Klorofil fluoreszcencia

A klorofill fluoreszcenciája a klorofill lumineszcenciájának jelensége, amikor a fényt elnyeli, a molekula gerjesztett állapotból az alapállapotba való visszatérése eredményeként jön létre. Széles körben használják a fotoszintetikus energia átalakulásának indikátoraként magasabb rendű növényekben , algákban és baktériumokban . A gerjesztett klorofill elveszti az elnyelt fényenergiát, elpazarolja a fotoszintézisre (fotokémiai energiaátalakítás vagy fotokémiai kioltás), hővé alakítja nem fotokémiai kioltás eredményeként , vagy fluoreszcencia formájában bocsátja ki. Mivel ezek a folyamatok versengenek egymással, a klorofill fluoreszcenciáját elemezve képet kaphatunk a fotoszintézis intenzitását és a növény egészségét illetően [1] .

Kautsky-effektus

A sötéthez alkalmazkodó levelek megvilágítása után a Photosystem II (PSII) fluoreszcenciájának gyors emelkedése, majd lassú csökkenése figyelhető meg. Ezt a jelenséget először H. Kautsky és A. Hirsch írta le 1931-ben. A hatást felfedezője után Kautsky-effektusnak nevezték.

A fluoreszcencia növekedése annak tudható be, hogy a II. fotorendszer (PSII) reakcióközpontjai „zárt” állapotba kerülnek. A reakcióközpontról azt mondják, hogy "zárt", amikor már nem képes elektronokat továbbítani. Ez akkor következik be, amikor a felfelé irányuló elektronhordozó helyreállt, és még nem vitte át elektronjait a következő elektronakceptorhoz. A reakciócentrumok bezárása csökkenti a fotokémiai reakciók általános hatékonyságát (kP), ezáltal növeli a fluoreszcencia szintjét (kF). A levél sötét állapotból a világosba történő hirtelen átvitele megnöveli a zárt PSII reakciócentrumok arányát, és az első 1-2 másodpercben a fluoreszcencia növekedéséhez vezet. Később a fluoreszcencia lassan gyengül, ez a folyamat több percig is eltarthat. A visszaesés oka a "fotokémiai kioltás" aktiválása és az elektronok átvitele a PSII-ből a kloroplasztiszok ETC-jén keresztül a NADP-be és a szén rögzítési ciklusba, valamint a nem fotokémiai kioltó mechanizmusok bevonása , amelyek a gerjesztési energiát hővé alakítják. .

Fluoreszcencia mérések

A mérések a fluoreszcencia háttérszintjének meghatározásával kezdődnek , amelyet úgy mérnek, hogy a levelet alacsony intenzitású fény rövid villanásának teszik ki (PAM-eszközök esetén), amely nem elegendő a fotokémiai reakció kiváltásához (minden reakcióközpont nyitva van), és ezért teljesen fluoreszcencia [2] . $F_{0}$

Ahhoz, hogy a klorofill-fluoreszcencia mérését a fotoszintézis elemzésére használhassák, a kutatóknak különbséget kell tenniük a fotokémiai kioltás és a nem fotokémiai kioltás (hőtermelés) között. Ezt a fotokémiai reakciók leállításával érik el, lehetővé téve a kutatók számára, hogy mérjék a fluoreszcenciát kizárólag nem fotokémiai kioltás jelenlétében. Ehhez a növényt erős fényvillanással élesen megvilágítják, vagy a sötét adaptáció után a fényre hozzák. Az összes PSII reakcióközpont átmenetileg bezárul, és az energia nem kerül át az elektronhordozó láncon. A nem fotokémiai kioltásnak nincs hatása, ha a vaku elég rövid. Egy villanás alatt (vagy miután a növényt a sötétségből hirtelen fény éri) a reakcióközpontok fénnyel telítődnek, és zárt állapotba kerülnek. Ilyen körülmények között, amikor nincs fotokémiai kioltás, és nem a fotokémiai kioltás elhanyagolhatóan kicsi, a fluoreszcencia eléri a maximális szintet, amelyet fluoreszcencia maximumnak nevezünk [2] . $F_{m}$

