浅谈叶绿素荧光技术在作物长势监测中的应用

李紫琴 王家强

(塔里木大学农学院,新疆 阿拉尔 843300)

植物叶片的光合作用是植物进行物质和能量代谢及作物产量形成的重要因子,为其贡献了90%以上干物质[1],该作用涉及多个物理、化学、生物的转变过程。对农业研究而言，可以快速准确获取光合作用的相关参数,对作物健康生长发育监测和产量增长起着十分重要的作用。

近年来叶绿素荧光分析技术发展迅速，叶绿素荧光与植物光合作用的相关研究也越来越多,叶绿素荧光是植物叶绿素吸收能量后所发出的一种十分丰富的光合作用信息,利用特定的荧光参数可计算出植物的线性电子传递速率、同化速率以及光合系统热耗散的变化，从而有效、准确地监测植物生理状况[2]。通过测定植物体内叶绿素荧光参数的来反映植物光合作用的变化特征,因此通过叶绿素荧光技术对光合作用进行准确无损监测是可行的，自从叶绿素荧光被发现后,人们开始利用叶绿素荧光的变化来研究植物的光合作用。自从叶绿素荧光被发现后，叶绿素的荧光特性被用于植物光合作用的研究已有研究表明,植物叶片的初始荧光(Fo)、可变荧光(Fv)、最大荧光(Fm)、最大光能转换效率(Fv/Fm)及潜在活性(Fv/Fo)等叶绿素荧光参数[3],可以反映植物的光合能力，间接作为研究作物生理状况和受胁迫程度等的方法。为此，根据叶绿素荧光技术研究作物在胁迫环境以及在生产上的相关文献资料，本文对叶绿素荧光分析技术做了简要介绍，并联系具体实例对近年来国内外叶绿素荧光分析技术在农业方面的应用进行了综述，并提出了初步建议。

1 叶绿素荧光技术概述

德国Kautsky和 Hirsch在90多年前首次出现了叶绿素荧光现象,将在暗适应的绿色植物突然受到可见光照射，其绿色组织散会发出一种暗红色的荧光，且强度不断变化，该现象被称为Kautsky效应[4]。叶绿素可以通过3种途径来吸收能量，即光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散[5]，这3种方式是密切联系的，荧光发射会随着光合作用和热耗散的变化而相应的变化，因此可以通过测定荧光参数来达到监测光合作用和热耗散的变化情况[6]。荧光与植物的光合作用、胁迫条件、长势状况相关，因此可获得农作物自身的相关信息。由于其具有精准和无损等的优点，迄今为止，叶绿素荧光技术被应用于各个方面。

作物生理研究中主要叶绿素荧光参数包括Fo、Fm、Fv、Fv/Fo、Fv/Fm、Yield、qP、qN或NPQ等[7]，具有各自的含义及生理意义。使用PAM-2100叶绿素荧光仪可以测得以下常用荧光参数：Fo，固定荧光或初始荧光，也称为基础荧光，将在暗适应的绿色植物突然受到可见光照射绿色植物叶片经过暗适应后再突然受到可见光照射就能诱导出Kautsky效应[4]；Fv，可变荧光，是黑暗中最大可变荧光强度，反映PSⅡ原初电子受体的还原情况；Fm，暗适应样品的最大荧光，当PSII的所有反应中心均处于关闭时得到，反映的是PSⅡ电子传递的变化情况[8]，通常在暗适应30min夹取功能叶片测得其值；Fv/Fm，PSⅡ最大光化学量子产量，或称PSⅡ的最大光能转换效率[9]，同样也在叶片暗适应30min后测得,此时的Fv/Fm是研究作物胁迫反应常用的参数，Fv/Fm比值处于0.80～0.83，当达到0.86左右，说明叶片处于最佳生理状态，当低于0.8时，说明作物可能受到胁迫,且PSⅡ反应中心遭受损伤[10]，因此，其是光抑制程度的一个重要指标；Fv/Fo，常用于度量PSⅡ的潜在活性，在特定处理情况下Fv/Fo的变化幅度比Fv/Fm的幅度要大得多[11]；Yeild，反映了PSⅡ反应中心在局部闭合情况下的实际原初光能捕获效率，通常用来描述植物光合作用下PSⅡ总的光化学量子产额，叶片在不经过暗适应的正常光下可直接测得；荧光猝灭，包括光化学猝灭和非光化学猝灭2类。qP=(Fm′-Ft)/(Fm′-Fo)，光化学猝灭系数，是一种量测度PSⅡ原初电子受体氧化态的方法;qN=(Fm-Fm′)/(Fm-Fo)，非光化学猝灭系数，反映了植物保护PSⅡ的热耗散和重要机制，也可以表示为NPQ[7]。研究表明，短时间内的胁迫环境下会使qN升高，会在一定程度上保护光合机构，降低了非光合作用所需的能量，降低了光合器官的受损程度。

