OJIP葉綠素熒光快速誘導曲線測量技術

OJIP葉綠素熒光快速誘導曲線測量技術最新研究進展

——從單點測量到二維成像測量

葉綠素熒光測量技術是目前植物/藻類光系統功能、光合電子傳遞相關研究中*的重要技術，同時也廣泛用于作物抗逆育種等研究中。葉綠素熒光技術有三種主要測量技術路線：PAM熒光淬滅動力學曲線、OJIP快速熒光誘導曲線和QA-再氧化動力學曲線分析，分別對應光系統運行機理的不同方面。

OJIP快速熒光誘導曲線測量要求對樣品經過暗適應后的最小熒光上升到最大熒光這一過程進行快速檢測。這一個過程一般在1-2秒即可完成，儀器檢測器的最高靈敏度要求達到100 000次/秒以上。OJIP快速熒光動力學曲線部分參數及其意義： Fo、Fj、Fi、P或Fm、Vj、Vi、Mo、Area 、Fix Area、Sm 、Ss 、N（QA還原周轉數量）、Phi_Po 、Psi_o 、Phi_Eo、Phi_Do、Phi_pav、ABS/RC（單位反應中心的吸收光量子通量）、TRo/RC（單位反應中心初始捕獲光量子通量）、ETo/RC（單位反應中心初始電子傳遞光量子通量）、DIo/RC（單位反應中心能量散失）、ABS/CS（單位樣品截面的吸收光量子通量）、TRo/CSo、RC/CSx（反應中心密度）、PI_ABS（基于吸收光量子通量的“性能"指數或稱生存指數）、PIcs（基于截面的“性能"指數或稱生存指數）等。

現在應用*的OJIP快速熒光誘導曲線測量儀器主要為FluorPen和Handy PEA葉綠素熒光儀。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校G. Govindjee教授與印度賈瓦哈拉爾尼赫魯大學合作，比較這兩種儀器的OJIP曲線測量結果，以此分析影響OJIP曲線測量的因素。這一研究得到了光合研究Hartmut K. Lichtenthaler教授的建議指導，發表于2021年《Photosynthetica》。

通過對兩種儀器對擬南芥OJIP曲線的測量結果分析，他們認為有三個因素會造成OJIP曲線測量結果的差異：

1. 原初熒光Fo的估測時間點：20μs、50μs或推測的時間零點；

2. 測量OJIP的飽和脈沖光強：100%、80%、50%、30%和20%光強，同時兩種儀器的100%光強也有差異，FluorPen約為3120 ± 87 µmol(photons) m^–2 s^–1，而Handy PEA只能達到2890 ± 70µmol(photons) m^–2 s^–1。

3. 由于測量光源波長造成的葉片吸收率差異：FluorPen為470nm藍光，Handy PEA為650nm紅光，而470nm藍光具有更高的葉片吸收率。

通過比較OJIP曲線計算的Fv/Fp（即最大光化學效率Fv/Fm）可以發現：在不同光強下，FluorPen測量得到的Fv/Fp均高于0.8（0.823 ± 0.0018至0.837 ± 0.0016），而Handy PEA測得的Fv/Fp則有很大一部分低于0.8（0.793 ± 0.003至0.812±0.0016），尤其在飽和脈沖光強較低時尤為嚴重。對于Fv/Fm的數值范圍，雖然不同文獻中有所差別，但對于未受脅迫、生長良好的高等植物，普遍共識Fv/Fm要高于0.8，最高點應能達到0.83-0.84。由此可見Handy PEA的數據結果有低估Fv/Fm的問題。

文章中還特別指出，2019年捷克科學院Küpper教授與PSI公司合作，將超高靈敏度成像傳感器與FluorCam葉綠素熒光成像技術結合，實現了OJIP快速熒光誘導曲線的直接測量成像測量。將OJIP測量從傳統熒光儀的單點測量，擴展到對整個葉片乃至整株植物的二維整體測量。比起非成像測量，這一最新的熒光成像技術能夠評價測量參數的異質性、發現葉片上或大或小的漸變梯度，從而對植物受脅迫程度和發展做出更加準確的評估。同時，文章進一步指出，推薦使用葉綠素熒光成像技術還由于成像技術能夠測量真實的光系統II量子產額。

目前，使用這一革新性的葉綠素熒光成像技術已經進行了大量關于重金屬對光合作用抑制機理的研究。赫爾辛基大學等則利用這一新技術開展了擬南芥光系統對臭氧的響應機制等一系列研究。

參考文獻：

1.Padhi B, et al. 2021. A comparison of chlorophyll fluorescence transient measurements, using Handy PEA and FluorPen fluorometers. Photosynthetica 59 : 39-48,

2.Küpper H, et al. 2019. Analysis of OJIP Chlorophyll Fluorescence Kinetics and QA Reoxidation Kinetics by Direct Fast Imaging. Plant Physiology 179: 369-381

3.Morales LO, et al. 2021. Ozone responses in Arabidopsis: beyond stomatal conductance. Plant Physiology 186(1): 180-192

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