讀《葉綠素?zé)晒鈪?shù)及其定義》有感
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ——打敗你的不一定是同行，也有可能是跨界的
自己入門的地方應(yīng)該算是葉片水分生理，所以更多的精力也是放在了水分生理上，雖然對(duì)光合生理也有了解但是仍然不夠深入（其實(shí)水分生理的了解也是皮毛）。從入學(xué)開始就對(duì)光合生理中電子傳遞存有一種敬意，覺得人家高大上，更有甚者被有些人嘲笑我的實(shí)驗(yàn)是五毛錢的實(shí)驗(yàn)，所以覺得做它的人“有些厲害”，故而一直沒有研究過光合電子傳遞，沒有學(xué)習(xí)過葉綠素?zé)晒鈪?shù)，直到昨天在看到一篇文章后發(fā)現(xiàn)其實(shí)它也沒有我所想的那么厲害，現(xiàn)總結(jié)如下：
首先第一個(gè)問題是測(cè)量葉綠素?zé)晒庥泻斡锰?。通俗的來講，假如葉片是一個(gè)接受光能的池子，那么接收來的光能總共有三個(gè)去向，通過電子傳遞鏈傳給光化學(xué)反應(yīng)中心；以熱能的形式散失掉；最后一種便是激發(fā)出葉綠素?zé)晒?。也就是三者的和?，可能你沒法同時(shí)得出三者的相對(duì)值但是你可以通過排除掉其中一個(gè)通道然后測(cè)量并計(jì)算另外的兩個(gè)，很明顯這里可以直接測(cè)量的就是葉綠素發(fā)生的熒光，那么相對(duì)應(yīng)的能夠排除的或者說能夠抑制住的便是用于光化學(xué)反應(yīng)的通路，計(jì)算的便是熱耗散的部分。這就是為什么要測(cè)葉綠素?zé)晒猓ㄒ欢汛蟀自?，絕不是一個(gè)科研人能夠?qū)懗鰜淼模紤]到自己笨，所以要多包涵）。
那么什么又是葉綠素?zé)晒饽?？?jiǎn)單來講就是葉綠素分子消耗能量的一種方式。初中物理我們便學(xué)過能量越高的物體越不穩(wěn)定，當(dāng)葉綠素分子接收光能后會(huì)從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，接受能量后的激發(fā)態(tài)葉綠素分子不穩(wěn)定，那么部分能量會(huì)在葉綠素分子之間進(jìn)行傳遞直到傳遞給葉綠素a用于光化學(xué)反應(yīng)，部分能量以熱量的形式耗散掉，最后便是從最低激發(fā)態(tài)到基態(tài)放出的熒光。而且應(yīng)該注意的是激發(fā)能從葉b到葉a的傳遞效率幾乎是百分百，因此檢測(cè)不到葉綠素b發(fā)出的熒光，再者光系統(tǒng)Ⅰ的葉綠素a分子發(fā)出的熒光很少基本可以忽略不計(jì)。因此在談到活體熒光時(shí)指的就是光系統(tǒng)Ⅱ的葉綠素a發(fā)出的熒光。
最后一個(gè)問題便是葉綠素測(cè)量原理及參數(shù)意義。
首先測(cè)量光是指能夠激發(fā)葉綠素發(fā)出熒光（本底熒光）但是不能引起任何光合作用，這時(shí)得出的F0便是最小熒光。
而后打開飽和脈沖測(cè)量暗適應(yīng)后的最大熒光。以前特別好奇熒光取樣為什么要在早上，不是中午也不是其他什么時(shí)候，直到讀到這篇文章才真正明白過來。首先我們需要知道在光合電子傳遞鏈上有一種叫做質(zhì)體醌（PQ）的載體，這是整個(gè)光合電子傳遞中的限速步驟（其實(shí)限速這兩個(gè)字有點(diǎn)以偏概全，因?yàn)樗械南拗贫际潜Ｕ希。?。在光合膜上PQ的數(shù)量與捕光色素吸收的光子數(shù)（微摩爾級(jí)）相比是微不足道的（這里便有個(gè)問題，既然沒辦法把電子順利的傳下去，為什么還會(huì)有那么多的補(bǔ)光色素？為什么還要捕獲那么多的光能？難道這是一種備用機(jī)制，當(dāng)光不足或者光處于波動(dòng)狀態(tài)時(shí)正因?yàn)镻Q的存在使得傳給PSⅠ的電子處于穩(wěn)態(tài)，也正是這樣就可以保證PSⅠ運(yùn)行的相對(duì)穩(wěn)定，不至于出現(xiàn)大的波動(dòng)）。因此光合作用進(jìn)行時(shí)，光系統(tǒng)II釋放出的電子總是有部分會(huì)累積在電子門PQ處，這部分處于還原態(tài)（累積電子）的電子門就處于關(guān)閉態(tài)，或者說光系統(tǒng)II的反應(yīng)中心處于關(guān)閉態(tài)。在暗適應(yīng)過程中，光系統(tǒng)II無法獲得光能激發(fā)，因此不會(huì)繼續(xù)釋放電子，累積在PQ處的電子會(huì)繼續(xù)往光系統(tǒng)I傳遞，直到所有電子都傳遞完畢。當(dāng)PQ處不再累積電子后，暗適應(yīng)就完成了。而飽和脈沖最大的作用是不但可以激發(fā)葉綠素分子而且也會(huì)瞬間關(guān)閉PQ，使得所有的能量只有熒光和熱耗散兩個(gè)去處。光化學(xué)反應(yīng)被打斷因此熒光迅速達(dá)到最大值即測(cè)得的Fm。飽和脈沖的持續(xù)時(shí)間為0.2-1.5s，強(qiáng)度非常強(qiáng)，高等植物為8000-10000μmol m-2 s-1，藻類約為4000。
