Klorofyllin fluoresenssi

Klorofyllin fluoresenssi on ilmiö klorofyllin luminesenssista, kun se absorboi valoa, mikä tapahtuu molekyylin palaamisen seurauksena virittyneestä tilasta perustilaan. Sitä käytetään laajalti korkeampien kasvien , levien ja bakteerien fotosynteettisen energian muuntamisen indikaattorina . Kiihtynyt klorofylli menettää absorboituneen valoenergian ja tuhlaa sen fotosynteesiin (valokemiallinen energian muuntaminen tai fotokemiallinen sammutus), muuntaa sen lämmöksi ei-fotokemiallisen sammutuksen seurauksena tai lähettäen sen fluoresenssin muodossa. Koska kaikki nämä prosessit kilpailevat keskenään, klorofyllin fluoresenssia analysoimalla saadaan käsitys fotosynteesin intensiteetistä ja kasvin terveydestä [1] .

Kautsky-efekti

Tummiin sopeutuneiden lehtien valaistuksen jälkeen voidaan havaita Photosystem II :n (PSII) fluoresenssin nopea nousu, jota seuraa hidas lasku. Tämän ilmiön kuvasivat ensimmäisen kerran H. Kautsky ja A. Hirsch vuonna 1931. Vaikutusta kutsuttiin Kautsky-ilmiöksi sen löytäjän mukaan.

Fluoresenssin lisääntyminen johtuu siitä, että fotosysteemin II (PSII) reaktiokeskukset menevät "suljettuun" tilaan. Reaktiokeskuksen sanotaan olevan "suljettu", kun se ei enää pysty siirtämään elektroneja. Tämä tapahtuu, kun ylävirran elektronin kantaja on palautettu eikä ole vielä siirtänyt elektronejaan seuraavaan elektronin vastaanottajaan. Reaktiokeskusten sulkeminen vähentää fotokemiallisten reaktioiden kokonaistehokkuutta (kP) ja lisää siten fluoresenssin tasoa (kF). Lehden äkillinen siirtyminen pimeästä valoon lisää suljettujen PSII-reaktiokeskusten osuutta ja johtaa fluoresenssin lisääntymiseen ensimmäisten 1-2 sekunnin aikana. Myöhemmin fluoresenssi heikkenee hitaasti, tämä prosessi voi jatkua useita minuutteja. Pudotus johtuu "valokemiallisen sammutuksen" aktivoinnista ja elektronien siirrosta PSII:sta kloroplastien ETC:n kautta NADP:hen ja hiilen kiinnityssykliin sekä ei-fotokemiallisten sammutusmekanismien sisällyttämisestä , mikä muuntaa viritysenergian lämmöksi. .

Fluoresenssimittaukset

Mittaukset alkavat määrittämällä fluoresenssin taustataso , joka mitataan altistamalla lehti lyhyelle matalan intensiteetin valolle (PAM-laitteille), joka ei riitä aiheuttamaan fotokemiallista reaktiota (kaikki reaktiokeskukset ovat auki) ja johtaa siten kokonaan fluoresenssi [2] . $F_{0}$

Käyttääkseen klorofyllin fluoresenssin mittausta fotosynteesin analysointiin tutkijoiden on erotettava toisistaan fotokemiallinen sammutus ja ei-fotokemiallinen sammutus (lämmöntuotto). Tämä saavutetaan pysäyttämällä fotokemialliset reaktiot, jolloin tutkijat voivat mitata fluoresenssia pelkän ei-valokemiallisen sammutuksen läsnä ollessa. Tätä varten kasvi valaistaan terävästi voimakkaalla valon välähdyksellä tai tuodaan valoon pimeään sopeutumisen jälkeen. Kaikki PSII-reaktiokeskukset ovat väliaikaisesti suljettuina, eikä energia siirry elektronin kantajaketjua pitkin. Ei-valokemiallisella sammutuksella ei ole vaikutusta, jos salama on tarpeeksi lyhyt. Salaman aikana (tai kasvin äkillisen valolle altistumisen jälkeen pimeydestä) reaktiokeskukset kyllästyvät valolla siirtymällä suljettuun tilaan. Tällaisissa olosuhteissa, kun valokemiallista sammutusta ei ole, eikä fotokemiallinen sammutus ole mitättömän pientä, fluoresenssi saavuttaa maksimitason, jota kutsutaan fluoresenssin maksimiksi [2] . $F_{m}$

