光合氣體交換、調(diào)制葉綠素?zé)晒?、日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馔綔y(cè)量系統(tǒng)：一種遙感葉綠素?zé)晒獾脑u(píng)估方法
脈沖振幅調(diào)制（PAM）熒光測(cè)量技術(shù)是選擇性打開和關(guān)閉光系統(tǒng)II（PSII）反應(yīng)中心以測(cè)定光子吸收的光合量子產(chǎn)率的最廣泛使用的技術(shù)之一（Krause&Weis，1991；Bilgeret al.，1995）。PAM在光合作用研究中的廣泛應(yīng)用引發(fā)了人們對(duì)利用遙感技術(shù)在陽光照射下被動(dòng)檢測(cè)葉綠素?zé)晒獾呐d趣，即所謂的日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓?/span>SIF; Meroni et al., 2009; Porcar-Castell et al.,2014 for reviews）。通過PAM熒光技術(shù)得到與電子傳遞（PSII效率）相關(guān)的參數(shù)需要一個(gè)飽和脈沖光（>5000 μmol m-2 s-1）來暫時(shí)關(guān)閉PSII反應(yīng)中心，以及一個(gè)弱脈沖調(diào)制光（ML；Duysens，1979）來跟蹤穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量。這種方法在被動(dòng)遙感平臺(tái)上是不可行的，因此與PAM測(cè)量相比，SIF包含的信息量受到限制。盡管存在與被動(dòng)葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量和解釋相關(guān)的困難，但近幾十年來，SIF遙感在一系列尺度上取得了重大進(jìn)展(e.g. Gamonet al., 1990; Zarco-Tejada et al., 2003, 2012; Moya et al., 2004; Meroni &Colombo, 2006; Guanter et al., 2007; Damm et al., 2010; Yang et al., 2015)。雖然這些研究很有前景，但光譜葉綠素?zé)晒馀c葉片水平CO2交換之間的直接聯(lián)系尚未建立。在時(shí)間和空間上將被動(dòng)和主動(dòng)誘導(dǎo)的葉綠素?zé)晒夂腿~片水平的氣體交換聯(lián)系起來，有助于揭示遙感SIF和GPP在一系列尺度上的關(guān)系(i.e. satellite; Joiner et al., 2011, 2013; Frankenberg etal., 2011; Guanter et al., 2012, 2014)。例如，為了更好地理解SIF和GPP之間的關(guān)系，包括兩個(gè)過程的匯合和分歧，必須考慮NPQ的變化。通過同時(shí)測(cè)量光化學(xué)（PAM）、CO2氣體交換和光譜葉綠素?zé)晒廨椛涞漠a(chǎn)量，我們可以探索SIF信號(hào)中的真實(shí)信息內(nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、地質(zhì)行星科學(xué)系，康奈爾大學(xué)土壤與作物學(xué)部，斯坦福大學(xué)卡耐基科學(xué)研究院全球生態(tài)部，科羅拉多大學(xué)，西方學(xué)院等多家研究機(jī)構(gòu)，聯(lián)合德國WALZ公司開發(fā)了一款可同步測(cè)量光合氣體交換、調(diào)制葉綠素?zé)晒猓≒AM）和日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）的測(cè)量系統(tǒng)，相關(guān)研究成果和應(yīng)用展望發(fā)表在New Phytologist上。該系統(tǒng)是在光合熒光同步測(cè)量系統(tǒng)GFS-3000的基礎(chǔ)上稍加改造而成。系統(tǒng)由GFS-3000配備3050-F光纖型PAM葉綠素?zé)晒饽K，進(jìn)行氣體交換和調(diào)制葉綠素?zé)晒獾耐綔y(cè)量。光譜熒光部分通過整合一部QE Pro光譜儀實(shí)現(xiàn)。具體見圖1的示意圖。利用該系統(tǒng)成功獲得了一系列光照條件下穩(wěn)態(tài)熒光和最大熒光的光譜動(dòng)力學(xué)（圖3-5）。結(jié)果表明，雖然光譜葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量和PAM熒光產(chǎn)量之間的相關(guān)性一直很強(qiáng)，但也與波長(zhǎng)有關(guān)，斜率遵循熒光發(fā)射曲線的平均形狀。結(jié)果進(jìn)一步表明了定量NPQ和ΦPSII的重要性，兩者都可以以不同的非線性方式改變?nèi)~綠素?zé)晒獾漠a(chǎn)量（圖6）。該方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是較高的光譜采樣頻率（如此處所示為0.2秒），可用于觀察葉綠素?zé)晒忖绲目焖夙憫?yīng)動(dòng)力學(xué)(Francket al., 2005; Buschmann, 2007)。在葉片尺度上，我們證明了Fλ和Anet（圖7）在實(shí)驗(yàn)中每個(gè)光響應(yīng)曲線之間簡(jiǎn)單的環(huán)境和物種的不同關(guān)系。在圖7的示例中，在不同物種和條件下觀察到Fλ和Anet之間的非線性關(guān)系，其中Fλ在Anet達(dá)到光飽和后繼續(xù)增加（圖7）。