飽和脈沖關(guān)閉后熒光迅速回到Fo附近，然后打開光化光（能夠引起光合作用），記錄葉綠素?zé)晒鈴暮诎缔D(zhuǎn)到光照的響應(yīng)過程。曲線平衡時(shí)即為熒光逐漸下降并達(dá)到穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，處于關(guān)閉態(tài)的電子門數(shù)量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，也就是說光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。
這里根據(jù)F0和Fm這兩個(gè)參數(shù)可以計(jì)算光系統(tǒng)二的最大光合效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，它反映了植物潛在的最大光能轉(zhuǎn)化效率。絕大多數(shù)高等植物的Fv/Fm在0.8-0.85之間，當(dāng)Fv/Fm下降時(shí)，代表植物受到了脅迫。
打開光化光進(jìn)行光合誘導(dǎo)時(shí)PQ處積累的電子會(huì)因?yàn)殡娮娱T的部分打開而逐漸減少，此時(shí)再給一個(gè)飽和脈沖，本來處于開放狀態(tài)的電子門再次關(guān)閉，此時(shí)本應(yīng)用于光合作用的能量又重新轉(zhuǎn)化為了葉綠素?zé)晒夂蜔崃?，此時(shí)得到的葉綠素?zé)晒夥逯禐镕m'。因此這便可以計(jì)算當(dāng)前光照條件下光系統(tǒng)二的實(shí)際光合效率用Y(Ⅱ)表示Y(II)=ΦPSII=ΔF/Fm’=(Fm’-F)/Fm’(Genty et al., 1989)，它反映了光合機(jī)構(gòu)目前的實(shí)際光能轉(zhuǎn)換效率。在熒光誘導(dǎo)過程中，不僅F會(huì)逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)，F(xiàn)m’也會(huì)逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)。實(shí)際上，只有F和Fm’都達(dá)到穩(wěn)態(tài)了，也就是Y(II)達(dá)到穩(wěn)態(tài)了，才是真正的達(dá)到了穩(wěn)態(tài)光合作用階段。
熒光淬滅：說的很高大上，但實(shí)際上就是熒光沒了，從Fm高于穩(wěn)態(tài)的F就可以看出來，F(xiàn)m為所有電子門關(guān)閉的時(shí)候產(chǎn)生的熒光，而F為一部分熒光沒了以后的實(shí)時(shí)熒光，那么淬滅的部分去哪兒了呢？依然是兩個(gè)方向，其一是熱耗散，稱為非光化學(xué)淬（NPQ）；其二是光化學(xué)淬滅，即這部分能量經(jīng)過電子門傳向了光系統(tǒng)Ⅰ用于光合作用?（qP或qL）。光化學(xué)淬滅反映了植物光合活性的高低；非光化學(xué)淬滅反映了植物耗散過剩光能為熱的能力，也就是光保護(hù)能力。
為了表征光系統(tǒng)II吸收的激發(fā)能的去向，Genty等(Cailly et al., 1996; Genty et al., 1996)提出了三個(gè)互補(bǔ)的量子產(chǎn)量參數(shù)ΦII=(Fm’-F)/Fm’、ΦNPQ=F/Fm’-F/Fm和ΦNO=F/Fm，即現(xiàn)在通常所說的Y(II)、Y(NPQ)和Y(NO)，且Y(II)+Y(NPQ)+Y(NO)=1。我們已經(jīng)知道Y(II)代表光系統(tǒng)II吸收后用于光化學(xué)反應(yīng)的那部分能量，剩余的未做功的能量可以分成兩個(gè)部分Y(NO)和Y(NPQ)。Y(NO)代表的是被動(dòng)的耗散為熱量和發(fā)出熒光的能量，主要是由關(guān)閉態(tài)的光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心提供；
Y(NO)代表的是被動(dòng)的耗散為熱量和發(fā)出熒光的能量，主要由關(guān)閉態(tài)的光系統(tǒng)II反應(yīng)中心貢獻(xiàn)；Y(NPQ)代表的是通過調(diào)節(jié)性的光保護(hù)機(jī)制耗散為熱的能量(Klughammer and Schreiber, 2008)。在強(qiáng)光下當(dāng)Y(II)接近于零時(shí)，若Y(NPQ)較高，說明藻細(xì)胞具有較高的光保護(hù)能力；若Y(NO)較高，說明藻細(xì)胞失去了在過剩光下自我保護(hù)的能力。在給定的環(huán)境條件下，最理想的調(diào)節(jié)機(jī)制是通過保持盡量大的Y(NPQ)/Y(NO)比值，來獲得盡量大的Y(II)。參考北京澳作生態(tài)儀器——《葉綠素?zé)晒饧捌鋮?shù)定義》。