PSII:n tehokkuuden määräävän fotokemiallisen sammutuksen tehokkuutta voidaan arvioida vertaamalla fluoresenssin stationääristä tasoa valossa ja fluoresenssin taustatasoa fotosynteesiin sopivan valon puuttuessa. Ei-valokemiallisen sammutuksen tehokkuus vaihtelee useiden sisäisten ja ulkoisten tekijöiden mukaan. Sen vahvistuminen lisää lämmön vapautumista ja pienentää . Koska lämpöenergian hajoamista on mahdotonta pysäyttää kokonaan, on mahdotonta mitata klorofyllin fluoresenssia ilman ei-fotokemiallista sammutusta. Siksi tutkijat käyttävät pimeää sopeutumispistettä ( ), johon he vertaavat ei-valokemiallisen sammutuksen laskettua arvoa [2] . $F_{m}$ $F_t$ $F_{0}$ $F_{m}$ ${\displaystyle F_{m}^{0))$

Yleiset fluoresenssiparametrit

$F_{0}$ : Minimifluoresenssi (suhteellisina yksiköinä). Fluoresenssitaso olosuhteissa, joissa kaikkien reaktiokeskusten oletetaan olevan avoimia (tumma adaptaatio).

$F_{m}$ : Maksimifluoresenssi (suhteellisissa yksiköissä). Fluoresenssitaso korkean intensiteetin välähdyksessä. Kaikki reaktiokeskukset katsotaan suljetuiksi.

${F_{0))'$ : Vähimmäisfluoresenssi (suhteellisina yksiköinä) valon mukautumisolosuhteissa. Säteilytetyn näytteen fluoresenssitaso, joka on pienempi kuin ei-valokemiallisen sammutuksen vuoksi. $F_{0}$

${F_{m))'$ : Maksimifluoresenssi (suhteellisina yksiköinä) valon mukautumisolosuhteissa. Kyllästyvillä valopulsseilla säteilytetyn näytteen fluoresenssitaso, joka peittää tilapäisesti kaikki PSII-reaktiokeskukset.

${\displaystyle F_{tr))$ : Terminaalifluoresenssi (suhteellisissa yksiköissä). Fluoresenssin sammuminen testin lopussa.

$T_{{1/2}}$ : Puolet nousuajasta välillä - . $F_{0}$ $F_{m}$

Suunnitteluparametrit

${\displaystyle F_{v))$ : Vaihtuva fluoresenssi. Laskettu = - [3] . ${\displaystyle F_{v))$ $F_{m}$ $F_{0}$

${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$ : Vaihtuvan fluoresenssin ja maksimifluoresenssin suhde. Laskettu muodossa . [4] . Se mittaa PSII:n maksimitehokkuutta (jos kaikki keskukset olisivat avoinna). voidaan käyttää PSII:n mahdollisen tehokkuuden arvioimiseen, kun näytteet mitataan pimeässä sopeutumisolosuhteissa. ${\displaystyle {\frac {F_{m}-F_{0}}{F_{m))))$ ${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$

$qP$ : Fotokemiallinen sammutus. tämä parametri antaa karkean arvion avoimien PSII-reaktiokeskusten osuudesta. Laskettuna [5] . ${\frac {{F_{m}}'-F}{{F_{m}}'-{F_{0}}'}}$

$\Phi _{PSII}$ : Valosysteemin II fotokemiallisten reaktioiden tehokkuus. Laskettu = [6] . Tämä parametri osoittaa PSII:n absorboiman valon osuuden, jota käytettiin fotokemiallisissa reaktioissa. Sellaisenaan se voi antaa mittarin lineaarisen elektronien kuljetuksen nopeudesta ja siksi luonnehtii kaikkea fotosynteesiä kokonaisuutena. $Y_{(II)}$ ${\tfrac {{F_{m}}'-F}{{F_{m}}'}}$

