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叶绿素荧光动力学的基本原理

    将绿色植物含叶绿素的部分组织，如叶片、芽、嫩枝条、茎或单细胞藻类悬液放在暗处适应片刻，或用近红外光预照射，然后在可见光下激发，并用荧光计检测，结果就会发现植物绿色组织会发出一种微弱的暗红色强度随时间不断变化的荧光信号，这种荧光信号绝大部分是来自叶绿体光系统II的天线色素蛋白复合体中的叶绿素a分子，这过程即为叶绿素荧光动力学。经暗适应的绿色植物样品突然受到可见光照射时，其体内叶绿素分子可在纳秒级时间内发出一定强度的荧光，此时的荧光称为固定荧光，然后荧光强度增加的速度减慢，因而在固定荧光处形成拐点，接着以毫秒级速度形成一个缓台阶，数秒后荧光强度可达较高点，称为“P”峰。若所用激发光强度达到或较过被测样品光反应的光饱和点时，P峰即趋于或等于较大荧光产量(Fm)，Fm可反映通过PSII的电子传递情况。荧光强度较过Fo那一部分的荧光称为可变荧光(Fv)。在P峰之后，植物荧光通常经1次～2次阻尼振荡，才降到接近Fo的稳定的水平。荧光强度下降的过程现称为荧光淬灭。叶绿素荧光动力学有两个特点：一是它可将植物发出的荧光区分为性质上完全不同的两个部分固定荧光部分和可变荧光部分。固定荧光代表不参与PSII光化学反应的光能辐射部分，也称初始荧光或基础荧光，是光系统II反应中心处于完全开放时的荧光产量，它与叶片叶绿素浓度有关；可变荧光代表可参与PSII光化学反应的光能辐射部分。根据可变荧光在总的较大荧光中所占的比例，即可简便地得出植物PSII原初光能转换效率。

叶绿素荧光动力学在植物抗逆性研究中的应用

    叶绿素a荧光与光合作用各种反应紧密相关，任何逆境对光合作用某过程的影响都可通过叶绿素荧光诱导动力学反映出来。逆境胁迫对植物光合作用的影响是多方面的，不仅直接引发光合机构的损伤，同时也影响光合电子传递及与暗反应有关的酶活性，利用叶绿素荧光动力学方法可以快速、灵敏、无损伤探测逆境对植物光合作用的影响。逆境胁迫的轻重与Fm/Fo、Fv/Fm、qP、qN的参数值被抑制的程度之间存在着正相关，Fv/Fo、Fv/Fm分别代表PSII的潜在活性和PSII原初光能转化效率，非光化学能量耗散易造成Fo的降低，而光合机构被破坏又使其升高，所以这些参数的变化趋势可作为植物抗逆的指标。光抑制光抑制是指植物的光合机构所接受的光能较过光合作用所能利用的能量时而引起的光合功能降低。目前人们对光抑制的机理有两种认识：其一通过增强非辐射能量耗散来消耗过剩的光能，使光合机构免受破坏；其二光合机构的PSII反应中心受到强光破坏。光抑制也是一种光保护过程，经常用Fv/Fm来检测光抑制。当植物受到光抑制时，常伴随Fv/Fm的降低和非辐射能量耗散的增加。热耗散在防御光破坏过程中起重要作用，与热耗散密切相关的调节机制是植物体内叶黄素循环。叶黄素循环存在于所有高等植物、蕨类、苔藓和一些藻类的类囊体膜上。其过程是在抗坏血酸和NADPH2的参与下，紫黄质在几分钟内通过环氧玉米黄质转化为玉米黄质，提高了玉米黄质水平。而玉米黄质的含量与热耗散有密切的关系。自然条件下，随着光强的增加，玉米黄质的含量提高；当光强下降时，玉米黄质向紫黄质转变。如果通过叶黄素循环的非辐射能量耗散仍不能完全消耗过量的过剩的光能时，剩余的这部分能量有可能形成单线态氧，从而对光合机构造成危害。

温度胁迫

    温度是决定各种植物在地球上不同地区分布的一个重要因子，高、低温胁迫是经常造成作物减产和限制作物产量提高的一个主要因素。因此在作物育种中选择具有较强的抗寒或抗高温的亲本，并选育出具有较强的相应抗逆性的新品种，一直是人们追求的目标。低温胁迫对植物光合作用的影响是多方面的，不仅直接引发光合机构的损伤，同时也影响光合电子传递和光合磷酸化以及暗反应的有关酶系。在低温胁迫下，即使中低光强也会使植物发生光抑制，因此低温胁迫下qN降低并且过剩光能主要依赖于叶黄素循环进行调节，同时在低温胁迫下，叶绿素的光还原活性降低，固定荧光Fo上升，Fv/Fo和Fv/Fm的比值明显降低。Fo上升，表明PSII反应中心失活，结合Fv/Fo和Fv/Fm降低，则反映出PSII的潜在活性和原初光能转换效率的减弱。高温胁迫常引起PSII反应中心的失活和捕光叶绿素a/b蛋白复合物的降解，其原因是由于PSII捕光叶绿素a/b蛋白复合物磷酸化所调节的状态1至状态2转化，这被认为是防御PSII过量激发或结构损伤的机制。状态1向状态2的转化会使PSII获得激发能减少引起荧光淬灭。

水分胁迫

    水分是植物生长发育的必要条件之一，由于干旱胁迫引起的林木、农作物减产的量相当于其他因素引起减产总量的一半。干旱胁迫可导致植物叶片中叶绿素含量的降低，叶片失水影响叶绿素的生物合成，且已形成的叶绿素加速分解，造成叶片变黄。而在一定范围内叶绿素含量的高低则直接影响叶片的光合能力，较合理的叶绿素a/b值可防止叶内光能过剩诱导的自由基产生和色素分子的光氧化。植物受中度以上干旱胁迫后，光合作用受到明显抑制，此时气孔限制不是光合作用降低的主要原因，光合作用的下降主要与叶绿体的功能障碍有关，干旱阻断了放氧复合物到光系统II的第二个电子供体之间的电子传递，从而导致整个电子传递活性降低。PSII的破坏常伴随Mn2+的丧失，脂肪酸的增加及ATP和蛋白质的降解。在水胁迫期间如维持正常光照会提高玉米黄质的保护作用，即提高天线叶绿体中热耗散的速率，从而降低PSII光化学效率(Fv/Fm)。水分胁迫能引起Fo上升和Fv下降，他们的变化程度可以用来鉴别植物的不同抵抗或忍耐干旱能力。

盐胁迫

    盐碱胁迫对植物产生的胁迫作用与干旱胁迫有相似的生理效果如：引起植物失水和体内渗透压的增加，盐离子代谢失调也会影响光合作用的正常进行。受到盐胁迫的植物都会有Fv/Fo、Fv/Fm、qP的下降和qN的上升，而且非光化学淬灭系数比光化学淬灭系数对NaCl反应较敏感，这主要是与NaCl胁迫使叶片中的离子平衡及细胞结构遭到破坏，毒性物质产生，叶绿素活性和光合酶活性下降有关。