A PSII hatékonyságát meghatározó fotokémiai kioltás hatékonyságát a fény stacionárius fluoreszcencia szintjével és a fluoreszcencia háttérszintjével a fotoszintézisre alkalmas fény hiányában összevetve értékelhetjük . A nem fotokémiai oltás hatékonysága különböző belső és külső tényezőktől függően változik. Erősödése a hőleadás növekedéséhez és a csökkenéséhez vezet . Mivel lehetetlen teljesen megállítani a hőenergia disszipációját, lehetetlen a klorofill fluoreszcenciáját mérni a nem fotokémiai kioltás teljes hiányában. Ezért a kutatók a sötét adaptációs pontot ( ) használják, amellyel összehasonlítják a nem fotokémiai kioltás számított értékét [2] . $F_{m}$ $F_t$ $F_{0}$ $F_{m}$ ${\displaystyle F_{m}^{0))$

Általános fluoreszcencia paraméterek

$F_{0}$ : Minimális fluoreszcencia (relatív egységekben). Fluoreszcencia szint olyan körülmények között, ahol feltételezhető, hogy minden reakciócentrum nyitott (sötét adaptáció).

$F_{m}$ : Maximális fluoreszcencia (relatív egységekben). Fluoreszcencia szint nagy intenzitású villanásoknál. Minden reakcióközpont zártnak tekinthető.

${F_{0))'$ : Minimális fluoreszcencia (relatív egységekben) fényadaptációs körülmények között. A besugárzott minta fluoreszcencia szintje, amelyhez képest a nem fotokémiai kioltás jelenléte miatt csökken. $F_{0}$

${F_{m))'$ : Maximális fluoreszcencia (relatív egységekben) fényadaptációs körülmények között. Telítő fényimpulzusokkal besugárzott minta fluoreszcencia szintje, amely átmenetileg lefedi az összes PSII reakcióközpontot.

${\displaystyle F_{tr))$ : Terminális fluoreszcencia (relatív egységekben). A fluoreszcencia kioltása a vizsgálat végén.

$T_{{1/2}}$ : Az emelkedési idő fele től ig . $F_{0}$ $F_{m}$

Tervezési paraméterek

${\displaystyle F_{v))$ : Változó fluoreszcencia. Kiszámítva = - [3] . ${\displaystyle F_{v))$ $F_{m}$ $F_{0}$

${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$ : A változó fluoreszcencia és a maximális fluoreszcencia aránya. Kiszámítva . [4] . Ez a PSII maximális hatékonyságának mértéke (ha minden központ nyitva lenne). felhasználható a PSII potenciális hatékonyságának értékelésére, amikor a mintákat sötét adaptációs körülmények között mérik. ${\displaystyle {\frac {F_{m}-F_{0}}{F_{m))))$ ${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$

$qP$ : Fotokémiai oltás. ez a paraméter hozzávetőleges becslést ad a nyitott PSII reakcióhelyek arányára. Kiszámítása: [5] . ${\frac {{F_{m}}'-F}{{F_{m}}'-{F_{0}}'}}$

$\Phi _{PSII}$ : A fotorendszer fotokémiai reakcióinak hatékonysága II. Kiszámítva = [6] . Ez a paraméter a fotokémiai reakciókban használt PSII által elnyelt fény arányát jelzi. Mint ilyen, képes mérni a lineáris elektrontranszport sebességét, és ezért az összes fotoszintézist egészében jellemzi. $Y_{(II)}$ ${\tfrac {{F_{m}}'-F}{{F_{m}}'}}$

$\Phi _{PSII}$ becslést ad a fotoszintézis hatékonyságára , és megmondja, hogy mely folyamatok befolyásolják a hatékonyságot. A reakcióközpontok bezárása a nagy fényintenzitás miatt megváltoztatja az értéket . A nem fotokémiai oltás hatékonyságának változása megváltoztatja az arányt . $qP$ ${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$ $qP$ ${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$

Gyakorlati felhasználás

A Photosystem II hatékonysága a fotoszintézis mértéke

A klorofill-fluoreszcenciát a fotoszintézis szintjének mérésére használják, de lényegében ez túlzott leegyszerűsítés. Fluoreszcencia segítségével mérhető a PSII fotokémia hatékonysága, amivel a fényintenzitással való szorzással megbecsülhető a lineáris elektrontranszport sebessége. Amikor azonban a kutatók azt mondják, hogy „fotoszintézis”, az általában szénmegkötést jelent . Az elektrontranszport és a CO 2 fixáció meglehetősen jó korrelációt mutat, de ez a terepen nem figyelhető meg olyan versengő folyamatok miatt, mint a fotorespiráció , a nitrogén-anyagcsere és a Mehler-reakció .