$\Phi _{PSII}$ antaa arvion fotosynteesin tehokkuudesta ja kertoo mitkä prosessit vaikuttavat tehokkuuteen . Reaktiokeskusten sulkeutuminen korkean valon voimakkuuden seurauksena muuttaa arvoa . Muutokset ei-valokemiallisen sammutuksen tehokkuudessa muuttavat suhdetta . $qP$ ${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$ $qP$ ${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$

Käytännön käyttö

Photosystem II -tehokkuus fotosynteesin mittana

Klorofyllifluoresenssia käytetään fotosynteesin tason mittaamiseen, mutta ytimessä tämä on liiallista yksinkertaistamista. Fluoresenssia voidaan käyttää PSII-valokemian tehokkuuden mittaamiseen, jota voidaan käyttää arvioimaan lineaarisen elektronin kuljetuksen nopeutta kertomalla valon intensiteetillä. Kuitenkin, kun tutkijat sanovat "fotosynteesi", he tarkoittavat yleensä hiilen sitoutumista . Elektronien kuljetuksella ja CO 2 :n kiinnittymisellä on melko hyvä korrelaatio, mutta tätä ei ehkä havaita kentällä kilpailevien prosessien, kuten valohengityksen , typen aineenvaihdunnan ja Mehler-reaktion vuoksi .

Elektronien kuljetuksen ja hiilidioksidin kiinnittymisen välinen suhde

Klorofyllin fluoresenssin ja kaasunvaihdon mittaaminen samanaikaisesti saadakseen täydellisen kuvan siitä, kuinka kasvit reagoivat ympäristöönsä, vaatii vakavaa ja pitkälle kehitettyä tutkimustekniikkaa. Eräs menetelmä on mitata samanaikaisesti CO 2 : n kiinnittymistä ja PSII : n fotokemiallisia reaktioita eri valon voimakkuuksilla olosuhteissa , jotka vaimentavat valohengitystä . CO 2 : n kiinnittymisen ja PSII - fotokemiallisten reaktioiden kuvaajat mahdollistavat yhden CO 2 - molekyylin assimilaatioon tarvittavien elektronien määrän laskemisen . Tämän arvion perusteella on mahdollista arvioida valohengityksen taso . Tällä menetelmällä tutkitaan valohengityksen merkitystä valolta suojaavana mekanismina kuivuuden aikana.

Sobradu (2008) [7] tutki kaasunvaihtoa ja klorofyllin fluoresenssia vasteena korkeaan valon intensiteettiin pioneeri- ja metsälajeissa. Keskipäivällä mitattiin lehtien kaasunvaihtoa mittaamalla fotosynteesin kokonaistaso ja solujen välinen CO 2 -pitoisuus ( ). Samoista lehdistä mitattiin klorofyllin fluoresenssiparametrit (tausta ; maksimi ; ja muuttuva, ). Tulokset osoittivat, että huolimatta siitä, että pioneeri- ja metsälajit ovat peräisin eri elinympäristöistä, molemmat osoittivat samanlaista herkkyyttä keskipäivän valonestolle . $C_{i}$ $F_{0}$ $F_{m}$ ${\displaystyle F_{v))$

Stressitason ja sietokyvyn mittaaminen

Klorofyllifluoresenssi mahdollistaa kasvien stressitason mittaamisen. Sen tason perusteella voidaan arvioida abioottisille rasituksille altistumisen tasoa, koska äärimmäiset lämpötilat, liiallinen valaistus ja kuivuus vaikuttavat negatiivisesti kasvien aineenvaihduntaan. Tämä puolestaan johtaa epätasapainoon klorofyllin valoenergian absorption ja tämän energian käytön välillä fotosynteesiprosessissa [8] .

