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1 引言
植物的生存環(huán)境并不總是適宜的,,常會遭受到高低溫、凍害,、光照,、水分、營養(yǎng)元素、CO2,、化學(xué)元素,、大氣污染、除草劑和殺蟲劑等各種環(huán)境因子復(fù)雜多變的逆境脅迫,。植物對環(huán)境脅迫的*直觀反應(yīng)表現(xiàn)在形態(tài)上,,但往往滯后于生理反應(yīng),一旦傷害已經(jīng)造成,,則難以恢復(fù)。通過研究植物對環(huán)境脅迫的生理反應(yīng),,不但有助于揭示植物適應(yīng)逆境的生理機制,,更有助于生產(chǎn)上采取切實可行的技術(shù)措施,提高植物的抗逆性或保護(hù)植物免受傷害,,為植物的生長創(chuàng)造有利條件,。
20 世紀(jì) 80 年代以來,便攜式光合作用測定系統(tǒng)和葉綠素?zé)晒鈨x等生理生態(tài)測試儀器的問世,,為研究植物逆境生理及其響應(yīng)提供了新的研究手段,,產(chǎn)生了大量的研究成果。但另一方面,,它們又都有各自的局限性,。當(dāng)氣孔不均勻關(guān)閉現(xiàn)象出現(xiàn)時,葉片氣體交換測量系統(tǒng)計算得到的Ci 會被高估,;另外,,不同生境之間葉片光合速率大小比較沒有直接的意義,而且比較費時費力,。葉綠素?zé)晒怆m然容易測定,,但如果實驗設(shè)計不夠好,結(jié)果將很難解釋,。
2 觀測系統(tǒng)設(shè)計
2.1 目標(biāo)
植物逆境生理研究需要測量的指標(biāo)**葉綠素?zé)晒鈪?shù),,葉綠素?zé)晒夥磻?yīng)是植物光化學(xué)反應(yīng)的指示物,與物種,、季節(jié),、環(huán)境、樣品情況和其它影響植物生理作用的因素有關(guān),。因此,,可測定葉綠素?zé)晒獾淖兓瘉矸从持参飳Νh(huán)境脅迫的反應(yīng)。
植物生長區(qū)域的降水,、光照,、氣溫、土壤水分等環(huán)境因子指標(biāo)與植物逆境生理脅迫水平密切相關(guān),,對其進(jìn)行實時觀測,,有利于精確反映環(huán)境因子的變化對植物逆境生理狀態(tài)的動態(tài)影響,。
同步測定活體葉片氣體交換和葉綠素?zé)晒鈱﹃U述植物對環(huán)境因子逆境脅迫的響應(yīng),結(jié)合環(huán)境因子的同步測量可提供更有意義的結(jié)果,。
AZ-B0300植物逆境生理觀測系統(tǒng)能同時測量植物的氣體交換參數(shù),、熒光參數(shù)和環(huán)境因子,可用于植物多種類型環(huán)境因子的逆境脅迫研究,。
2.2 植物逆境種類及熒光參數(shù)測量方法
脅迫類型 | 研究方法和測量參數(shù) |
水分脅迫 | 測量凈光合速率,、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù); 測量加熱處理(39℃)前后的Yield,; C4植物測量ETR/A,; C3、C4和CAM植物的中度水分脅迫,,測量Fs/Fo & Fo,; OJIP曲線和K-Step熒光動力學(xué)曲線參數(shù)。 |
光脅迫 | 測量凈光合速率,、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù),; 熒光淬滅和淬滅弛豫測量---研究光保護(hù)機制下類囊體膜⊿ph變化的**方法;OJIP參數(shù)比Fv/Fm對光脅迫更敏感(Thach 2007),。 |
高溫脅迫 | 測量凈光合速率,、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù); 熒光淬滅和淬滅弛豫測量---適于研究中度高溫脅迫(≥35℃),; 光響應(yīng)曲線Fv/Fm,,Yield,OJIP參數(shù) (Dascaliuc A.,, Ralea t.,, Cuza P.,2007) (Schreiber U. 2004) (Strasser 2004) |
