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探讨│OJIP荧光快相应用中需注意的问题
日期:2023-03-28 15:39:10
编者按:OJIP曲线即荧光快相,可以简单理解为把Fv/Fm的峰拉宽,放大,观察和研究荧光上升的细节,从而获得与原初光化学反应有关的信息。测量荧光快相需要较高的时间分辨率,多款PAM荧光仪,如PAM-2500、Dual-PAM、Multi-Color-PAM、Phyto-PAM-Ⅱ等均具有荧光快相测量功能。那么PAM的调制技术与非调制(连续激发)荧光仪测出的OJIP曲线有什么区别?在数据分析和应用的时候需要注意些什么?我们就这些大家关心的问题,与快相荧光领域的资深专家,德国WALZ应用科学家Gert Schansker博士进行了探讨。


叶绿素荧光快速诱导动力学包含许多有用的信息,但由于JIP-test理论的诸多限制,导致这些信息可能难以充分利用。

首先要注意JIP-test是基于纯QA模型的,这意味着可变荧光完全由QA的氧化还原状态所决定。这一概念由Duysens and Sweers (1963)提出。但我们从模拟研究中了解到的情况并非如此,否则强光下只需几ms就可以达到最大荧光Fm,这与测量结果不符。

早在1986年,Schreiber 1986, Neubauer and Schreiber/Schreiber and Neubauer 1987就广泛而系统地阐述了基于调制测量光和800μs电子快门的荧光快相,命名为O-I1-I2-P。(译者注:Schreiber教授是PAM发明人


图123032801.jpg

饱和脉冲诱导的多相荧光上升诱导动力学曲线,由初代PAM-100测量


1991/1992 Strasser and Govindjee发表了使用非快门系统(连续激发)测量的类似结果,命名为O-J-I-P,并将相关的数据处理和分析方法命名为JIP-test。虽然Schreiber一直强调I1相与J相的不同,但有学者认为两者实际上并无差别

JIP-test包含的一个重要创新就是以对数时间轴为坐标。现在,人们在展示快相荧光时会很自然地以对数时间轴为坐标,但我们很难意识到这在当时是多么具有革命性。我们从Merope Tsimilli-Michael那里得知,对数时间轴的最初想法是由已过世的Tom Bannister提出的。

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以对数时间轴展示的多相荧光诱导动力学曲线(左,PAM调制测量;右,连续激发测量)

在JIP-test中,J相是整个数据分析的核心。Reto Strasser等认为O-J段是单个电荷分离区,而J-I-P段是多个电荷分离区。虽然有学者认为O-J段实际上应当是2-3个电荷发生了分离,但重要的是曲线被分成了PS部分和后PS部分,这一观点影响深远。

七十年代,Strasser等提出了flux理论,并认为OJIP曲线正是这一理论的完美载体。但是,通过JIP-test进行数据处理时需要进行各种的标准化,例如在O和P以及O和J之间进行标准化等等。需要标准化成为整个方法的一个弱点。以高温胁迫为例,在重度高温胁迫下,会有大量的PSII供体受损,此时饱和脉冲已无法激发出真正的Fm。另外,高温胁迫也会导致Fo的上升,这可能是由QAQB间的平衡发生变化而引起的。如果对这样的数据进行双重标准化,曲线就会变得格外陡峭。Strasser等认为这是快速供体存在的证据。然而,有研究发现如果不对曲线进行标准化,那么高温胁迫对曲线斜率的影响就不复存在了(Toth et al. BBA 2007)。这表明Strasser等的快速供体理论很可能是标准化本身造成的人为假象。类似的问题在其他胁迫中也存在。由于连续激发测量难以准确获得Fo和Fm,缺少这些数据,分析结果将难以避免地受到标准化的人为影响。

另一个需要注意的问题是,JIP-test是建立在Fo和Fm与叶片的叶绿素含量成正比的假设基础上的。这一假设必须得到实验的验证,但事实并非如此。Dinç et al. (BBA 2012)的研究表明,Fm和Fo对叶绿素含量的变化并不敏感,直至叶绿素丧失达到80%。许多与衰老有关的研究也证实了这一点。这就意味着JIP-test中所有关于CS0和CSm的参数都失去了意义。

还有一个需要注意的问题就是J相。有研究 (Toth et al. PRES 2007)发现,FJ对PQ的氧化还原状态敏感。在特定胁迫下可加剧黑暗中PQ库的还原程度,并获得更高的FJ(和更低的1-VJ)。然而,实际情况可能更为复杂,因为热相(JIP)的振幅可能也对特定胁迫敏感(有人在盐胁迫的研究中注意到了这一现象)。低强度的远红光也许能用来区分两者。

后来,Schrieber提出了一种通过PAM荧光仪在I1相的顶部叠加一个饱和闪光的方式,测量我们称之为I1(max)的方法,这是一项重要的创新成果,可用于确定PSII反应中心的周转速率以及捕光天线的光学截面积等

图323032801.jpg

箭头所指为在I1相顶部叠加单周转饱和闪光测量I1(max)

正如前文所述,JIP-test是一种基于纯QA模型的理论,你可以看到PSⅡ和小部分PQ库的信息。但从动力学角度看,基于JIP-test开发出的PSⅠ参数可能就没有实际意义了。

虽然通过生理学手段分析OJIP瞬态荧光曲线会更好,但即便如此,JIP-test中的许多参数也是非常有用的,关于这一点可以参考Kalaji et al. (PRES 2014 and PRES 2017)的文章。



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