Favaretto et ai. (2010) [9] tutki korkeaa valoon sopeutumista pioneeri- ja myöhäisperäkkäisissä lajeissa, joita kasvatettiin 100 % (aurinko) ja 10 % (varjo) olosuhteissa. Täysi valon väheneminen havaittiin olevan suurempi myöhäisissä peräkkäisissä lajeissa kuin pioneerilajeissa. Kaiken kaikkiaan nämä tulokset osoittavat, että pioneerilajit kasvavat paremmin täydessä valossa kuin myöhään peräkkäiset lajit, mikä viittaa siihen, että niillä on korkea sietokyky fotooksidatiivisille vaurioille. ${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$
Neocleous ja Vasilakakis (2009) [ 3] tutkivat vadelmien vastetta boori- ja suolastressiin . He mittasivat fluorometrillä ja . Lehtien klorofyllifluoresenssi ei merkittävästi riippunut NaCl-pitoisuudesta, kun booripitoisuus oli alhainen. Kun booripitoisuutta nostettiin, lehtien klorofyllifluoresenssi väheni samoissa suolaisuusolosuhteissa. Voidaan päätellä, että boorin ja NaCl:n yhteisvaikutus vadelmiin aiheuttaa toksisen vaikutuksen, joka vaikuttaa valokemiallisiin parametreihin. $F_{0}$ $F_{m}$ ${\displaystyle F_{v))$

Typpitasapainoindeksi

Kun otetaan huomioon klorofyllin ja lehtien typpipitoisuuden välinen suhde , klorofyllipitoisuutta voidaan käyttää kasvien typen puutteen havaitsemiseen. Tähän on olemassa useita erilaisia menetelmiä.

Kävi ilmi, että kasvien typpiaineenvaihduntaa on mahdollista arvioida polyfenolipitoisuuden perusteella . Kun kasvi on optimaalisissa olosuhteissa, se edistää normaalia aineenvaihduntaa ja proteiinien (biologisen typen päämuoto), klorofyllien ja pienen määrän flavonoidien (toissijaiset aineenvaihduntatuotteet) synteesiä. Toisaalta typen puutteessa flavonoidien tuotanto lisääntyy [10] .

Typpitasapainoindeksin avulla voit arvioida typpipitoisuutta luonnollisissa olosuhteissa laskemalla klorofyllin ja flavonoidien välisen suhteen.

Klorofyllipitoisuuden mittaus

Gitelson (1999) väitti: "Klorofyllin fluoresenssin suhde aallonpituudella 735 nm ja aallonpituusalueella 700 nm - 710 nm liittyy lineaarisesti klorofyllipitoisuuteen ( määrityskerroin r2 on suurempi kuin 0,95), joten sitä voidaan käyttää tarkka indikaattori kasvien lehtien klorofyllipitoisuudesta. [yksitoista]

Fluorometrit

Fluorometrien kehitys on tehnyt klorofyllin fluoresenssin mittaamisesta yleisen menetelmän kasvifysiologiassa. Vallankumouksen klorofyllifluoresenssin analysoinnissa teki pulssiamplitudimodulaatiotekniikan (PAM) keksintö [ 12 ] [ 13] ja ensimmäisen kaupallisen pulssifluorimetrin tai PAM-fluorimetrin PAM-101 (Walz, Saksa ) ilmestyminen. ). Moduloimalla mittausvalosäteen amplitudia (mikrosekunnin pulssialue) ja rinnakkain havaitsemalla viritetty fluoresenssi, on mahdollista määrittää suhteellinen fluoresenssin saanto (Ft) sironneen valon läsnä ollessa. Pohjimmiltaan tämä tarkoittaa, että klorofyllin fluoresenssi voidaan mitata kentällä jopa suorassa auringonvalossa [2] .

Jotkut salaman fluorimetrit voivat määrittää sekä valoparametreja että pimeyden mukautumisparametreja (F o , F m , F o ', F m ', F v /F m , Y, F t , F oq ) ja voivat laskea valokemiallisia sammutuskertoimia. - fotokemiallinen sammutus (qP, qL, qN, Y(NO), Y(NPQ) ja NPQ). Jotkut fluorometrit ovat täysin kannettavia ja niitä käytetään yhdellä kädellä.

