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AZ-B0300植物逆境生理觀測(cè)系統(tǒng)
AZ-B0300植物逆境生理觀測(cè)系統(tǒng)

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1 引言

植物的生存環(huán)境并不總是適宜的,,常會(huì)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(duì)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(duì)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(jī)制,,更有助于生產(chǎn)上采取切實(shí)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(cè)定系統(tǒng)和葉綠素?zé)晒鈨x等生理生態(tài)測(cè)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(shí),,葉片氣體交換測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算得到的Ci 會(huì)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(fèi)時(shí)費(fèi)力。葉綠素?zé)晒怆m然容易測(cè)定,,但如果實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不夠好,,結(jié)果將很難解釋,。

2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)

植物逆境生理研究需要測(cè)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(cè)定葉綠素?zé)晒獾淖兓瘉矸从持参飳?duì)環(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(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè),有利于精確反映環(huán)境因子的變化對(duì)植物逆境生理狀態(tài)的動(dòng)態(tài)影響,。

同步測(cè)定活體葉片氣體交換和葉綠素?zé)晒鈱?duì)闡述植物對(duì)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(cè)量可提供更有意義的結(jié)果。

AZ-B0300植物逆境生理觀測(cè)系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)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(cè)量方法

脅迫類型

研究方法和測(cè)量參數(shù)

水分脅迫

測(cè)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(cè)量加熱處理(39℃)前后的Yield; C4植物測(cè)量ETR/A,;

C3,、C4和CAM植物的中度水分脅迫,測(cè)量Fs/Fo & Fo,;

OJIP曲線和K-Step熒光動(dòng)力學(xué)曲線參數(shù),。

光脅迫

測(cè)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(cè)量---研究光保護(hù)機(jī)制下類囊體膜⊿ph變化的**方法,;OJIP參數(shù)比Fv/Fm對(duì)光脅迫更敏感(Thach 2007)。

高溫脅迫

測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)O3脅迫很敏感

(Calatayud,Pomares,,Barreno 2006)

除草劑

脅迫

VJ-OJIP對(duì)于多種農(nóng)藥脅迫敏感,;Yield & NPQ;NPQ對(duì)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(cè)內(nèi)容

熒光指標(biāo):FRFexd360/FRFecx440(主要用于測(cè)量氮脅迫,。這是區(qū)分氮脅迫和硫脅迫的重要測(cè)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(jī)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(jī)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(cè)系統(tǒng)可測(cè)量,、存儲(chǔ)光合,、熒光和環(huán)境因子參數(shù)。

光合測(cè)量單元

測(cè)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(cè)量單元:

測(cè)量模式:Fv/Fm,,Yield常規(guī)測(cè)量模式、Lake和Puddle模型熒光淬滅測(cè)量模式,、Kinetic熒光動(dòng)力學(xué)測(cè)量模式,、OJIP測(cè)量模式、多次飽和光閃測(cè)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(huì)積聚一種對(duì)紫外光吸收能力強(qiáng)的物質(zhì),,F(xiàn)RFex360/FRFex440多功能PAR葉夾即是通過測(cè)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(qiáng)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(cè)定Fod),,強(qiáng)度可調(diào)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ):1Gb的內(nèi)存容量,,能存儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)平均值作為結(jié)果;

空氣相對(duì)濕度0-100%,,分辨率1%,,采樣頻率6次/min,滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)平均值作為結(jié)果;

降雨形態(tài)

數(shù)據(jù)采集器:有16 個(gè)可編程,、多功能通道,,每個(gè)通道自由編程,可擴(kuò)展。測(cè)量范圍 40mV 至25V,,每個(gè)通道可賦予數(shù)學(xué)計(jì)算,。

操作軟件:包含有系統(tǒng)設(shè)置軟件和數(shù)據(jù)報(bào)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(jì)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(bào)告軟件提供滑動(dòng)平均值(sliding average),矢量平均和分級(jí)平均,。

土壤水分:水分0-100%,,精度±2%;溫度-15℃~+50℃,,精度±0.2℃,。測(cè)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(cè)量系統(tǒng)所獲得的氣體交換參數(shù)和熒光參數(shù)測(cè)量結(jié)果,,與各環(huán)境因子或人工處理?xiàng)l件的測(cè)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(duì)植物逆境脅迫的影響機(jī)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(cè)量的新方法(John Burke 2010)

用熒光儀測(cè)量C3和C4植物的水分脅迫和輕度干旱脅迫一直是個(gè)難題,。早在2007年,美國德克薩斯州植物脅迫研究實(shí)驗(yàn)室的John Burke教授以棉花為研究對(duì)象,,提供了一個(gè)新方法,,利用美國OPTIC公司的調(diào)制式熒光儀測(cè)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(cè)量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)該測(cè)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(yàn)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(gè)方法簡單快速的測(cè)量,,且一次性可以測(cè)量200-300個(gè)植物葉片樣品。該方法將未受到脅迫的對(duì)照植物和受干旱脅迫植物的測(cè)量結(jié)果,,從灌溉停止后一天開始對(duì)比,,一直持續(xù)好幾天。研究結(jié)果顯示,灌溉停止后24小時(shí)之內(nèi),,測(cè)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(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證。

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