曲線過程中通過脈沖振幅調(diào)制(PAM)獲得的穩(wěn)態(tài)葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量Ft和光譜(ΦFt, λ: 波長(zhǎng)686, 740, 800)與非光化學(xué)淬滅NPQ(a),光系統(tǒng)II量子產(chǎn)量ΦPSII(b),CO2產(chǎn)量ΦCO2(c)的關(guān)系。(b)中的疊加數(shù)據(jù)為光合作用與能量的土壤冠層觀測(cè)(SCOPE)模型的2種參數(shù)(見材料與方法部分,此處被稱為SCOPE1和SCOPE2)。PAM和光譜葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量數(shù)據(jù)根據(jù)光響應(yīng)曲線中的最大值進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。為了讓趨勢(shì)可視化,對(duì)所有關(guān)系應(yīng)用多項(xiàng)式模型。
圖7 不同物種和條件下686 nm(a)和740nm(b)穩(wěn)態(tài)光譜熒光(Fλ)與光合作用(Anet)的關(guān)系。數(shù)據(jù)點(diǎn)為每個(gè)光強(qiáng)梯度下穩(wěn)態(tài)Anet和Fλ的平均值,誤差線表示每個(gè)光強(qiáng)梯度下的±SE。
—— 原文 ——
Magney, T.S., Frankenberg, C., Fisher, J.B., et al. Connecting active to passive fluorescence with photosynthesis: a method for evaluating remote sensing measurements of Chl fluorescence. New Phytol, 2017, 215: 1594-1608.