Kuvausjärjestelmän kehitys on helpottanut avaruudellisten epähomogeenisuuksien määrittämistä fotosynteettisesti aktiivisista näytteistä. Näitä heterogeenisuuksia esiintyy kasvien lehdissä esimerkiksi kasvun, erilaisten ympäristöstressien tai tartunnanaiheuttajan vuoksi. Näytteiden epähomogeenisuuksien tuntemus on välttämätöntä näytteen fotosynteettisten tuottavuusmittausten oikean tulkinnan kannalta. Korkea kuvanlaatu mahdollistaa yksittäisen solun tai jopa yksittäisen kloroplastin analysoinnin sekä kokonaisia lehtiä tai kasveja peittävien alueiden.

Vaihtoehtoisia lähestymistapoja

LIF-anturit

Kautsky-ilmiöön perustuvat menetelmät eivät täytä kaikkia klorofyllin fluoresenssin mittausmenetelmiä. Erityisesti laser-indusoidun fluoresenssin (LIF) viimeaikainen kehitys tarjoaa mahdollisuuden kehittää riittävän kompakteja ja tehokkaita antureita valofysiologisen tilan määritykseen ja biomassan arviointiin. Kokonaisfluoresenssivuon mittaamisen sijaan sellaiset anturit tallentavat tämän voimakkailla nanosekunnin laserpulsseilla virittyneen valon optisen tiheyden . Tämä menetelmä ei vaadi 15–20 min pimeää adaptaatiota (kuten Kautsky-ilmiöön perustuvat menetelmät [14] ) ja mahdollistaa näytteen virittämisen huomattavan etäisyyden päästä. LIF-anturit voivat tarjota nopeita ja melko pitkän matkan arviointeja.

Katso myös

Ei-valokemiallinen sammutus

Muistiinpanot

↑ Lu Congming, Zhang Jianhua. Vesistressin vaikutukset Photosystem II -valokemiaan ja sen lämmönkestävyyteen vehnäkasveissa // Oxford Journals : Journal. - 1999. - heinäkuuta. Arkistoitu alkuperäisestä 16. kesäkuuta 2016.
↑ 1 2 3 4 Klorofyllin fluoresenssi – käytännön opas . jxb.oxfordjournals.org (1. huhtikuuta 2000). Käyttöpäivä: 28. maaliskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 23. huhtikuuta 2012.
↑ 1 2 Boorin ja suolaisuuden vaikutukset punaiseen vadelmaan in vitro - International Journal of Fruit Science . Informaworld.com (3. joulukuuta 2008). Haettu: 28. maaliskuuta 2011.
↑ Kitajima M., Butler WL Klorofyllin fluoresenssin ja primäärisen fotokemian sammuttaminen kloroplasteissa dibromitymokinonilla // Biochim Biophys Acta : päiväkirja. - 1975. - Voi. 376 . - s. 105-115 . - doi : 10.1016/0005-2728(75)90209-1 .
↑ Schreiber U., Schliwa U., Bilger W. Jatkuva tallennus fotokemiallisesta ja ei-fotokemiallisesta klorofyllifluoresenssin sammutuksesta uudentyyppisellä modulaatiofluorometrillä // Photosynth Res : journal. — Voi. 10 . - s. 51-62 . - doi : 10.1007/bf00024185 .
↑ Genty B., Briantais JM, Baker NR Fotosynteettisen elektronien kuljetuksen kvanttisaannon ja klorofyllin fluoresenssin sammutuksen välinen suhde // Biochem Biophys Acta : päiväkirja. - 1989. - Voi. 990 . - s. 87-92 . - doi : 10.1016/s0304-4165(89)80016-9 .
↑ Sobrado. Lehtien ominaisuudet ja klorofyllin fluoresenssin vuorokausivaihtelu Amazonin alueen "bana"-kasvillisuuden lehdissä (englanniksi) (PDF). (linkki ei saatavilla)
↑ Kasvistressibiologia . _ personalpages.manchester.ac.uk. Haettu 6. tammikuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 27. heinäkuuta 2017.
↑ Favaretto et ai. Antioksidanttientsyymien erilaiset vasteet aurinko- ja varjoolosuhteissa kasvatetuissa pioneeri- ja myöhäisperäkkäisissä trooppisissa puulajeissa : Journal . - 2011. Arkistoitu 19. syyskuuta 2012.
↑ A. Cartelat, ZG Cerovic, Y. Goulas, S. Meyer, C. Lelarge, J.-L. Prioul, A. Barbottin, M.-H. Jeuffroy, P. Gate, G. Agati, I. Moya. Optisesti arvioidut lehtipolyfenolien ja klorofyllin pitoisuudet typen puutteen indikaattoreina vehnässä (Triticum aestivum L. ) : aikakauslehti. — Field Crops Research Volume 91, Issue 1, sivut 35-49, 2005. Arkistoitu alkuperäisestä 24. syyskuuta 2015.
↑ Gitelson Anatoly A, Buschmann Claus; Lichtenthaler Hartmut K. Klorofyllin fluoresenssisuhde F735/F700 kasvien klorofyllipitoisuuden tarkana mittana // Remote Sensing of Environment : Journal. - 1999. - Voi. 69 , ei. 3 . - s. 296-302 . - doi : 10.1016/S0034-4257(99)00023-1 .
↑ Schreiber U., Bilger W. ja Schliwa U. Jatkuva tallennus fotokemiallisesta ja ei-fotokemiallisesta klorofyllifluoresenssisammunnasta uudentyyppisellä modulaatiofluorometrillä // Drugs : päiväkirja. - Adis International , 1986. - Voi. 10 . - s. 51-62 . - doi : 10.1007/bf00024185 . Arkistoitu alkuperäisestä 21. heinäkuuta 2017.
↑ Schreiber Ulrich. Nopean induktiokinetiikan havaitseminen uudentyyppisellä suurtaajuusmoduloidulla kloroyhll- fluorometrillä // Lääkkeet : päiväkirja. - Adis International , 1986. - Voi. 9 . - s. 261-272 . - doi : 10.1007/bf00029749 . Arkistoitu alkuperäisestä 3. kesäkuuta 2018.
↑ Kätevä PEA : Jatkuvan virityslaitoksen tehokkuusanalysaattori . - Norfolk: Hansatech Instruments, 2012. - P. 2. Arkistoitu 7. huhtikuuta 2016 Wayback Machinessa Arkistoitu kopio (linkki ei ole käytettävissä) . Haettu 26. maaliskuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 7. huhtikuuta 2016. (määrätön)

