FluorCam葉綠素熒光成像：OJIP與QA-再氧化動力學(xué)曲線分析

FluorCam葉綠素熒光成像技術(shù)：

OJIP快速熒光動力學(xué)曲線與QA-再氧化動力學(xué)曲線成像分析

PAM熒光淬滅動力學(xué)曲線、OJIP快速熒光動力學(xué)曲線和QA-再氧化動力學(xué)曲線分析是葉綠素熒光技術(shù)的三大主要測量技術(shù)路線，分別對應(yīng)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(xué)曲線和QA-再氧化動力學(xué)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(xué)曲線測量的儀器只有FL6000雙調(diào)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(xué)曲線和QA-再氧化動力學(xué)曲線對技術(shù)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?qū)崿F(xiàn)。

OJIP快速熒光動力學(xué)曲線測量要求對樣品經(jīng)過暗適應(yīng)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(xué)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(zhuǎn)數(shù)量）、Phi---_Po 、Psi_o 、Phi_Eo、Phi_Do、Phi_pav、ABS/RC（單位反應(yīng)中心的吸收光量子通量）、TRo/RC（單位反應(yīng)中心初始捕獲光量子通量）、ETo/RC（單位反應(yīng)中心初始電子傳遞光量子通量）、DIo/RC（單位反應(yīng)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(yīng)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(xué)曲線測量是運用STF（single turnover flash，單周轉(zhuǎn)光閃）測量光系統(tǒng)II中QA再氧化過程中熒光產(chǎn)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(zhì)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(shù)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(xué)曲線的擬合成像測量。

2019年，捷克科學(xué)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(shù)結(jié)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(shù)實現(xiàn)了真正的OJIP快速熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線和QA-再氧化動力學(xué)曲線成像測量

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