FluorCam葉綠素熒光成像：OJIP與QA-再氧化動力學曲線分析

FluorCam葉綠素熒光成像技術：

OJIP快速熒光動力學曲線與QA-再氧化動力學曲線成像分析

PAM熒光淬滅動力學曲線、OJIP快速熒光動力學曲線和QA-再氧化動力學曲線分析是葉綠素熒光技術的三大主要測量技術路線，分別對應光系統(tǒng)運行機理的不同方面。與PAM熒光淬滅分析主要針對光系統(tǒng)運行中較慢的光合穩(wěn)態(tài)與熒光淬滅不同，OJIP快速熒光動力學曲線和QA-再氧化動力學曲線分析都需要非常高的檢測速度。

目前，能夠同時完成這三種熒光動力學曲線測量的儀器只有FL6000雙調制葉綠素熒光儀、 FluorCam封閉式熒光成像系統(tǒng)和FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)。而由于OJIP快速熒光動力學曲線和QA-再氧化動力學曲線對技術的特殊要求，對這兩種曲線的成像分析更是只有FluorCam封閉式熒光成像系統(tǒng)和FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)能夠實現(xiàn)。

OJIP快速熒光動力學曲線測量要求對樣品經過暗適應后的最小熒光上升到最大熒光這一過程進行快速檢測。這一個過程一般在1-2秒即可完成，儀器檢測器的最高靈敏度要求達到100 000次/秒以上。OJIP快速熒光動力學曲線部分參數(shù)及其意義： Fo、Fj、Fi、P或Fm、Vj、Vi、Mo、Area 、Fix Area、Sm 、Ss 、N（QA還原周轉數(shù)量）、Phi---_Po 、Psi_o 、Phi_Eo、Phi_Do、Phi_pav、ABS/RC（單位反應中心的吸收光量子通量）、TRo/RC（單位反應中心初始捕獲光量子通量）、ETo/RC（單位反應中心初始電子傳遞光量子通量）、DIo/RC（單位反應中心能量散失）、ABS/CS（單位樣品截面的吸收光量子通量）、TRo/CSo、RC/CSx（反應中心密度）、PI_ABS（基于吸收光量子通量的“性能"指數(shù)或稱生存指數(shù)）、PIcs（基于截面的“性能"指數(shù)或稱生存指數(shù)）

QA-再氧化動力學曲線測量是運用STF（single turnover flash，單周轉光閃）測量光系統(tǒng)II中QA再氧化過程中熒光產額的衰減曲線，從而衡量QA傳輸電子的能力。通過曲線擬合可能將光系統(tǒng)II分為快相（Fast phase）、中間相（Middle phase）和慢相（Slow phase），同時獲得各自的振幅（A1，A2，A3）和時間常數(shù)（T1，T2，T3）。這是用來深入研究光系統(tǒng)II變化異質性的工具，同樣要求檢測器的最高靈敏度達到100 000次/秒以上。

這么高的檢測速度在葉綠素熒光儀上是可以實現(xiàn)的，但由于成像CCD元件的成像速度限制，一般葉綠素熒光成像儀器根本無法達到。國際上僅有FluorCam的兩個型號——FluorCam封閉式熒光成像系統(tǒng)和FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)通過泵浦成像技術分別實現(xiàn)了葉片層次與細胞層次的OJIP和QA-再氧化動力學曲線的擬合成像測量。

2019年，捷克科學院Küpper教授與PSI公司合作，將超高靈敏度成像傳感器與葉綠素熒光成像技術結合，實現(xiàn)了在640×512圖像分辨率下高達4000幀/秒的葉綠素熒光成像速度。這一技術實現(xiàn)了真正的OJIP快速熒光誘導動力學曲線和QA-再氧化動力學曲線成像測量

后續(xù)，Küpper使用這一革新性的技術成果進行了大量關于重金屬對光合作用抑制機理的研究。赫爾辛基大學等則利用這一新技術開展了擬南芥光系統(tǒng)對臭氧的響應機制等一系列研究。

參考文獻：

1.Jedmowski C, et al. 2015. Imaging of fast chlorophyll ?uorescence induction curve (OJIP) parameters, applied in a screening study with wild barley (Hordeum spontaneum) genotypes under heat stress. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 151: 153-160

2.Ding S, et al. 2016. Glutathione reductase 2 maintains the function of photosystem II in Arabidopsis under excess light. Biochimica et Biophysica Acta 1857: 665-677

3.Küpper H, et al. 2019. Analysis of OJIP Chlorophyll Fluorescence Kinetics and QA Reoxidation Kinetics by Direct Fast Imaging. Plant Physiology 179: 369-381

4.Morina F, Küpper H, et al. 2020. Direct inhibition of photosynthesis by Cd dominates over inhibition caused by micronutrient deficiency in the Cd/Zn hyperaccumulator Arabidopsis halleri. Plant Physiology and Biochemistry 155: 252-261

5.Morales LO, et al. 2021. Ozone responses in Arabidopsis: beyond stomatal conductance. Plant Physiology 186(1): 180-192

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