Kirjallisuus

Lazar. Klorofyllin ja fluoresenssin induktio // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics : päiväkirja. - 1999. - Voi. 1412 . - s. 1-28 . - doi : 10.1016/s0005-2728(99)00047-x .
Lazar. Monifaasisen klorofyllin fluoresenssin nousu mitattuna jännittävän valon korkealla intensiteetillä // Functional Plant Biology : Journal . - 2006. - Voi. 33 . - s. 9-30 . - doi : 10.1071/fp05095 .
Lazar. Fotosynteettisen energian jakautumisen parametrit (englanniksi) // Plant Physiology : Journal. - American Society of Plant Biologists , 2015. - Voi. 175 . - s. 131-147 . - doi : 10.1016/j.jplph.2014.10.021 .
Kalaji et ai. Kokeelliset in vivo -mittaukset valopäästöistä kasveissa: David Walkerille omistettu näkökulma // Huumeet : päiväkirja. - Adis International , 2012. - Vol. 114 . - s. 69-96 . - doi : 10.1007/s11120-012-9780-3 .
Maxwell, K.; Johnson, GN Chlorophyll fluorescence - käytännön opas (englanniksi) // Journal of Experimental Botany : Journal. - Oxford University Press , 2000. - Voi. 51 , nro. 345 . - s. 659-668 . doi : 10.1093 / jexbot/51.345.659 . — PMID 10938857 .
Murchie ja Lawson. Klorofyllin fluoresenssianalyysi: opas hyviin käytäntöihin ja joidenkin uusien sovellusten ymmärtämiseen // Journal of Experimental Botany : Journal. - Oxford University Press , 2013. - Voi. 64 , nro. 13 . - s. 3983-3998 . - doi : 10.1093/jxb/ert208 .
Heinz Walz GmbH. Kloropyylifluorometri . _