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專利名稱:基于葉綠素熒光的浮游植物光合速率快速檢測方法

文章來源: 發布時間: 2019-10-23

專利名稱:基于葉綠素熒光的浮游植物光合速率快速檢測方法 

申 請 號 

CN201410465026.3 

申 請 日 

2014.09.12 

公開(公告)號 

CN104215616B 

公開(公告)日 

2017.02.15 

申請(專利權)人 

中國科學院合肥物質科學研究院

發 明 人 

殷高方;趙南京;石朝毅;胡麗;方麗;肖雪;段靜波;邱曉晗;覃志松;王園園;張玉鈞;劉建國;劉文清

專利類型 

發明專利

摘 要 

本發明公開了一種基于葉綠素熒光的浮游植物光合速率快速檢測方法。本發明從光合作用能流角度出發,采用葉綠素熒光作為光合作用的探針,提出一種浮游植物葉綠素熒光的可變光脈沖誘導方法,將復雜的光合作用能流過程分段,通過分析不同誘導模式下葉綠素熒光動力學曲線,分段獲得主導光合作用能流效率的光合參數;在此基礎上,根據生物膜能流過程,建立基于葉綠素熒光的浮游植物光合速率的定量分析方法,實現浮游植物光合作用狀態和生長潛能的實時快速檢測,為發展現場原位測量技術提供方法基礎。

主權項 

1.基于葉綠素熒光的浮游植物光合速率快速檢測方法,其特征在于包括以下步驟:

(1)設計快速可變光脈沖激發策略,實現光合作用能流過程的分段

浮游植物細胞經暗適應后,參與Calvin循環的幾種酶失去活性,重新照光后需要經過一個光合誘導期才能正常運行;在光合誘導期內,所有的電子受體均能接收電子被還原,卻不能及時給出電子被氧化,存在一個單電子周轉期,不同電子受體單周轉的周期不同;在單周轉期內,強光照射促使能夠接收電子的電子受體數快速減少至零,電子傳遞鏈被阻塞,葉綠素熒光快速上升至最大;單周轉期后,電子受體再氧化給出電子,葉綠素熒光開始弛豫下降;

QAQBPQ單周轉周期分別為100μs1ms10-20ms,是電子傳遞鏈中的容易產生電子阻塞的三個電子受體,采用快速可變的光脈沖作激發光源,通過調節光脈沖振幅、頻率、占空比和激發時序,設計不同的激發策略,選擇性還原QAQBPQ,獲取不同誘導模式下的葉綠素熒光動力學曲線;

QA飽和快相熒光動力學曲線。在不造成光損傷的情況下,采用占空比大的高強度快速光脈沖,在QA單電子周轉內產生足夠高的能量累積,將其全部還原,打斷光合作用的電子傳遞鏈,獲得QA飽和快相熒光動力學曲線,該曲線僅與QA之前光合能流過程有關;

QB飽和快相熒光動力學曲線。QA單周轉期后,電子向后傳遞給QB;通過降低脈沖光瞬時光強和占空比,在QB單周轉期內使QA發生更多氧化還原反應,將電子傳遞到QB,將其全部還原,阻塞電子傳遞鏈,獲得QB飽和快相熒光動力學曲線,該曲線僅與QB之前光合能流過程有關;

PQ飽和快相熒光動力學曲線。再次降低脈沖光瞬時光強和占空比,在PQ單周轉期內使QB發生更多氧化還原反應,將電子傳遞到PQ,將其全部還原,阻塞光電子傳遞鏈,產生PQ飽和快相熒光動力學曲線,該曲線取決于PQ之前光合能流過程;

PQ飽和弛豫熒光動力學曲線。PQ電子飽和后,關閉飽和光脈沖,使用微弱探測光脈沖激發,為了減小探測光對光合作用過程影響,探測光脈沖需要保持較低光強和占空比;PQ飽和模式下,PQ池被全部還原,探測光脈沖產生的熒光達到峰值,PQ單周轉期結束,PQ重新被氧化,電子向后傳遞,探測光脈沖誘導熒光出現弛豫下降過程,該過程僅與PQ后光合能流過程有關;

(2)分析葉綠素熒光動力學曲線,獲取主導光合作用能流效率的光合參數

在浮游植物光合誘導期內,強光照射促使能夠接收電子的電子受體數快速減少至零,葉綠素a分子吸收的激發能就不再參與光化學反應,表現為葉綠素熒光的快速上升;過了光合誘導期后,Calvin循環得以正常運行,葉綠素熒光開始弛豫下降;根據浮游植物光合作用能量傳遞模型,該葉綠素熒光動力學過程f(t)表示為激發光能I(t)、功能吸收截面σPSII、光化學反應電荷分離效率η和電子受體再氧化動力學過程的函數;

