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應(yīng)用FRR葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)技術(shù)估算有效光反應(yīng)中心含量
應(yīng)用FRR葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)技術(shù)估算有效光反應(yīng)中心含量
PSII可與PSI協(xié)同從水中獲取電子生成還原體、驅(qū)動光化學(xué)反應(yīng)和植物營養(yǎng)循環(huán)。因此有效PSII光反應(yīng)中心([PSII]active)的含量可作為植物生產(chǎn)力評估的基礎(chǔ)因子，同時也是評估植物光合速率、研究植物脅迫響應(yīng)的關(guān)鍵。而對于液體樣品，[PSII]active含量同樣是評估水生生物光合作用速率以及分析浮游植物對脅迫的響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。但傳統(tǒng)上缺少穩(wěn)定、可靠、快速的 [PSII]active含量的測量方法。
本文將介紹加拿大蒙特愛立森大學(xué)的Campbell教授的研究------應(yīng)用FRR葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行[PSII]active含量估算的方法。該方法有效解決了傳統(tǒng)測量方法存在的問題。其原理是：在一定體積下：
a)F’o強(qiáng)度與[PSII]active色素含量相關(guān)；
b)σ’PSII與PSII色素總含量相關(guān)。
因此，F(xiàn)’o/σ’PSII可以代表單位體積的[PSII]active含量。(Oxborough et al. 2012; Silsbe et al. 2015)。而這兩個參數(shù)都可以利用快速飽和及弛豫熒光誘導(dǎo)程序(fast repletion and relaxation (FRR) ?uorescence induction)獲得。(注：σ’PSII: 光適應(yīng)狀態(tài)下PSII的有效吸收截面；F’o：光適應(yīng)下的基礎(chǔ)熒光。)
為了證明該方法用于估算[PSII]active含量可靠、可行，即受非光化熒光淬滅影響很小、測量快速并且穩(wěn)定、具有時間分辨性、可應(yīng)用于對湖泊和海洋水體的初級生產(chǎn)力的快速評估，該研究進(jìn)行了209次成對測定，對不同培養(yǎng)和處理條件下的海洋藍(lán)藻、分別在高光和低光處理下的原生態(tài)型球藻、北極和溫帶的綠藻、兩種中心硅藻進(jìn)行測試。
由于藻類的生理狀態(tài)對培養(yǎng)密度、光照條件、氣體狀態(tài)、溫度、pH值等都很敏感，進(jìn)而直接影響所得參數(shù)和公式的科學(xué)性，所以需要精確控制培養(yǎng)條件并實時監(jiān)測培養(yǎng)狀態(tài)。因此本研究使用FMT150光養(yǎng)生物反應(yīng)器對中心硅藻兩個藻株分別在2種不同狀態(tài)下進(jìn)行培養(yǎng)和監(jiān)測，精確控制營養(yǎng)濃度、溫度、光照，并自動進(jìn)行恒化培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中儀器自動使用水蒸氣飽和的空氣氣泡混勻，避免沉降。(FMT150光養(yǎng)生物反應(yīng)器介紹見后附)
之后使用FL3500(當(dāng)前升級為FL6000)測量每個樣品的F’o和σ’PSII，用以計算[PSII]active。FL3500可自動控制和測量樣品溫度、預(yù)施光照、光化光、單周轉(zhuǎn)飽和光閃、QA再氧化等8種默認(rèn)測量程序、精確自定義程序等。
同時使用熒光光纖氧氣傳感器測量密閉比色皿里樣品的溶氧濃度。氧氣的測量可由儀器自帶軟件程序自動控制。
放氧測量過程如下圖所示：在FRR測量過程中，氧氣濃度隨激發(fā)光變化并與時間(橫軸)相對應(yīng)。將氧探頭固定在FL3500自動控溫探頭上，一同插入FL3500測量單元內(nèi)的待測樣品中。FL3500具有磁力攪拌功能，該功能可由觸控面板控制，也可由FL3500自帶軟件FluorWin程序精確定義。
在初始300s的暗適應(yīng)過程中記錄氧氣濃度作為暗呼吸值；之后用低光(20 µmol.m-2.s-1)進(jìn)行預(yù)光照激活光系統(tǒng)并測量氧氣；在一個FRR程序結(jié)束后立刻測量氧氣濃度作為在FRR過程中的呼吸。二者差值用于估算樣品中[PSII]active含量。
之后將樣品置于光下300 s；再次進(jìn)行FRR誘導(dǎo)(見下圖)并測量氧濃度。再次估算樣品中[PSII]active含量。公式為：
μmol PSII L-1=μmol O2s-1L-1×(25.025×10-3s Flash-1)×(4 Flash 1×1 PSII/O2)
FRR測量過程如下圖所示：*行300 μs的暗適應(yīng)。預(yù)光照之后使用40個(間隔2 μs)單周轉(zhuǎn)光閃(1.2 μs， µmol.m-2.s-1)的激發(fā)序列進(jìn)行FRR誘導(dǎo)，以逐漸關(guān)閉全部PSII；在這個過程中得到Fo、FM、σPSII、ρ(表示PSII 光反應(yīng)中心的連通性)。之后降低光閃重復(fù)速率，PSII逐漸打開，此過程持續(xù)0.25 s。黑暗2 s，PSII打開。再施加第二次FRR誘導(dǎo)，得到F’o2、F’M2s、σ’PSII2s……
使用放氧法得到的[PSII]active對FRR得到的 [PSII]active=F’o/σ’PSII 公式進(jìn)行校正，得到校正參數(shù)。
本研究驗證了前人(Oxborough et al. 2012; Silsbe et al. 2015)的假設(shè)，應(yīng)用FRR測量得到的[PSII]active矯正公式適用于本文所述所有藻類樣品，包括：呈指數(shù)增長的樣品、短期生理波動的非穩(wěn)態(tài)樣品、光抑制樣品、低濃度樣品、光適應(yīng)下的樣品，并且受非光化熒光淬滅影響很小。
因此可以用FRR測量程序來估算湖泊和海洋不斷變化的環(huán)境中的初級生產(chǎn)力。
本案例文獻(xiàn)： Murphy C. D., Ni G., Li G., et al. (2016) Quantitating active photosystem II reaction center content from fluorescence induction transients. Limnol. Oceanogr. Methods. DOI:10.1002/lom3.
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