Az elektrontranszport és a szén-dioxid-rögzítés kapcsolata

A klorofill-fluoreszcencia és a gázcsere egyidejű mérése , hogy teljes képet kapjunk arról, hogyan reagálnak a növények a környezetükre, komoly és kifinomult kutatási technikát igényel. Az egyik módszer a CO 2 - rögzítés és a PSII fotokémiai reakciók egyidejű mérése különböző fényintenzitás mellett olyan körülmények között , amelyek elnyomják a fotolégzést . A CO 2 - rögzítés és a PSII fotokémiai reakciók grafikonjai lehetővé teszik egy CO 2 - molekula asszimilációjához szükséges elektronok számának kiszámítását . Ezen értékelés alapján meg lehet becsülni a fotorespiráció szintjét . Ezzel a módszerrel vizsgálják a fotorespiráció, mint fényvédő mechanizmus jelentőségét aszály idején.

Sobradu (2008) [7] gázcserét és klorofill fluoreszcenciát tanulmányozott a nagy fényintenzitás hatására úttörő és erdei fajokban. Délben a levelek gázcseréjét a fotoszintézis teljes szintjének és a sejtközi CO 2 koncentrációjának mérésével ( ) mérték . Ugyanezen leveleken mértük a klorofill fluoreszcencia paramétereit (háttér ; maximum ; és változó, ). Az eredmények azt mutatták, hogy annak ellenére, hogy az úttörő és az erdei fajok különböző élőhelyekről származnak, mindkettő hasonló érzékenységet mutatott a déli fotogátlásra . $C_{i}$ $F_{0}$ $F_{m}$ ${\displaystyle F_{v))$

Stresszszint és rugalmasság mérése

A klorofill fluoreszcencia lehetővé teszi a növények stresszszintjének mérését. Ennek mértéke alapján meg lehet ítélni az abiotikus stressznek való kitettség mértékét, mivel a szélsőséges hőmérséklet, a túlzott megvilágítás és a szárazság negatívan befolyásolja a növények anyagcseréjét. Ez viszont egyensúlyhiányhoz vezet a fényenergia klorofill általi elnyelése és ennek az energiának a fotoszintézis folyamatában való felhasználása között [8] .

Favaretto et al. (2010) [9] a 100%-os (nap) és 10%-os (árnyékos) normál fényviszonyok mellett termesztett pionír és késői szukcessziós fajok nagy fényadaptációját tanulmányozták. A teljes fény csökkenése nagyobb volt a késői szukcessziós fajoknál, mint az úttörő fajoknál. Összességében ezek az eredmények azt mutatják, hogy az úttörő fajok jobban nőnek teljes fényben, mint a késői szukcessziós fajok, ami arra utal, hogy nagy toleranciával rendelkeznek a fotooxidatív károsodásokkal szemben. ${\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}$
Neocleous és Vasilakakis (2009) [3] a málna bór- és sóstresszre adott válaszát vizsgálta . Fluométer segítségével mértek , és . A levél klorofill fluoreszcenciája nem függött szignifikánsan a NaCl koncentrációtól, amikor a bórkoncentráció alacsony volt. A bórkoncentráció növelésével azonos sótartalom mellett a levelek klorofill-fluoreszcenciája csökkent. Megállapítható, hogy a bór és a NaCl együttes hatása a málnára toxikus hatást vált ki, amely befolyásolja a fotokémiai paramétereket. $F_{0}$ $F_{m}$ ${\displaystyle F_{v))$

Nitrogén egyensúly index

Tekintettel a klorofill és a levelek nitrogéntartalma közötti összefüggésre , a klorofilltartalom segítségével kimutatható a növények nitrogénhiánya. Erre többféle módszer létezik.

Kiderült, hogy a növények nitrogén-anyagcseréjét a polifenolok szintjével is meg lehet ítélni . Amikor a növény optimális körülmények között van, elősegíti a normál anyagcserét és a fehérjék (a biológiai nitrogén fő formája), a klorofillok és kis mennyiségű flavonoidok (másodlagos metabolitok) szintézisét. Másrészt nitrogénhiány esetén megnövekszik a flavonoidok termelése [10] .

A nitrogén egyensúlyi index lehetővé teszi a nitrogéntartalom értékelését természetes körülmények között a klorofill és a flavonoidok arányának kiszámításával.

