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1、叶绿素荧光在植物生理生态叶绿素荧光在植物生理生态研究中的应用探讨研究中的应用探讨案例分析案例分析中国科学院植物研究所中国科学院植物研究所姜闯道姜闯道 博士博士 副研究员副研究员目录目录一一. .叶绿素荧光的发现及发展叶绿素荧光的发现及发展二二. .重要的荧光参数及其意义重要的荧光参数及其意义三三. .荧光技术在逆境研究中的应用案例荧光技术在逆境研究中的应用案例四四. .相关汉语文献及其他相关汉语文献及其他一一.叶绿素荧光的发现及发展叶绿素荧光的发现及发展发现发现德国植物生理学家德国植物生理学家Kautsky于于1931年发现年发现叶绿素荧光动力学现象。叶绿素荧光动力学现象。上世纪上世纪80年代
2、，年代，gren（1985）和）和Schreiber（1986）相继创制出便携的调制式）相继创制出便携的调制式荧光仪，并实现了商品化。成为光合作用研荧光仪，并实现了商品化。成为光合作用研究的新热点，极大地推动了光合过程中光能究的新热点，极大地推动了光合过程中光能利用、逆境条件下光合作用的光抑制、光破利用、逆境条件下光合作用的光抑制、光破坏及其防御机制的研究。坏及其防御机制的研究。叶绿素荧光动力学研究得到广泛应用的原因叶绿素荧光动力学研究得到广泛应用的原因1、叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息光能的吸收与转换光能的吸收与转换 能量的传
3、递与分配能量的传递与分配 反应中心的状态反应中心的状态过剩光能及其耗散过剩光能及其耗散光合作用光抑制与光破坏光合作用光抑制与光破坏等等等等2、可以对光合器官进行、可以对光合器官进行“无损伤探查无损伤探查”，获得，获得 “原位原位”的（的（in situ）信息。）信息。3、近年来测定仪器的性能和自动化程度越来越高，操作步近年来测定仪器的性能和自动化程度越来越高，操作步骤越也来越简便。骤越也来越简便。由于以上原因由于以上原因叶绿素荧光动力学技术在：叶绿素荧光动力学技术在：光合作用生理生态光合作用生理生态逆境生理逆境生理等研究领域得到了较快的普及和等研究领域得到了较快的普及和广泛的应用广泛的应用 二
4、二.重要的荧光参数重要的荧光参数基础荧光参数基础荧光参数Fo：最小荧光产量最小荧光产量(Minimal fluorescence) ，也称初始也称初始荧光产量荧光产量(Original fluorescence) 或基础荧光产量或基础荧光产量 。是对充分。是对充分暗适应叶片（暗适应叶片（PS反应中心处于完全开放状态）照以极弱的反应中心处于完全开放状态）照以极弱的测量光后发出的荧光测量光后发出的荧光。此时光化学猝灭系数。此时光化学猝灭系数qP1，非光化，非光化学猝灭系数学猝灭系数qNP0。一般认为，这部分荧光是在天线中的激一般认为，这部分荧光是在天线中的激发能尚未被反应中心捕获之前，由天线叶绿素
5、发射出的。当发能尚未被反应中心捕获之前，由天线叶绿素发射出的。当存在天线热耗散时，存在天线热耗散时，Fo会降低；当反应中心失活或遭到破坏会降低；当反应中心失活或遭到破坏时，时，Fo会提高。已知过高的温度往往使会提高。已知过高的温度往往使PSII放氧复合体脱离，放氧复合体脱离，反应中心失活。此时反应中心失活。此时Fo会明显提高。因此，可以用会明显提高。因此，可以用Fo随温度随温度的变化动态来反映高温对光合器的危害，并用来评价植物的的变化动态来反映高温对光合器的危害，并用来评价植物的抗热性。抗热性。Fm：最大荧光产量：最大荧光产量(Maximal fluorescence)，是是PS反应中心完全关
6、闭时的荧光产量。此时反应中心完全关闭时的荧光产量。此时光化学和非光化学荧光猝灭均为光化学和非光化学荧光猝灭均为0 (qP0，qNP0)。 Fm可反映通过可反映通过PS的电子传递最大潜力。通常的电子传递最大潜力。通常叶片经暗适应至少叶片经暗适应至少20min后照以饱和脉冲光后后照以饱和脉冲光后测得。测得。Fs: 稳态荧光产量。稳态荧光产量。即在光照下，光即在光照下，光-暗反应暗反应达到动态平衡时的荧光产量。达到动态平衡时的荧光产量。存在的问题存在的问题 关于荧光发射的理论基础和对测定结果的理解关于荧光发射的理论基础和对测定结果的理解和解释十分复杂；和解释十分复杂； 部分初学者，对荧光参数的意义理