低溫脅迫 | 測量凈光合速率,、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù),; ETR/CO2同化率;Yield,;Fv/Fm,;ETR;熒光淬滅及弛豫參數(shù)(NPQ,, qN,, qP, qL,, qE,, qT, qI,Y(NPQ),, Y(NO)),,光響應(yīng)曲線 (Cavender-Bares J., Bazzaz F.,, 2004) (Krause 1994) (Adams1994,, 1995) |
凍害脅迫 | Yield;Fv/Fm,;ETR,;熒光淬滅及弛豫參數(shù)(NPQ, qN,, qP,, qL, qE,, qT,, qI,,Y(NPQ),, Y(NO).)(Ball 1994,1995),, (Krause 1994),, (Adams1994, 1995) |
CO2脅迫 | 測量凈光合速率,、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù),; FV/Fm,OJIP參數(shù)對CO2脅迫很敏感,; qP能很好的反映出水分,、光照和CO2復(fù)合脅迫情況; Yield和NPQ參數(shù)對CO2脅迫不敏感(Siffel & Braunova 1999),。 |
大氣污染(O3) 脅迫 | Yield,,F(xiàn)v/Fm,qP,,NPQ等參數(shù)均對O3脅迫很敏感 (Calatayud,,Pomares,Barreno 2006) |
除草劑 脅迫 | VJ-OJIP對于多種農(nóng)藥脅迫敏感,;Yield & NPQ,;NPQ對于DDT和DCMU脅迫敏感。(Christiansen,, Teicher and Streibig 2003) (Percival 2005) |
化學(xué)元素 脅迫 | 鋁,、鎘、鈷、銅,、鋅,、鎳元素等…… |
營養(yǎng)元素 脅迫 | 氮素、硫元素,、硼元素,、鈣元素、氯元素,、鐵元素等…… |
2.3 觀測內(nèi)容
熒光指標(biāo):FRFexd360/FRFecx440(主要用于測量氮脅迫,。這是區(qū)分氮脅迫和硫脅迫的重要測量方法)
Kramer Lake模型熒光淬滅參數(shù):Y(II),qL ,,Y(NPQ),,Y(NO)
Kughammer簡化Lake模型熒光淬滅參數(shù):Y(II),Y(NPQ),,Y(NO),,NPQ
Puddle模型熒光淬滅參數(shù):qP,qN,,NPQ,,qE(光保護(hù)機制導(dǎo)致的非光化學(xué)淬滅),qT(穩(wěn)態(tài)躍遷過程導(dǎo)致的非光化學(xué)淬滅),,qI(光抑制和光破壞機制導(dǎo)致的非光化學(xué)淬滅)
其它常規(guī)熒光參數(shù):Y,、Fv/Fm、ETR,、PAR,、葉片溫度、Fo,、Fm,、Fv、Ft,、Fod,、Fms、Fs,、OJIP曲線
光合參數(shù):光合速率,、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等
環(huán)境參數(shù):溫濕度,、輻射,、土壤水分溫度、土壤元素
2.4 系統(tǒng)組成和技術(shù)指標(biāo)
AZ-B0300植物逆境生理觀測系統(tǒng)可測量,、存儲光合,、熒光和環(huán)境因子參數(shù),。
光合測量單元:
測量范圍:CO2 0-3000ppm,分辨率1ppm,,H2O 0-75 mbar,,分辨率0.1mbar,
PAR 0-3000μmol m-2 s-1,,余弦校正,;
可控條件: CO2控制**2000ppm;H2O控制可高于或低于環(huán)境條件,;溫度由微型peltier元件控制,,可高于或低于環(huán)境10℃; PAR控制由高效,、低熱 紅/藍(lán)LED陣列單元控制,,**2000μmol m-2 s-1;
葉綠素?zé)晒鉁y量單元:
測量模式:Fv/Fm,,Yield常規(guī)測量模式,、Lake和Puddle模型熒光淬滅測量模式、Kinetic熒光動力學(xué)測量模式,、OJIP測量模式,、多次飽和光閃測量模式。