Klorofil tartalom mérése

Gitelson (1999) ezt feltételezte: „A klorofill fluoreszcenciája 735 nm-en és a 700 nm-től 710 nm-ig terjedő hullámhossz-tartományban lineárisan összefügg a klorofilltartalommal (az r2 meghatározási együttható nagyobb, mint 0,95), és így használható. a növényi levelek klorofilltartalmának pontos mutatója. [tizenegy]

Fluorométerek

A fluorométerek fejlődése a klorofill fluoreszcencia mérését a növényélettan általános módszerévé tette. A klorofill-fluoreszcencia elemzésében forradalmat hozott az impulzus-amplitúdó-modulációs (PAM) technika [ 12 ] [ 13] feltalálása és az első kereskedelmi forgalomban kapható impulzusfluoriméter vagy PAM-fluoriméter PAM-101 (Walz, Németország) megjelenése. ). A mérőfénysugár amplitúdójának modulálásával (mikromásodperces impulzustartomány) és ezzel párhuzamosan a gerjesztett fluoreszcencia detektálásával szórt fény jelenlétében is meghatározható a relatív fluoreszcencia hozam (Ft). Ez alapvetően azt jelenti, hogy a klorofill fluoreszcenciája terepen még közvetlen napfényben is mérhető [2] .

Egyes villanófény-fluoriméterek fényparamétereket és sötét adaptációs paramétereket (F o , F m , F o ', F m ', F v /F m , Y, F t , F oq ) egyaránt képesek meghatározni, és ki tudják számítani a fotokémiai kioltási együtthatókat. -fotokémiai kioltás (qP, qL, qN, Y(NO), Y(NPQ) és NPQ). Egyes fluorométerek teljesen hordozhatók és egy kézzel működtethetők.

A képalkotó rendszer fejlesztése lehetővé tette a fotoszintetikusan aktív minták térbeli inhomogenitásának meghatározását. Ezek a heterogenitások a növények leveleiben fordulnak elő, például növekedés, különféle környezeti stressz vagy fertőző ágens következtében. A minták inhomogenitásának ismerete elengedhetetlen a minták fotoszintetikus termelékenységi méréseinek helyes értelmezéséhez. A kiváló képminőség lehetővé teszi egyetlen sejt vagy akár egyetlen kloroplasztisz, valamint a teljes leveleket vagy növényeket lefedő területek elemzését is.

Alternatív megközelítések

LIF érzékelők

A Kautsky-effektuson alapuló módszerek nem merítik ki a klorofill-fluoreszcencia mérési módszereinek teljes választékát. A lézerrel indukált fluoreszcencia (LIF) legújabb fejlesztései különösen lehetőséget adnak kellően kompakt és hatékony szenzorok kifejlesztésére a fotofiziológiai állapot meghatározásához és a biomassza értékeléséhez. A teljes fluoreszcencia fluxus mérése helyett az ilyen érzékelők ennek a fluxusnak az erős nanoszekundumos lézerimpulzusokkal gerjesztett optikai sűrűségét rögzítik. Ez a módszer nem igényel 15-20 perc sötét adaptációt (mint a Kautsky-effektuson alapuló módszerek esetében [14] ), és lehetővé teszi a minta jelentős távolságból történő gerjesztését. A LIF szenzorok gyors és meglehetősen nagy távolságú értékelést biztosítanak.