7、解不透，尤部分初学者，对荧光参数的意义理解不透，尤其是不了解叶绿素荧光动力学特性在整个光合过其是不了解叶绿素荧光动力学特性在整个光合过程中所占的地位，因而对荧光参数测定结果的意程中所占的地位，因而对荧光参数测定结果的意义存在一些误解。义存在一些误解。我们的主要应用我们的主要应用 光合机构的激发能分配；光合机构的激发能分配； 光系统光系统IIII的光抑制；的光抑制； 环境胁迫下光系统环境胁迫下光系统IIII活性。活性。三三.荧光技术在逆境研究中的应用案例荧光技术在逆境研究中的应用案例（一）荧光技术在叶片发育中的应用分析（一）荧光技术在叶片发育中的应用分析选题依据1 1、为什么选择生长过程中的叶片
8、进行研究？、为什么选择生长过程中的叶片进行研究？以往对植物环境适应性的研究主要强调植物成熟叶片的适应机制；以往对植物环境适应性的研究主要强调植物成熟叶片的适应机制；叶片生长过程中同样会经历环境胁迫，而且幼叶对环境胁迫的适应性也直接叶片生长过程中同样会经历环境胁迫，而且幼叶对环境胁迫的适应性也直接关系到植物能否适应环境。关系到植物能否适应环境。1叶片生长过程叶片生长过程中光合能力的中光合能力的变化变化2叶片生长过程中叶片生长过程中光化学效率和电子光化学效率和电子传递活性的变化传递活性的变化3叶绿体色素的变化叶绿体色素的变化5叶片水分状叶片水分状况与叶黄素组况与叶黄素组分及活性氧清分及活性氧清除酶
9、活性之间除酶活性之间的相关性分析的相关性分析RWC(Negativelinearcorrelation)w(Positivelinearcorrelation)9:00AM2:00PM9:00AM2:00PMNPQ0.9580.9910.7600.548(V+A+Z)/Chl0.8950.9410.8790.775(A+Z)/Chl0.9600.9800.6670.617(A+Z)/(V+A+Z)%0.9410.9720.6130.579SODactivity0.9380.9750.8380.770APXactivity0.9030.9790.6370.535CATactivity0.9310
10、.9300.7630.620PODactivity0.9010.9630.5790.479GRactivity0.9070.9390.5970.4376叶片生长叶片生长过程中叶角过程中叶角的变化及对的变化及对光能截获和光能截获和光抑制的影光抑制的影响响 皇冠草属于皇冠草属于泽泻泽泻科、科、刺果泽泻刺果泽泻属，多年生属，多年生挺水挺水植物，植物，原产于南美亚马逊流域及其支流原产于南美亚马逊流域及其支流 。易。易驯化为驯化为沉水植沉水植物。用途：观赏等。物。用途：观赏等。（二）荧光技术在淹水胁迫中的应用（二）荧光技术在淹水胁迫中的应用科学科学/ /实践问题：实践问题：源于三峡库区消落带植被修复源于
11、三峡库区消落带植被修复植物淹水后复出后更容易死亡，为什么？植物淹水后复出后更容易死亡，为什么？问题转化问题转化： 淹水淹水 陆陆地地 光抑制导致光合器官光抑制导致光合器官/ /叶片出水后死亡？叶片出水后死亡？强光强光高氧高氧弱光弱光低氧低氧试验设计试验设计对照对照全淹全淹淹水淹水离体离体弱光弱光活体活体出水出水强光强光处理处理2020天天淹水后叶片形态特征的变化淹水后叶片形态特征的变化淹水阶段净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的变化淹水阶段净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的变化净光合速率净光合速率气孔导度气孔导度蒸腾速率蒸腾速率对照气生叶沉水叶气生叶对照淹水阶段叶绿素含量的变化淹水阶段叶绿素含量的变
12、化气生叶沉水叶对照淹水阶段Fv/Fm和PS的变化沉水叶气生叶对照出水后自然状态下叶片出水后自然状态下叶片Fv/FmFv/Fm和和RWCRWC的变化的变化出水后弱光环境下出水后弱光环境下Fv/FmFv/Fm的变化的变化出水后不同处理的离体叶片在强光下及恢复出水后不同处理的离体叶片在强光下及恢复过程中光抑制的差异过程中光抑制的差异（三）荧光技术在盐胁迫胁迫中的应用（三）荧光技术在盐胁迫胁迫中的应用科学问题：科学问题：盐胁迫下盐胁迫下PSIIPSII失活与失活速率无关，主要抑失活与失活速率无关，主要抑制失活制失活PSPS反应中心的。反应中心的。极端光强和离体材料极端光强和离体材料田间？田间？四四.