F0為所有PSII反應中心都打開時的初始熒光,FmPSII反應中心全部關閉時的最大熒光,C(t)t時刻PSII反應中心關閉比例或關閉狀態,C(t)取決于激發光能I(t)PSII的傳遞速率和QA的再氧化速率,由下式表示:

函數g(t)描述了t時刻QA的再氧化動力學過程,取決于其后的電子傳遞速率由下式表示:

然而,由于公式(1)-(3)非線性很強,不存在能夠描述葉綠素熒光信號與激發信號之間函數關系的解析解,采用快速光脈沖和高速采樣率測量葉綠素熒光動力學曲線,公式(1)-(3)可離散化為公式(4)-(6)的遞歸形式:

fn為第n個光脈沖的葉綠素熒光采樣值,Cn為第n個脈沖時PSII反應中心關閉狀態,表示如下:

In為第n個光脈沖的激發能量,An,k取決于QA及其后的電子受體的再氧化動力學過程:αk和分別是各電子受體的再氧化幅值常數和電子傳遞速率,Δt是光脈沖周期;理論上通過(4)-(6)式對fn進行擬合,便反演得到之前列舉的所有的熒光參數;

然而,(4)-(6)式中共有包括功能吸收截面、電子傳遞速率在內的7個光合參數,直接進行熒光動力學曲線擬合仍無法得到準確的數值解;因此,通過分析QAQBPQ飽和模式下的快相熒光和弛豫熒光,分段研究光合作用過程,以減少擬合參數個數,使擬合函數對某個或幾個參數更加敏感,獲得準確有效的光合參數;

QA飽和快相熒光分析 QA飽和模式下,電荷在QA處累積,電子傳遞鏈中斷,熒光快速上升,得到PSII反應中心全部關閉時的最大熒光Fm、所有PSII反應中心都打開時的初始熒光F0;該快相熒光過程與QA后的電子傳遞過程無關,(4)-(6)式得以簡化:通過(7)(8)式對QA飽和模式的快相熒光進行曲線擬合,得到功能吸收截面σPSII和電荷分離效率η,同時,計算出最大光量子效率Δφ(Fm-Fo)/Fm

QB飽和快相熒光分析 QB飽和模式下,電荷在QB處累積,該快相熒光過程與QB后的電子傳遞過程無關,F0FmσPSIIη保持不變且已知,通過(4)-(6)式分析QB飽和下的快相熒光曲線能夠準確得到QAQB間電子傳遞速率

PQ飽和快相熒光分析 PQ飽和模式下,電荷在PQ處累積,該快相熒光過程與PQ后的電子傳遞過程無關,同理通過QB飽和下的快相熒光分析能準確得到QBPQ間電子傳遞速率④PQ飽和弛豫熒光分析

PQ電子飽和后,PQ池被全部還原,探測光脈沖產生的熒光達到峰值,PQ單周轉期結束,PQ再氧化過程開啟,在PQ處累積的電荷向后傳遞,光合作用正向電子傳遞效率非常高,逆向電子傳遞過程能忽略,熒光呈現弛豫下降過程,該過程僅與PQ后光合能流過程有關,通過(5)式,即能擬合出PQPSI電子傳遞速率和PSIFd的電子傳遞速率

(3)結合生物膜能流理論,建立浮游植物光合速率葉綠素熒光分析方法

浮游植物光合速率是活體細胞對光能吸收、轉化和利用效率,即參與光化學反應能量占激發光能量的比例;根據生物膜能流理論,浮游植物光合速率ψ與最大光量子效率,功能吸收截面σPSII,電荷分離效率η,以及QAQBPQPSIFd主要電子受體間的電子傳遞速率這些光合參數線性相關,具體由(9)式計算:

通過(9)式建立基于葉綠素熒光的浮游植物光合速率的定量分析方法,實現浮游植物光合作用狀態和生長潛能的實時快速檢測。

IPC信息 

IPC主分類號 

G01N21/64(2006.01)I 

IPC分類號 

G01N21/64(2006.01)I 

G 物理

     G01 測量;測試 

      G01N 借助于測定材料的化學或物理性質來測試或分析材料 

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