Lásd még

Nem fotokémiai oltás

Jegyzetek

↑ Lu Congming, Zhang Jianhua. A vízstressz hatása a Photosystem II fotokémiájára és a búzanövények hőstabilitására // Oxford Journals : folyóirat. - 1999. - július. Archiválva az eredetiből 2016. június 16-án.
↑ 1 2 3 4 Klorofil fluoreszcencia – gyakorlati útmutató . jxb.oxfordjournals.org (2000. április 1.). Hozzáférés dátuma: 2011. március 28. Az eredetiből archiválva : 2012. április 23.
↑ 1 2 A bór és a sótartalom hatása a vörös málnára in Vitro – International Journal of Fruit Science . Informaworld.com (2008. december 3.). Letöltve: 2011. március 28.
↑ Kitajima M., Butler WL A klorofill fluoreszcenciájának és az elsődleges fotokémiának a kioltása kloroplasztiszokban dibróm-timokinonnal // Biochim Biophys Acta : folyóirat. - 1975. - 1. évf. 376 . - 105-115 . o . - doi : 10.1016/0005-2728(75)90209-1 .
↑ Schreiber U., Schliwa U., Bilger W. Fotokémiai és nem fotokémiai klorofill fluoreszcencia kioltásának folyamatos rögzítése új típusú modulációs fluorométerrel // Photosynth Res : Journal. — Vol. 10 . - 51-62 . o . - doi : 10.1007/bf00024185 .
↑ Genty B., Briantais JM, Baker NR A fotoszintetikus elektrontranszport kvantumhozama és a klorofill fluoreszcencia kioltása közötti kapcsolat // Biochem Biophys Acta : folyóirat. - 1989. - 1. évf. 990 . - 87-92 . o . - doi : 10.1016/s0304-4165(89)80016-9 .
↑ Sobrado. A levél jellemzői és a klorofill fluoreszcenciájának napi változása az amazon régió „bana” növényzetének leveleiben (angolul) (PDF). (nem elérhető link)
↑ Növényi stresszbiológia . personalpages.manchester.ac.uk. Letöltve: 2017. január 6. Az eredetiből archiválva : 2017. július 27.
↑ Favaretto et al. Az antioxidáns enzimek eltérő válaszai napos és árnyékos körülmények között termesztett úttörő és késői trópusi fafajokban : folyóirat . - 2011. Archiválva : 2012. szeptember 19.
↑ A. Cartelat, ZG Cerovic, Y. Goulas, S. Meyer, C. Lelarge, J.-L. Prioul, A. Barbottin, M.-H. Jeuffroy, P. Gate, G. Agati, I. Moya. A búza (Triticum aestivum L. ) nitrogénhiányának indikátoraként optikailag értékelt levélpolifenol- és klorofilltartalom : folyóirat. — Field Crops Research 91. kötet, 1. szám, 35-49. oldal, 2005. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 24..
↑ Gitelson Anatolij A Buschmann Claus; Lichtenthaler Hartmut K. A klorofil fluoreszcencia aránya F735/F700 mint a növények klorofilltartalmának pontos mérése // Környezet távérzékelése : folyóirat. - 1999. - 1. évf. 69 , sz. 3 . - P. 296-302 . - doi : 10.1016/S0034-4257(99)00023-1 .
↑ Schreiber U., Bilger W. és Schliwa U. A fotokémiai és nem fotokémiai klorofill fluoreszcencia kioltásának folyamatos rögzítése új típusú modulációs fluorométerrel // Gyógyszerek : folyóirat. - Adis International , 1986. - Vol. 10 . - 51-62 . o . - doi : 10.1007/bf00024185 . Archiválva az eredetiből 2017. július 21-én.
↑ Schreiber Ulrich. Gyors indukciós kinetika kimutatása új típusú, nagyfrekvenciás modulált klorofill fluorométerrel // Gyógyszerek : folyóirat. - Adis International , 1986. - Vol. 9 . - P. 261-272 . - doi : 10.1007/bf00029749 . Archiválva az eredetiből 2018. június 3-án.
↑ Praktikus PEA : Folyamatos gerjesztésű üzem hatékonysági elemző . - Norfolk: Hansatech Instruments, 2012. - P. 2. Archivált 2016. április 7-én a Wayback Machine -nél Archivált másolat (hivatkozás nem érhető el) . Letöltve: 2016. március 26. Az eredetiből archiválva : 2016. április 7.. (határozatlan)

Irodalom

Lázár. Klorofill és fluoreszcencia indukció // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics : folyóirat. - 1999. - 1. évf. 1412 . - P. 1-28 . - doi : 10.1016/s0005-2728(99)00047-x .
Lázár. A többfázisú klorofill a fluoreszcencia emelkedést, nagy intenzitású, izgalmas fény mellett mérve // Functional Plant Biology : Journal . - 2006. - 20. évf. 33 . - P. 9-30 . - doi : 10.1071/fp05095 .
Lázár. A fotoszintetikus energiamegosztás paraméterei (angol) // Plant Physiology : Journal. - Amerikai Növénybiológusok Társasága , 2015. - 20. évf. 175 . - 131-147 . o . - doi : 10.1016/j.jplph.2014.10.021 .
Kalaji et al. A növények fényemissziójának kísérleti in vivo mérései: David Walkernek szentelt perspektíva // Gyógyszerek : folyóirat. - Adis International , 2012. - Vol. 114 . - 69-96 . o . - doi : 10.1007/s11120-012-9780-3 .
Maxwell, K.; Johnson, GN Chlorophyll fluorescence - a gyakorlati útmutató (angol) // Journal of Experimental Botany : Journal. - Oxford University Press , 2000. - Vol. 51 , sz. 345 . - P. 659-668 . doi : 10.1093 / jexbot/51.345.659 . — PMID 10938857 .
Murchie és Lawson. Klorofil fluoreszcens elemzés: útmutató a helyes gyakorlathoz és néhány új alkalmazás megértéséhez // Journal of Experimental Botany : Journal. - Oxford University Press , 2013. - Vol. 64 , sz. 13 . - P. 3983-3998 . - doi : 10.1093/jxb/ert208 .
Heinz Walz GmbH. Kloropill fluorométer .