SpectraPen/PolyPen光譜儀應用——南極地衣生態監測研究

2006年，捷克在南極James Ross島建設了Johann Gregor Mendel站。駐扎該站的捷克馬薩里克大學與捷克科學院*變化中心的科研人員從2007年就開展研究當地藻類和地衣對南極溫度升高的響應，從而評估溫室效應對南極生態系統的影響。當時他們使用了專門加強極地適應能力的AquaPen/FluorPen系列手持式葉綠素熒光測量儀來檢測藻類和地衣的光合生理和生長狀態。AquaPen/FluorPen既可以手動操作，也具備無人值守監測葉綠素熒光的功能，在南極的嚴酷環境下表現良好。

之后科研人員開始使用專門設計用于監測實驗的Monitoring Pen葉綠素熒光自動監測儀。Monitoring Pen在理想情況下可自動連續工作2年，配有陸地增強版和水下增強版兩個版本。

左：Johann Gregor Mendel站2007-2009年使用的AquaPen/FluorPen；右：近年開始使用的Monitoring Pen

在2019年新的研究中，研究人員使用FluorPen手持式葉綠素熒光儀、FluorCam便攜式葉綠素熒光成像儀、FluorCam開放式葉綠素熒光成像系統和SpectraPen手持式光譜儀來綜合研究地衣Dermatocarpon polyphyllizum的溫度、干旱、高光等環境因素的響應機制。

FluorPen具備OJIP快速葉綠素熒光動力學曲線分析測量能力，可以快速獲取與植物/藻類光合生理與脅迫響應相關的二十余項參數。通過FluorCam便攜式葉綠素熒光成像儀進行的葉綠素熒光淬滅動力學（也稱為慢速葉綠素熒光動力學）分析，可以獲取植物/藻類光合電子傳遞從啟動到穩定的變化過程，計算反映光化學效率、光系統熱耗散、光系統開放程度等一系列參數。

不同溫度處理后的地衣葉綠素熒光分析：左. OJIP快速葉綠素熒光動力學曲線；中. OJIP各項計算參數雷達圖；右：葉綠素熒光淬滅動力學曲線

FluorCam葉綠素熒光成像系統除了測量上述葉綠素熒光曲線與參數，關鍵的優點是可以同時測量樣品每個點的葉綠素熒光動力學變化，從而獲得相應參數的成像圖，用于反映樣品整體狀態與不同部位的差異，能夠非常直觀地展現不同處理之間的差異。

干燥、復水與高光處理的地衣葉綠素熒光成像分析：左. a干燥處理后彩色成像；b復水48小時后彩色成像；c小熒光Fo：d大熒光Fm；e大光化學效率Fv/Fm；f非光化學熒光淬滅系數NPQ；右. 復水過程中熒光參數變化

在實驗處理過程中，除了葉綠素熒光反映的光系統變化外，地衣的色素組成也會發生相應的顯著變化。這就需要通過SpectraPen手持式光譜儀來監測其可見光-近紅外波段的反射光譜變化，同時計算歸一化植被指數NDVI、光化學反射指數PRI等植被指數來對這些變化進行量化。

這一系列研究為了解環境下光合有機體的存活和保護機制是非常重要的。

左. 復水過程中地衣不同顏色部位的光譜曲線；右. 相應的歸一化植被指數NDVI和光化學反射指數PRI

參考文獻：

1.Barták M, et al. 2009, Long-term study on vegetation responses to manipulated warming using open top chambers installed in three contrasting Antarctic habitats. Structure and function of antarctic terrestrial ecosystems, Masaryk University

2.Mare?ková M, et al. 2019. Temperature effects on photosynthetic performance of Antarctic lichen Dermatocarpon polyphyllizum: a chlorophyll fluorescence study. Polar Biology 42(4): 685–701

3.Mishra KB, et al. 2019. A correlative approach, combining chlorophyll a fluorescence, reflectance, and Raman spectroscopy, for monitoring hydration induced changes in Antarctic lichen Dermatocarpon polyphyllizum. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 208: 13-23

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