基于荧光动力学参数的浮游植物有效光合反应中心浓度分析 下载: 943次
1 引言
浮游植物是生态系统中最主要的初级生产者,其初级生产力占全球总初级生产力的45%以上,是生态系统物质循环和能量流动的基础环节[1-2],准确评估浮游植物初级生产力具有重要的科学意义[3]。
初级生产力是指浮游植物通过光合作用合成有机物的速率[4],其基本原理是捕光色素捕获光能后传递至光合反应中心进行一系列物理化学反应。其中只有具备活性的反应中心才能获取能量,并向后传递,推动光化学反应过程,因而有效光合反应中心浓度[RCII]是衡量初级生产力的关键要素。
自Kolber等[5]提出光合单元尺寸(
自然水体中不同种类的浮游植物并存,生长环境复杂,
2 分析原理
浮游植物光合作用能流过程如
图 1. 浮游植物光合作用能流过程示意图
Fig. 1. Energy flow schematic of phytoplankton photosynthetic process
式中:
浮游植物长期暗适应后反应中心全部开放,在微弱光激发下产生的初始荧光效率
捕光色素吸收截面
由(1)~(4)式可知,初始荧光效率
将(5)式整理后可得
对(6)式而言,浮游植物活体荧光量子产率
3 材料与方法
3.1 藻种培养
选择蛋白核小球藻(
3.2 实验仪器与方法
3.2.1 实验仪器
采用荧光动力学法和同化系数法对不同条件下浮游植物的光合反应中心浓度进行对比实验,实验所需测量参数与仪器如
3.2.2 正常生理状态下浮游植物测试实验
取处于对数期正常生长状态的蛋白核小球藻(叶绿素a的质量浓度为1080 μg/L),用25 ℃的去离子水稀释成一系列浓度梯度(25、50、75、100、125、150倍稀释)的待测样品,并测量其最大光化学效率
表 1. 荧光动力学法和同化系数法测量有效反应中心浓度涉及的参数和测量仪器
Table 1. Parameters and instrument needed for concentration of functional reaction center by fluorescence kinetics method and assimilation coefficient method
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3.2.3 非正常生理状态下浮游植物测试实验
(1) 短期DCMU和热胁迫条件
DCMU(二氯苯基二甲脲)是一种除草剂(敌草隆),它可以抑制PSII上的QA向PQ的电子传递,是一种光合抑制剂及光形态建成抑制剂。选取DCMU胁迫和热胁迫进行短期胁迫实验研究。选取叶绿素a的质量浓度为690 μg/L的蛋白核小球藻样品50 mL,加入质量浓度为1 mg/L的DCMU 10 μL,分别在0,30,60,80,140,210,290,390,460 min时测量
选取叶绿素a质量浓度为1270 μg/L的蛋白核小球藻样品,放置在45 ℃恒温摇床培养箱内,开始计时后,分别在0,30,60,80,140,210,290,390,460 min时测量
(2) 长期光照胁迫条件
选取初始叶绿素a质量浓度为800 μg/L的蛋白核小球藻样品,分别在光照强度为20,45,70,90,120,200 μmol/(m2·s)的25 ℃恒温摇床培养箱内培养5 d,然后测量
4 结果与讨论
4.1 正常生理状态下[RCII]的测量结果及分析
用与实验用藻培养温度相同的去离子水对藻进行稀释处理,蛋白核小球藻的细胞浓度、叶绿素a的浓度和有效光合反应中心浓度相应地降低,但此过程不会对藻的活性产生影响。光合活性
图 2. (a)正常生理状态下蛋白核小球藻光合活性Fv/Fm、有效反应中心浓度([RCII]y和[RCII]t)随稀释倍数变化的关系;(b) [RCII]y和[RCII]t的线性关系
Fig. 2. (a) Changes of photosynthetic activity Fv/Fm or concentration of functional reaction center ([RCII]y and [RCII]t) of C.pyrenoidosa with dilution multiple under normal physiological condition; (b) linear relationship between [RCII]y and [RCII]t
由
4.2 短期胁迫条件下[RCII]的测量结果及分析
DCMU是一种能够与D1蛋白上
图 3. (a)蛋白核小球藻在DCMU胁迫作用下的光合活性(Fv/Fm)、有效反应中心浓度([RCII]y和[RCII]t)随胁迫时间的变化;(b) [RCII]y和Fv/Fm的线性关系
Fig. 3. (a) Changes of photosynthetic activity Fv/Fm or concentration of functional reaction centers ([RCII]y and [RCII]t) of C. pyrenoidosa stressed by DCMU with time; (b) linear relationship between [RCII]y and Fv/Fm
图 4. (a)蛋白核小球藻在受热胁迫作用下的光合活性(Fv/Fm)、有效反应中心浓度([RCII]y和[RCII]t)随胁迫时间的变化;(b) [RCII]y和Fv/Fm的线性关系
Fig. 4. (a) Changes of photosynthetic activity Fv/Fm or concentration of functional reaction centers ([RCII]y and [RCII]t) of C. pyrenoidosa stressed by thermal with time; (b) linear relationship between [RCII]y and Fv/Fm
4.3 长期光照胁迫条件下[RCII]的测量结果及分析
在测量有效光合反应中心浓度的研究中,通常将光合单元尺寸
图 5. 不同光照胁迫作用下蛋白核小球藻的有效反应中心浓度([RCII]y和[RCII]c)随光照强度的变化
Fig. 5. Changes of concentration of functional reaction centers ([RCII]y and [RCII]c) of C. pyrenoidosa stressed by illumination intensity with illumination intensity
5 结论
有效光合反应中心浓度是初级生产力的重要组成要素,准确获取浮游植物有效光合反应中心浓度对赤潮和水华监测预警、水体初级生产力测量及海洋固碳量评估具有重要的科学意义和应用价值。本研究运用荧光动力学分析原理,基于初始荧光(
致谢 衷心感谢国家环境保护环境光学监测技术重点实验室和国家环境光学监测仪器工程技术研究中心为开展研究工作所提供的技术与平台支持。
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[2] 韩博平, 韩志国, 付翔. 藻类光合作用机理与模型[M]. 北京: 科学出版社, 2003: 58- 70.
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Han BP, Han ZG, FuX. Mechanism and models of algae photosynthesis[M]. Beijing: Science Press, 2003: 58- 70.
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[4] 覃志松, 赵南京, 殷高方, 等. 快相与弛豫荧光动力学植物光合作用参数反演方法[J]. 光学学报, 2017, 37(7): 0730002.
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[12] 邱晓晗, 张玉钧, 殷高方, 等. 基于叶绿素荧光诱导动力学曲线的光合作用参数反演算法研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2015, 35(8): 2194-2197.
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陈双, 殷高方, 赵南京, 甘婷婷, 张小玲, 覃志松, 石朝毅, 刘建国. 基于荧光动力学参数的浮游植物有效光合反应中心浓度分析[J]. 光学学报, 2018, 38(6): 0630004. Shuang Chen, Gaofang Yin, Nanjing Zhao, Tingting Gan, Xiaoling Zhang, Zhisong Qin, Chaoyi Shi, Jianguo Liu. Analysis of Phytoplankton Concentration of Functional Reaction Centers Based on Fluorescence Dynamics Parameters[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(6): 0630004.