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      2. 光合氣體交換、調制葉綠素熒光、日光誘導葉綠素熒光同步測量系統:一種遙感葉綠素熒光的評估方法
        日期:2021-08-19 18:40:00
        脈沖振幅調制(PAM)熒光測量技術是選擇性打開和關閉光系統II(PSII)反應中心以測定光子吸收的光合量子產率的最廣泛使用的技術之一(Krause&Weis,1991;Bilgeret al.,1995)。PAM在光合作用研究中的廣泛應用引發了人們對利用遙感技術在陽光照射下被動檢測葉綠素熒光的興趣,即所謂的日光誘導葉綠素熒光(SIF; Meroni et al., 2009; Porcar-Castell et al.,2014 for reviews)。


        通過PAM熒光技術得到與電子傳遞(PSII效率)相關的參數需要一個飽和脈沖光(>5000 μmol m-2 s-1)來暫時關閉PSII反應中心,以及一個弱脈沖調制光(ML;Duysens,1979)來跟蹤穩態熒光產量。這種方法在被動遙感平臺上是不可行的,因此與PAM測量相比,SIF包含的信息量受到限制。

        盡管存在與被動葉綠素熒光測量和解釋相關的困難,但近幾十年來,SIF遙感在一系列尺度上取得了重大進展(e.g. Gamonet al., 1990; Zarco-Tejada et al., 2003, 2012; Moya et al., 2004; Meroni &Colombo, 2006; Guanter et al., 2007; Damm et al., 2010; Yang et al., 2015)。雖然這些研究很有前景,但光譜葉綠素熒光與葉片水平CO2交換之間的直接聯系尚未建立。

        在時間和空間上將被動和主動誘導的葉綠素熒光和葉片水平的氣體交換聯系起來,有助于揭示遙感SIF和GPP在一系列尺度上的關系(i.e. satellite; Joiner et al., 2011, 2013; Frankenberg etal., 2011; Guanter et al., 2012, 2014)。例如,為了更好地理解SIF和GPP之間的關系,包括兩個過程的匯合和分歧,必須考慮NPQ的變化。通過同時測量光化學(PAM)、CO2氣體交換和光譜葉綠素熒光輻射的產量,我們可以探索SIF信號中的真實信息內容。

        為了實現這一點,加州理工學院噴氣推進實驗室、地質行星科學系,康奈爾大學土壤與作物學部,斯坦福大學卡耐基科學研究院全球生態部,科羅拉多大學,西方學院等多家研究機構,聯合德國WALZ公司開發了一款可同步測量光合氣體交換、調制葉綠素熒光(PAM)和日光誘導葉綠素熒光(SIF)的測量系統,相關研究成果和應用展望發表在New Phytologist上。

        該系統是在光合熒光同步測量系統GFS-3000的基礎上稍加改造而成。系統由GFS-3000配備3050-F光纖型PAM葉綠素熒光模塊,進行氣體交換和調制葉綠素熒光的同步測量。光譜熒光部分通過整合一部QE Pro光譜儀實現。具體見圖1的示意圖。

        利用該系統成功獲得了一系列光照條件下穩態熒光和最大熒光的光譜動力學(圖3-5)。結果表明,雖然光譜葉綠素熒光產量和PAM熒光產量之間的相關性一直很強,但也與波長有關,斜率遵循熒光發射曲線的平均形狀。結果進一步表明了定量NPQ和ΦPSII的重要性,兩者都可以以不同的非線性方式改變葉綠素熒光的產量(圖6)。該方法的另一個優點是較高的光譜采樣頻率(如此處所示為0.2秒),可用于觀察葉綠素熒光猝滅的快速響應動力學(Francket al., 2005; Buschmann, 2007)。在葉片尺度上,我們證明了Fλ和Anet(圖7)在實驗中每個光響應曲線之間簡單的環境和物種的不同關系。在圖7的示例中,在不同物種和條件下觀察到Fλ和Anet之間的非線性關系,其中Fλ在Anet達到光飽和后繼續增加(圖7)。

        最近,使用機載儀器進行的研究為我們理解波長依賴性和擴展SIF的潛力做出了重大貢獻,盡管這些研究主要集中在760和687 nm,表明這些波長的比率可用于推斷作物脅迫(Rascher et al., 2015; Wieneke et al., 2016)。本文所述儀器的未來工作應檢查目前星載平臺(OCO-2、GOME-2、GOSAT)測量的波長,并調查一系列環境條件和不同物種下,紅色和遠紅色熒光之間的比率(see reviews by Buschmann, 2007; A_c et al.,2015)。此外,全面了解葉綠素熒光發射光譜對于評估在未來儀器開發(即NASA OCO-3、ESA FLEX)和SIF解釋中如何外推紅色和遠紅色熒光(及其比率)至關重要。這方面的研究不僅有助于解釋星載平臺上SIF的波長依賴性,而且還可以更好地理解SIF的大小如何隨時間和環境條件而變化。