2 叶绿素荧光技术在作物胁迫监测中的应用

刘克贞等[12]选取3种棉花品种,使用叶绿素荧光分析技术探讨了不同品种在渗透胁迫下叶绿素荧光淬灭特性的变化，研究表明，渗透胁迫会降低棉花功能叶片的Fv/Fm比值,使qP和qN的值降低，所以在作物生产中,可以通过Fv/Fm、qP和qN对渗透胁迫的抗逆性反应的差异来作为辅助筛选抗旱性棉花的品种。通过总结前人的研究发现，叶绿素荧光参数在植物的光合作用和产量的提高方面也有相关应用。张其德等[13]研究发现，不同产量水平的水稻品种,其Fv/Fm和Fv/Fo的比值以及光合电子传递速率均有明显差异,具有较高产量水平的品种,PSⅡ原初光能转化效率都比较高,研究表明，作物的高产潜力与光能转化效率、光合作用速率相关。林世青等[14]研究认为,不同水稻品种苗期叶片的Fv/Fm、Fv/Fo值均与产量水平呈正相关，可能成为预测作物增产的有效手段。进而梁新华等[15]对渗透胁迫下的4个品种春小麦叶片的Fv、Yield，Fv/Fm和Fv/Fo进行研究均降低,对不同强度渗透胁迫处理下各荧光参数进行方差分析表明,其差异均达极显著水平。在病害对作物叶绿素荧光参数的影响中，彭晏辉等[16]研究了马铃薯Y病侵染对马铃薯叶片的影响，结果表明，Fv/Fm没有显著变化，叶片中的叶绿素含量逐步减少，净光合速率显著下降，光合系统电子传递速率(ETR)则随着PVY的感染显著下降。时燕等[17]对4个栽培类型的紫竹的叶绿素荧光参数进行比较，不同栽培类型的荧光参数Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、Yield、ETR、NPQ均存在显著或者极显著差异。同时，叶绿素荧光技术还可以监测储藏过程中水果蔬菜的生理变化，林世青等[14]在不同温度储藏条件下检测香蕉后熟时发现，12℃是香蕉冷藏保鲜的最适温度。

叶绿素荧光参数不仅可以反映作物在干旱条件下的生长情况，而且还可以用来指示土壤水分含量，从而快速准确地预警农作物受胁迫的程度[1]。在国内外学者的研究中，叶绿素荧光方法已广泛应用于监测植物在不同环境胁迫下的生理状态。魏晓东等[19]认为,土壤含水量低于20%时，银杏叶片的PSII结构会被破坏，PSII电子传递过程受到阻碍，进一步导致Fv/Fm大幅度的下降，可作为银杏叶片受到胁迫的指标。而童小芹等[18]研究发现，在干旱胁迫下黄瓜的Fv/Fm随ΦPSII随土壤含水量的降低也随之受抑制而降低，且土壤含水量与Fv/Fm和Fv/Fo等显著正相关，干旱胁迫会抑制黄瓜叶绿素的合成，光化学效率降低的程度随干旱胁迫程度增大和干旱时间的延伸而不断升高[3,18]。而作物在温度胁迫下，荧光参数也会受其的影响,Wen等[20]研究了耐盐青蒿叶片在30～45℃的高温胁迫下，光系统II(PSII)的耐温性，研究发现在40℃处理后的非盐适应叶片和盐适应叶片的荧光参数对热胁迫的响应存在显著差异。而对于在盐胁迫下对叶绿素荧光参数的影响，前人也做了相关研究，孙文君等[21]发现100～200mmol·L-1盐分处理的SPAD、Fv/Fm等参数显著降低，Y(II)在200mmol·L-1盐分处理时呈下降趋势;最小荧光(Fo)在各盐分处理间大幅度下降，非光化学淬灭参数qN则差异不显著，而100～200mmol·L-1盐分处理的非光化学淬灭参数NPQ较CK均显著提高。前人对于营养元素胁迫也做了很多研究，如董彩霞等[22]发现，与正常施氮下水平相比，受到氮素胁迫的小麦幼苗在饱和光强下测定的Fv/ Fm呈显著下降趋势，缺氮与对照的差异为极显著性水平。

3 结语

目前，国内外对叶绿素荧光技术在作物生长监测的研究更加深入，在水分、温度、盐分等胁迫环境下对叶绿素荧光参数变化的研究也越来越多，已经成为研究作物光合作用变化的强大工具，并且也在其他领域迅速拓展。通过观测作物体内所测定的叶绿素荧光参数反映作物光合作用的变化特征，因此常用于监测植物作物长势情况，可以作为体外快速无损害检验光合作用的探针。同时叶绿素荧光参数也能反映作物内在性的特点，现在其在研究作物高产、栽培、筛选优良品种、作物储藏等方面得到广泛应用。

叶绿素荧光技术虽具有很多优点，但目前仍存在一定的局限性，如暗适应测量、参数分析较单一等。如，在测量作物叶绿素荧光参数需要提前进行遮光处理，暗适应这一过程耗费大量时间，很大程度上阻碍了检测速率，这就使得其在生长监测方面的发展受到影响。且荧光信息的分析方法较少，如何高效利用叶绿素荧光技术提高监测作物生长的效率及精度值得考虑。目前，高光光谱技术建立了较成熟的数字图像处理与分析方法，智能化监测植株生理变化等，结合叶绿素荧光参数变化，发挥其在作物光合作用的优势，进而提供一种更高效准确的方法。这些问题的突破将有利于其在作物生长的监测中的应用。