13、.相关汉语文献及其他相关汉语文献及其他相关汉语文献：相关汉语文献：张守仁张守仁 1999 1999 叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论 植物植物学通报学通报 李鹏民李鹏民 高辉远等高辉远等 2005 2005 快速叶绿素荧光诱导动力学分析快速叶绿素荧光诱导动力学分析在光合作用研究中的应用在光合作用研究中的应用 植物生理与分子生物学学报植物生理与分子生物学学报 JiangChuang-Dao,WangXin,GaoHui-Yuan,ShiLei,ChowWahSoon.(2011)Systemicregulation of leaf anatomical struc
14、ttue, photosynthetic performance and high-lighttoleranceinsorghumseedlings.PlantPhyisol.,155:1416-1424SCI(TOP10)HaoHai-Ping,JiangChuang-Dao(通讯作者),ZhangShou-Ren,TangYu-Dan,ShiLei.(2011)Enhancedthermal-toleranceofphotosystemIIbyelevatingrootzonetemperatureinPrunusmirakoehneseedlings.PlantSoil,publishe
15、donline(DOI10.1007/s11104-011-1037-y)SCIMaoShu-Yan,JiangChuang-Dao(通讯作者),ZhangWen-Hao,ShiLei,ZhangJin-Zheng,Chow Wah-Soon, Yang Jing-Cheng. (2009) Water translocation between ramets ofstrawberry during soil drying and its effects on photosynthetic performance. Physiol.Plant.，137:225-234SCIZhang Zhan
16、-Jiang, Jiang Chuang-Dao, Zhang Jin-Zheng, Zhang Hui-Jin, Shi Lei. (2009)EcophysiologicalevaluationofthepotentialinvasivenessofRhustyphinainitsnon-nativehabitats.TreePhysiol.,29:1307-1316SCI(TOP10)JiangChuang-Dao,JiangGao-Ming,WangXianzhong,LiLing-Hao,BiswasDilipKumar,LiYong-Geng. (2006) Increased P
17、hotosynthetic Activities and Thermostability ofPhotosystemIIwithLeafDevelopmentofElmSeedlings(UlmusPunila)ProbedbytheFastFluorescenceRiseOJIP.Environ.Exp.Bot.，58:261-268SCIJiangChuang-Dao,GaoHui-Yuan,ZouQi,JiangGao-Ming,LiLing-Hao.(2006)Changesofleaforientation,photoprotectivemechanismsandphotosynth
18、esisduringdevelopmentofsoybeanleaves.Environ.Exp.Bot.,55:87-96SCI近期论文发表近期论文发表专利申请专利申请：姜姜闯闯道道，巩巩玥玥，石石雷雷，20102010，一一种种提提高高热热带带、亚亚热热带带地地区区植植物物的的长长势势的的方方法法, ,( (申请号：申请号：2010101209181)2010101209181)发明专利发明专利姜姜 闯闯 道道 ， 巩巩 玥玥 ， 石石 雷雷 ， 20102010， 一一 种种 克克 隆隆 植植 物物 的的 灌灌 溉溉 方方 法法 ,(,(申申 请请 号号 ：201010289782.7)
19、 201010289782.7) 发明专利发明专利姜姜闯闯道道，郝郝海海平平，石石雷雷，唐唐宇宇丹丹，20102010，一一种种根根系系控控温温装装置置，( (申申请请号号：2010101321660)2010101321660)发明专利发明专利姜姜闯闯道道，郝郝海海平平，石石雷雷，唐唐宇宇丹丹，20102010，一一种种根根系系控控温温装装置置，( (申申请请号号：2010201365927)2010201365927)实用新型实用新型社会活动：社会活动：北京市青少年科技创新俱乐部指导教师北京市青少年科技创新俱乐部指导教师国内外多家核心期刊审稿人等国内外多家核心期刊审稿人等主持项目：主持项目
20、：1.国家自然基金面上项目：盐胁迫条件下甜高粱光抑制的PSII行为机制及应用研究，2008-2010年2.国家自然基金面上项目：盐胁迫下高粱光合机构的强光获得性适应及缓解光抑制的关键机制，2009-2011年3.北京市自然科学基金面上项目：C4作物的强光系统调控及应用研究，2012-2014年4.中国科学院知识创新方向性项目课题：逆境下胡杨生化保护机制研究，2007-2010年5.国家十一五科技支撑项目子课题：三峡库区消落带植物两栖适应的关键策略，2008-2010年6.首都环境安全科普教育平台建设项目：首都环境生态系统群落组成现状，2008-2009年研究兴趣：研究兴趣：资源植物光合作用调控、功能优化机制及应用高光效植物资源发掘与应用 欢迎合作！欢迎合作！Thank you for your attention!