        圖1210819.jpg

        圖1 光合氣體交換、調制葉綠素熒光、日光誘導葉綠素熒光同步測量系統示意圖(a)。開始照光后的典型脈沖振幅調制(PAM)葉綠素熒光曲線。請注意,顏色(藍色和粉色)代表驅動信號的燈光的顏色,盡管PAM所有參數都是由藍色LED計算得出的。(b) 紅外氣體分析系統(IRGA)的基本原理圖,在光化光照射下(時間與(a)類似),顯示光響應曲線(凈光合速率)。(c) 葉室示意圖,PAM和光譜儀(QE Pro)的光纖插入,以及PAM和光化光LED光源發出的代表性光的顏色。請注意,光化光LED光源為90%的紅色LED和10%的藍色LED,并且在短通濾光片的作用下有所衰減(在濾光片下方顯示稍淺的“粉色”)。在葉片表面有一個光合有效輻射(PAR)傳感器, PAM和QE Pro耦合的光纖束末端與葉片表面距離約2mm。(d) 與Fm, λ和Fm’, λ(由Blue LED激發)和Ft, λ(由Actinic LED激發)相關的光譜熒光曲線,其與(a)中熒光軌跡所示的時間相對應。

        圖2210819.jpg

        圖2 概念圖強調了光響應曲線開始期間(包括第一和第二光強梯度)光譜熒光(Fλ)和脈沖振幅調制(PAM)熒光參數的推導過程。(a) 從光譜和PAM得到最大熒光參數。光譜(Fm, λ和Fm’,λ),PAM(Fm和Fm’)。(b) 將圖(a)放大(注意y軸的單位)強調光譜熒光信號(Fλ),相當于日光誘導熒光(SIF)。(c) 通過PAM得到的熒光強度(Ft)對吸收光強(aPAR)不敏感,與光譜熒光產量(ΦFt,λ = Fλ/ aPAR×leaf absorption)疊加。樣本來自未受脅迫的大葉櫟,光譜為700-800 nm范圍的均值。對參數更詳細全面的描述,詳見支持信息圖S6.

        圖3210819.jpg

        圖3 (a)未受脅迫大葉櫟脈沖振幅調制(PAM)最大熒光產量(Fm和Fm’)和5個樣本波段(686,740,757,771和800nm)光譜最大熒光產量(Fm, λ和Fm’, λ)的相關性。(b)不同物種和條件下各波長的最大熒光產量的確定系數(R2)。(c)PAM實時熒光(Ft)和光譜熒光產量(ΦFt,λ)的關系。(d)不同品種和條件下各波長穩態熒光產量的確定系數(R2

        圖4210819.jpg

        圖4 飽和脈沖誘導的最大熒光發射(Fm, λ和Fm’, λ)(a-d)和光化光誘導的熒光發射(Fλ)(e-h)。藍色為槭樹,綠色為大葉櫟。a, e,c, g未受脅迫,b, f, d, h為脅迫后。顏色梯度表示光響應曲線入射光合作用活化光強度(PAR, μmol m-2 s-1),顏色越深表示PAR越低。

        圖5210819.jpg

        圖5 (a)不同物種和條件的最大光譜熒光發射(Fm, λ和Fm’, λ)曲線比較。根據PAR=0(實線)和PAR=1500(虛線)的最大Fm, λ或Fm’,λ進行標準化。(b)不同物種和條件的穩態光譜熒光發射(Fλ)曲線比較。根據PAR=0(實線)和PAR=1500(虛線)的最大Fλ進行標準化。注意主要發射光源分別為藍光(a)和紅光(b)LED。

        圖6210819.jpg

        圖6 未受脅迫槭樹光響應曲線過程中通過脈沖振幅調制(PAM)獲得的穩態葉綠素熒光產量Ft和光譜(ΦFt, λ: 波長686, 740, 800)與非光化學淬滅NPQ(a),光系統II量子產量ΦPSII(b),CO2產量ΦCO2(c)的關系。(b)中的疊加數據為光合作用與能量的土壤冠層觀測(SCOPE)模型的2種參數(見材料與方法部分,此處被稱為SCOPE1和SCOPE2)。PAM和光譜葉綠素熒光產量數據根據光響應曲線中的最大值進行了標準化。為了讓趨勢可視化,對所有關系應用多項式模型。

        圖7210819.jpg

        圖7 不同物種和條件下686 nm(a)和740nm(b)穩態光譜熒光(Fλ)與光合作用(Anet)的關系。數據點為每個光強梯度下穩態Anet和Fλ的平均值,誤差線表示每個光強梯度下的±SE。

        —— 原文 ——

        Magney, T.S., Frankenberg, C., Fisher, J.B., et al. Connecting active to passive fluorescence with photosynthesis: a method for evaluating remote sensing measurements of Chl fluorescence. New Phytol, 2017, 215: 1594-1608.


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