多功能PAR葉夾:通常情況下,,如果植物受到了氮素脅迫,,則植物表皮會積聚一種對紫外光吸收能力強的物質(zhì),,F(xiàn)RFex360/FRFex440多功能PAR葉夾即是通過測量這種情況下的紫外光和藍(lán)光激發(fā)的紅外熒光值比率來判斷植物的氮素脅迫水平,。
a雙光源飽和脈沖:690nm鹵素?zé)襞c雙通道660nm 和450nm可調(diào) LED。
鹵光燈**光強0-15,,000μmolm-2s-1,,LED 0-4,500μmolm-2s-1,。
光化學(xué)光:LED光源0-3,,000 μmolm-2s-1,鹵素?zé)艄庠?-6,,000μmolm-2s-1,。
遠(yuǎn)紅外光源:735nmLED(用來測定Fod),強度可調(diào),。
數(shù)據(jù)存儲:1Gb的內(nèi)存容量,,能存儲上萬組數(shù)據(jù),可擴(kuò)展SD卡,。
環(huán)境因子:
總輻射0-2000 W·m-2,,分辨率1 W·m-2,;降雨量0.005mm~250mm,分辨率0.005mm,;
光合有效輻射0~500W·m-2,,分辨率1 W·m-2,采樣頻率6次/min,,滑動平均值作為結(jié)果,;
空氣溫度-30℃~+70℃,分辨率0.1℃,,采樣頻率6次/min,,滑動平均值作為結(jié)果;
空氣相對濕度0-100%,,分辨率1%,,采樣頻率6次/min,滑動平均值作為結(jié)果,;
地表溫度-30℃~+50℃,,分辨率0.1℃,采樣頻率6次/min,,滑動平均值作為結(jié)果,;
土壤溫度-30℃~+100℃,分辨率0.1℃,,采樣頻率6次/min,,滑動平均值作為結(jié)果;
降雨形態(tài)
數(shù)據(jù)采集器:有16 個可編程,、多功能通道,,每個通道自由編程,可擴(kuò)展,。測量范圍 40mV 至25V,,每個通道可賦予數(shù)學(xué)計算。
操作軟件:包含有系統(tǒng)設(shè)置軟件和數(shù)據(jù)報告軟件,。系統(tǒng)設(shè)置軟件用于設(shè)置系統(tǒng)的各通道及計算公式,,數(shù)值平均方法,數(shù)據(jù)文件命名方式,,WEB 頁設(shè)置,,Ethernet 口設(shè)置。數(shù)據(jù)報告軟件提供滑動平均值(sliding average),,矢量平均和分級平均,。
土壤水分:水分0-100%,精度±2%,;溫度-15℃~+50℃,,精度±0.2℃,。測管長度0.6m, 1m,,1.5m,, 2m,2.5m,, 3m可選,。采用掌上電腦和藍(lán)牙無線通訊。
土壤元素
3 數(shù)據(jù)處理
利用AZ-B0300植物逆境生理測量系統(tǒng)所獲得的氣體交換參數(shù)和熒光參數(shù)測量結(jié)果,,與各環(huán)境因子或人工處理條件的測量數(shù)據(jù)之間進(jìn)行相關(guān)分析或主成分分析,。從而分析各環(huán)境因子對植物逆境脅迫的影響機理和貢獻(xiàn)率。
4 應(yīng)用案例
4.1 植物水分脅迫/輕度干旱脅迫測量的新方法(John Burke 2010)
用熒光儀測量C3和C4植物的水分脅迫和輕度干旱脅迫一直是個難題,。早在2007年,,美國德克薩斯州植物脅迫研究實驗室的John Burke教授以棉花為研究對象,提供了一個新方法,,利用美國OPTIC公司的調(diào)制式熒光儀測量40℃加熱處理前后葉片樣品的暗適應(yīng)參數(shù)Fv/Fm’ (△F/Fm’)或光適應(yīng)參數(shù)Yield測量結(jié)果,,發(fā)現(xiàn)該測量值能很好的反映植物水分脅迫和輕度干旱脅迫狀況。
2010年5月份,,John Burke教授再次發(fā)表了新的研究成果,,進(jìn)一步驗證了這一新方法的可行性和科學(xué)性。
Burke 在文中指出C3和C4植物都能用這個方法簡單快速的測量,,且一次性可以測量200-300個植物葉片樣品,。該方法將未受到脅迫的對照植物和受干旱脅迫植物的測量結(jié)果,從灌溉停止后一天開始對比,,一直持續(xù)好幾天,。研究結(jié)果顯示,灌溉停止后24小時之內(nèi),,測量結(jié)果很好地反映了水分脅迫狀況,,這一結(jié)果也得到了其它實驗室的驗證,。
暫無數(shù)據(jù),!