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对于测量植物胁迫,气体交换测量和叶绿素荧光测量有何不同之处?

撰稿人: 日期:2019-8-2 点击次数:470

对于测量植物胁迫,气体交换测量和叶绿素荧光测量有何不同之处?
光合作用气体交换测量系统通常使用红外气体分析仪(IRGAs)测量CO2。另外还有气压、温度、PAR、流速传感器和相对湿度传感器。
将待测量的样品叶子封闭在测量室中,并通过弹簧和氯丁橡胶密封件将叶子轻轻地保持在适当位置。 通过允许叶子在测量室中达到CO2平衡来开始测量。 达到平衡所需的时间取决于物种,它与仪器的品牌无关。 这个时间可以从四十五秒到一百二十秒。
一旦达到平衡,实际测量需要几秒钟。 然后可以根据需要进行多次测量。 仪器首先测量进入叶室之前空气中的二氧化碳,然后测量通过测量室后的气体,并将其与空气进行比较。
测量参数包括:进入测量室前后的CO2浓度、进入测量室前后的H2O的浓度、气压、测量室温度、叶片温度、环境温度、气流速度和PAR光合有效辐射。
通过这些直接测量,可获得许多数学推导出的参数,包括净CO2同化和蒸腾速率,另外还有一些派生参数,诸如:气孔导度、气孔对H2O的阻抗、对H2O的边界阻抗、叶肉导度和胞间CO2浓度。
另外,测量光响应曲线可以研究随着光照水平的变化叶片的净同化速率的变化,还有可以测量A/Ci曲线(CO2净同化/胞间CO2浓度的关系曲线),这是测量植物胁迫的一种比较好的方法。
那么,为什么要用气体交换测量植物胁迫呢?
气体交换可以直接测量所有类型的植物胁迫,无论哪种胁迫,气体交换都能检测到早期程度的胁迫。另一方面,荧光仪可以测量影响PSII的植物胁迫。在某些情况下,气体交换测量方法比叶绿素荧光测量方法可以更早的检测植物胁迫。
由于叶片平衡要求,气体交换系统的测量时间明显变慢。 因此,该技术更适合较小的植物种群。
应用实例:
热胁迫:
一项研究发现,气体交换可以检测到栎树在30摄氏度时的热胁迫;而使用叶绿素荧光技术的光合产量Y(II)和NPQ测量可以检测到35摄氏度时的热胁迫,Fv/Fm则只能够检测到45摄氏度时的热胁迫(Haldiman P, & Feller U. 2004)。
氮胁迫:
通过气体交换测量可以及早发现氮胁迫。使用荧光仪,需要使用专门的比率荧光,例如Sampson(2000)创建的FRFex360 / FRFex440测试,或者使用结合Cheng(2001)创建的光胁迫和氮胁迫的特殊测定。如果没有这些方法,很难在有用的水平上测量氮胁迫。叶绿素含量测量仪确实为氮胁迫提供了可行的解决方案和更具成本效益的解决方案。(参见OSI CCM300和CCM-200plus)
水分胁迫:
气体交换和荧光技术都可用于检测C4植物的水分胁迫。 然而,在C3植物中,气体交换可以在非常早期阶段测量到水胁迫,而标准荧光仪方法将仅检测中度至重度水胁迫。
测量极早期水分胁迫的荧光测定确实存在,但涉及使用叶片打孔器,需要结合热胁迫和水胁迫(Burke 2007)。
硫胁迫:
硫胁迫可以通过气体交换来检测,但通过荧光仪只能检测到严重程度的硫胁迫(Baker和Rosenqvist 2004)。叶绿素含量仪确实为硫胁迫测量提供了可行的和更具成本效益的解决方案。  (见OSI CCM-300和CCM200plus)。

