叶绿素荧光—光合作用研究和光能分配的探针
Kautsky和Hirsh（1931）最先认识到光合原初反应和叶绿素荧光存在着密切关系。他们第一次报告了经过暗适应的光合材料照光后，叶绿素荧光先迅速上升到一个最大值，然后逐渐下降，最后达到一个稳定值。此后，随着研究的深入，人们逐步认识到荧光诱导动力学曲线中蕴藏着丰富的信息。
No investigation into the photosynthetic performance of plants under field conditions seems complete without some fluorescence data. ------- Giles N.Johnson
叶绿素荧光动力学包含着光合作用过程的重要信息，如光能的吸收和转化。能量的传递与分配、反应中心的状态，过剩能量的耗散以及反映光合作用的光抑制和光破坏。应用叶绿素荧光可以对植物材料进行原位、无损伤的检测，且操作步骤简单。所以叶绿素荧光越来越受到人们的青睐，在光合生理和逆境生理等研究领域有着广泛的应用。
叶绿素荧光产生的基本原理：
叶绿素分子吸收光能（激发能）后，由基态跃迁到激发态，激发态是不稳定的状态，就会再回到基态，电子由基态回到基态的过程中，大部分能量转向反应中心推动光化学反应及后来的电子传递光合磷酸化，固定。还原CO2最终将能量贮存在有机物中，一小部分能量以热的形式耗散，再有一部分能量以荧光的形式发出。这三者之间是此消彼长相互竞争的关系。因此我们可以用叶绿素荧光来研究光合作用的变化。
植物体内的叶绿素荧光诱导动力学曲线的测定可采用脉冲调制式荧光仪和连续激发式（非调制式）荧光仪两种不同的方法，它们各有不同的特点。
脉冲调制式荧光仪：
由于调制式荧光仪用来测量荧光的光源是调制脉冲光（高频率的闪光），植物发出的荧光信号与仪器光源发出的光可以区分开，所以用它可以在有背景光的情况下测定。常用的做法是，调制式荧光仪的测量步骤是，先打开测量光（measuring light），测暗适应叶片的最小荧光（FO），然后打开饱和脉冲光（saturating flash light）测暗适应叶片的最大荧光（FM），然后再开启作用光（actinic light）使所测材料受光而进行光合作用。当所测材料光适应后，开启测量光测光适应叶片的稳态荧光（FS），然后打开饱和脉冲光测光适应后的最大荧光（FM’），关掉作用光，打开远红光（far-red light）优先激发PSⅠ使PSⅡ电子传递体处于氧化状态，测定光适应叶片的最小荧光（FO’）（图2）。根据这些变数可以计算暗适应下PSⅡ的最大量子产额[FV/FM=(FM-FO)/FM]、光适应下PSⅡ的最大量子产额[FV’/FM’= (FM’-FO’)/FM’]、光适应下的PSⅡ反应中心开放的比例[qP=(FM’-FS)/( FM’-FO’)]、光适应下PSⅡ的实际光化学效率[ΦPSII=(FM’-FS)/FM’]（Genty等 1989）、光适应下的非光化学猝灭[NPQ=FM/FM’-1]（Demmig-Adams和Adams 1996）等。这些参数除了FV/FM反映了荧光诱导动力学曲线上升过程的O-P段外，其它都是反映P点之后的下降过程。由于光合作用的碳同化反应能反馈影响光合原初反应，调制式荧光仪主要通过测量光合作用的原初光化学反应的情况来反映光合作用的碳同化等反映启动后的光能捕获、转化及利用情况。而对于碳同化反应活化前PSⅡ的光化学变化，所获得的信息就很少了。由于时间分辨率及信噪比的限制，对于从O-P上升过程中荧光变化的信息量的获得，与连续激发式荧光仪相比，调制式荧光仪远不及前者。
连续激发式荧光仪：
连续激发式荧光仪（PEA或Handy PEA，Hansatech，英国）主要是通过短时间照光后荧光信号的瞬时变化反映暗反应活化前PSⅡ的光化学变化，它具有相当高的分辨率（初始记录速度为每秒钟10万次，即100kHz），所以能够从O-P上升过程中捕捉到更多的荧光变化信息，如O-P变化过程中的另外两个拐点（J点和I点）。从10μs最长到300s（Handy-PEA）内不同时间的荧光信号都能被按时记录。在对快速叶绿素荧光诱导动力学曲线作图时，为了更好地观察J点和I点，一般把代表时间的横坐标改为用对数坐标，使呈现出O-J-I-P诱导曲线（图3B）。与调制式荧光仪相比，连续激发式荧光仪有以下很多优点：获得信息量大、操作简便快捷、测定易于多次重复；仪器便于携带、存储量大、价格低廉。
图2 用脉冲调制式荧光仪测定荧光参数的叶绿素荧光动力学曲线
（注：引自许大全著《光合作用效率》2002）
参考文献：
Genty B, Briantais JM, Baker NR (1989). The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence. Biochim Biophys Acta, 990: 87-92
Demmig-Adams B, Adams WWIII (1996). Xanthophyll cycle and light stress in nature: uniform response to excess direct sunlight among higher plant species. Planta, 198: 460-470
李鹏民, 高辉远, Strasser R J. 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. 植物生理与分子生物学学报, 2005, 31(6): 559-566
Li PM, Gao HY, Strasser RJ. Application of the chlorophyll fluorescence Induction dynamics in photosynthesis study. Journal of Plant Physiology and Molecular Biology, 2005, 31(6): 559-566
许大全. 光合作用效率. 上海: 上海科学技术出版社, 2002
