SpectraPen/PolyPen光譜儀應(yīng)用——南極地衣生態(tài)監(jiān)測(cè)研究

2006年，捷克在南極James Ross島建設(shè)了Johann Gregor Mendel站。駐扎該站的捷克馬薩里克大學(xué)與捷克科學(xué)院*變化中心的科研人員從2007年就開展研究當(dāng)?shù)卦孱惡偷匾聦?duì)南極溫度升高的響應(yīng)，從而評(píng)估溫室效應(yīng)對(duì)南極生態(tài)系統(tǒng)的影響。當(dāng)時(shí)他們使用了專門加強(qiáng)極地適應(yīng)能力的AquaPen/FluorPen系列手持式葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量?jī)x來檢測(cè)藻類和地衣的光合生理和生長(zhǎng)狀態(tài)。AquaPen/FluorPen既可以手動(dòng)操作，也具備無人值守監(jiān)測(cè)葉綠素?zé)晒獾墓δ?，在南極的嚴(yán)酷環(huán)境下表現(xiàn)良好。

之后科研人員開始使用專門設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的Monitoring Pen葉綠素?zé)晒庾詣?dòng)監(jiān)測(cè)儀。Monitoring Pen在理想情況下可自動(dòng)連續(xù)工作2年，配有陸地增強(qiáng)版和水下增強(qiáng)版兩個(gè)版本。

左：Johann Gregor Mendel站2007-2009年使用的AquaPen/FluorPen；右：近年開始使用的Monitoring Pen

在2019年新的研究中，研究人員使用FluorPen手持式葉綠素?zé)晒鈨x、FluorCam便攜式葉綠素?zé)晒獬上駜x、FluorCam開放式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)和SpectraPen手持式光譜儀來綜合研究地衣Dermatocarpon polyphyllizum的溫度、干旱、高光等環(huán)境因素的響應(yīng)機(jī)制。

FluorPen具備OJIP快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線分析測(cè)量能力，可以快速獲取與植物/藻類光合生理與脅迫響應(yīng)相關(guān)的二十余項(xiàng)參數(shù)。通過FluorCam便攜式葉綠素?zé)晒獬上駜x進(jìn)行的葉綠素?zé)晒獯銣鐒?dòng)力學(xué)（也稱為慢速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)）分析，可以獲取植物/藻類光合電子傳遞從啟動(dòng)到穩(wěn)定的變化過程，計(jì)算反映光化學(xué)效率、光系統(tǒng)熱耗散、光系統(tǒng)開放程度等一系列參數(shù)。

不同溫度處理后的地衣葉綠素?zé)晒夥治觯鹤? OJIP快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線；中. OJIP各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)雷達(dá)圖；右：葉綠素?zé)晒獯銣鐒?dòng)力學(xué)曲線

FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)除了測(cè)量上述葉綠素?zé)晒馇€與參數(shù)，關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)測(cè)量樣品每個(gè)點(diǎn)的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)變化，從而獲得相應(yīng)參數(shù)的成像圖，用于反映樣品整體狀態(tài)與不同部位的差異，能夠非常直觀地展現(xiàn)不同處理之間的差異。

干燥、復(fù)水與高光處理的地衣葉綠素?zé)晒獬上穹治觯鹤? a干燥處理后彩色成像；b復(fù)水48小時(shí)后彩色成像；c小熒光Fo：d大熒光Fm；e大光化學(xué)效率Fv/Fm；f非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)NPQ；右. 復(fù)水過程中熒光參數(shù)變化

在實(shí)驗(yàn)處理過程中，除了葉綠素?zé)晒夥从车墓庀到y(tǒng)變化外，地衣的色素組成也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的顯著變化。這就需要通過SpectraPen手持式光譜儀來監(jiān)測(cè)其可見光-近紅外波段的反射光譜變化，同時(shí)計(jì)算歸一化植被指數(shù)NDVI、光化學(xué)反射指數(shù)PRI等植被指數(shù)來對(duì)這些變化進(jìn)行量化。

這一系列研究為了解環(huán)境下光合有機(jī)體的存活和保護(hù)機(jī)制是非常重要的。

左. 復(fù)水過程中地衣不同顏色部位的光譜曲線；右. 相應(yīng)的歸一化植被指數(shù)NDVI和光化學(xué)反射指數(shù)PRI

參考文獻(xiàn)：

1.Barták M, et al. 2009, Long-term study on vegetation responses to manipulated warming using open top chambers installed in three contrasting Antarctic habitats. Structure and function of antarctic terrestrial ecosystems, Masaryk University

2.Mare?ková M, et al. 2019. Temperature effects on photosynthetic performance of Antarctic lichen Dermatocarpon polyphyllizum: a chlorophyll fluorescence study. Polar Biology 42(4): 685–701

3.Mishra KB, et al. 2019. A correlative approach, combining chlorophyll a fluorescence, reflectance, and Raman spectroscopy, for monitoring hydration induced changes in Antarctic lichen Dermatocarpon polyphyllizum. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 208: 13-23

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lFluorPen/AquaPen手持儀葉綠素?zé)晒鈨x

lMonitoring Pen葉綠素?zé)晒庾詣?dòng)監(jiān)測(cè)儀

lFluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)

lFKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)

lFMT150/MC1000/ET-PSI藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

lThermo-RGB紅外熱成像技術(shù)

lSpectraPen/PolyPen、Specim高光譜測(cè)量技術(shù)

lPlantScreen植物高通量表型成像分析平臺(tái)