叶绿素荧光
叶绿素荧光仪可以用来检测大多数类型的植物胁迫。荧光仪用来测量PSII光系统II的可变荧光强度。已经发现,影响PSII的胁迫改变了测量的PSII荧光的量。PSII对大多数类型的植物胁迫敏感。(更多相关信息,请参考opti-Sciences的植物胁迫指南)
Fv / Fm是用于检测PSII的健康和测量植物胁迫的最常用的荧光参数。为了测得可靠的结果,样品必须经过一定时间(一般半个小时左右)的暗适应。
实际光合产量(YII)和电子传递速率(ETR)是在叶片处于阳光下而没有暗适应的情况下进行的测试。测量的是光合作用实际发生的情况下的PSII。测量YII和ETR的系统比仅测量Fv / Fm的系统要贵,并且需要测量光照水平(或PAR)和叶片温度,以获得可靠的结果。 在某些情况下,这些参数将检测更多类型的胁迫或能够比Fv / Fm更快地检测到胁迫。
荧光仪在研究光合作用的光反应方面也非常有价值。可以用荧光仪研究光保护机制、状态转换和光抑制。
那么为什么要用叶绿素荧光测量来检测植物胁迫呢?
通常,荧光仪适用于大多数类型的植物胁迫测量。它们提供了一种经济有效的方法,可以非常快速地在野外进行大量样品测量。大多数荧光测量只需要几秒钟,此外,便携式荧光仪还提供轻便地野外便携式测量的解决方案,电池使用时间长。
OS5p+叶绿素荧光仪                         OS1p叶绿素荧光仪                    OS30P+叶绿素荧光仪
                                             
 
 
 
 
 



叶绿素荧光和气体交换测量相结合:
荧光和气体交换系统相结合的测量方案配置一般都比较贵,而且也比较重,但他们可以为某些类型的研究提供优势。
叶绿素荧光和气体交换相结合的配置方案什么情况下能发挥更大的优势呢?
1、  低温胁迫可以与CO2同化产生非线性相关。在低温胁迫的玉米中,PSII的电子传递远远超过CO2同化需求。在低温胁迫下,ETR与CO2同化的比率(ETR/A)可以用来检测低温胁迫(Fryer M. J., Andrews J.R., Oxborough K., Blowers D. A., Baker N.E. 1998)。
2、  ETR/A可以用来检测C3植物的水分胁迫。即使当CO2同化因水分胁迫而减少,C3植物在早期和中等水分胁迫下也表现出强电子传递速率。这表明还有其他电子汇用于电子传输(Ohashi 2005)。早期水分胁迫测量和检测的问题可以通过使用加热和产量法测量来解决,以测量非常早期水分胁迫(Burke 2007)。
3、  红树叶子生长在热带地区。其电子传输速率再次是CO2同化的三倍。据信这主要是由于活性氧物质作为电子吸收剂的参与。 (Baker Oxborough 2004),(Cheeseman 1997)。
4、  在热胁迫研究中,气体交换系统可以检测30摄氏度左右的胁迫,而YII光化学产量只能检测高于35摄氏度的热胁迫,可以研究与可逆Rubisco抑制相关的电子传递(Haldimann 2004)。
5、  光胁迫研究。在高光照条件下,PSII反应中心未被调制荧光仪中使用的非常高强度的饱和脉冲完全饱和,在这种特殊情况下,可以使用组合设备来测量(Earl 2004)。(OS5p+荧光仪的多次饱和光闪技术使用回归分析方法可以校正此问题)。
6、  光呼吸的测量。通过结合气体交换和荧光ETR测量确定光呼吸中CO2的释放速率。这是第一次可以通过荧光和气体交换的组合来测量。 这对C3植物的研究具有重要作用,其中由于光呼吸导致碳同化存在曲线相关性... (Long and Bernacchi 2003)。
7、  Gm叶肉导度现在可以用叶绿素荧光和气体交换系统直接测量。荧光的电子传递与气体交换的ETR之间的差异是叶肉导度的函数。在过去,这只能靠估算,现在它可以直接测量。
                           

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