最近，使用機(jī)載儀器進(jìn)行的研究為我們理解波長(zhǎng)依賴性和擴(kuò)展SIF的潛力做出了重大貢獻(xiàn)，盡管這些研究主要集中在760和687 nm，表明這些波長(zhǎng)的比率可用于推斷作物脅迫(Rascher et al., 2015; Wieneke et al., 2016)。本文所述儀器的未來工作應(yīng)檢查目前星載平臺(tái)（OCO-2、GOME-2、GOSAT）測(cè)量的波長(zhǎng)，并調(diào)查一系列環(huán)境條件和不同物種下，紅色和遠(yuǎn)紅色熒光之間的比率(see reviews by Buschmann, 2007; A_c et al.,2015)。此外，全面了解葉綠素?zé)晒獍l(fā)射光譜對(duì)于評(píng)估在未來儀器開發(fā)（即NASA OCO-3、ESA FLEX）和SIF解釋中如何外推紅色和遠(yuǎn)紅色熒光（及其比率）至關(guān)重要。這方面的研究不僅有助于解釋星載平臺(tái)上SIF的波長(zhǎng)依賴性，而且還可以更好地理解SIF的大小如何隨時(shí)間和環(huán)境條件而變化。
圖1 光合氣體交換、調(diào)制葉綠素?zé)晒?、日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馔綔y(cè)量系統(tǒng)示意圖(a)。開始照光后的典型脈沖振幅調(diào)制（PAM）葉綠素?zé)晒馇€。請(qǐng)注意，顏色（藍(lán)色和粉色）代表驅(qū)動(dòng)信號(hào)的燈光的顏色，盡管PAM所有參數(shù)都是由藍(lán)色LED計(jì)算得出的。(b) 紅外氣體分析系統(tǒng)（IRGA）的基本原理圖，在光化光照射下（時(shí)間與（a）類似），顯示光響應(yīng)曲線（凈光合速率）。(c) 葉室示意圖，PAM和光譜儀（QE Pro）的光纖插入，以及PAM和光化光LED光源發(fā)出的代表性光的顏色。請(qǐng)注意，光化光LED光源為90%的紅色LED和10%的藍(lán)色LED，并且在短通濾光片的作用下有所衰減（在濾光片下方顯示稍淺的“粉色”）。在葉片表面有一個(gè)光合有效輻射（PAR）傳感器， PAM和QE Pro耦合的光纖束末端與葉片表面距離約2mm。(d) 與Fm, λ和Fm’, λ（由Blue LED激發(fā)）和Ft, λ（由Actinic LED激發(fā)）相關(guān)的光譜熒光曲線，其與（a）中熒光軌跡所示的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。
圖2 概念圖強(qiáng)調(diào)了光響應(yīng)曲線開始期間（包括第一和第二光強(qiáng)梯度）光譜熒光(Fλ)和脈沖振幅調(diào)制（PAM）熒光參數(shù)的推導(dǎo)過程。(a) 從光譜和PAM得到最大熒光參數(shù)。光譜(Fm, λ和Fm’,λ)，PAM(Fm和Fm’)。(b) 將圖(a)放大（注意y軸的單位）強(qiáng)調(diào)光譜熒光信號(hào)(Fλ)，相當(dāng)于日光誘導(dǎo)熒光（SIF）。(c) 通過PAM得到的熒光強(qiáng)度（Ft）對(duì)吸收光強(qiáng)（aPAR）不敏感，與光譜熒光產(chǎn)量（ΦFt,λ = Fλ/ aPAR×leaf absorption）疊加。樣本來自未受脅迫的大葉櫟，光譜為700-800 nm范圍的均值。對(duì)參數(shù)更詳細(xì)全面的描述，詳見支持信息圖S6.
圖3 （a）未受脅迫大葉櫟脈沖振幅調(diào)制（PAM）最大熒光產(chǎn)量(Fm和Fm’)和5個(gè)樣本波段（686,740,757,771和800nm）光譜最大熒光產(chǎn)量(Fm, λ和Fm’, λ)的相關(guān)性。（b）不同物種和條件下各波長(zhǎng)的最大熒光產(chǎn)量的確定系數(shù)（R2）。（c）PAM實(shí)時(shí)熒光（Ft）和光譜熒光產(chǎn)量（ΦFt,λ）的關(guān)系。（d）不同品種和條件下各波長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量的確定系數(shù)（R2）
圖4 飽和脈沖誘導(dǎo)的最大熒光發(fā)射(Fm, λ和Fm’, λ)（a-d）和光化光誘導(dǎo)的熒光發(fā)射(Fλ)（e-h）。藍(lán)色為槭樹，綠色為大葉櫟。a, e,c, g未受脅迫，b, f, d, h為脅迫后。顏色梯度表示光響應(yīng)曲線入射光合作用活化光強(qiáng)度（PAR, μmol m-2 s-1），顏色越深表示PAR越低。
圖5 （a）不同物種和條件的最大光譜熒光發(fā)射(Fm, λ和Fm’, λ)曲線比較。根據(jù)PAR=0（實(shí)線）和PAR=1500（虛線）的最大Fm, λ或Fm’,λ進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。（b）不同物種和條件的穩(wěn)態(tài)光譜熒光發(fā)射(Fλ)曲線比較。根據(jù)PAR=0（實(shí)線）和PAR=1500（虛線）的最大Fλ進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。注意主要發(fā)射光源分別為藍(lán)光（a）和紅光（b）LED。
圖6 未受脅迫槭樹光響應(yīng)曲線過程中通過脈沖振幅調(diào)制（PAM）獲得的穩(wěn)態(tài)葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量Ft和光譜(ΦFt, λ: 波長(zhǎng)686, 740, 800)與非光化學(xué)淬滅NPQ（a），光系統(tǒng)II量子產(chǎn)量ΦPSII（b），CO2產(chǎn)量ΦCO2（c）的關(guān)系。（b）中的疊加數(shù)據(jù)為光合作用與能量的土壤冠層觀測(cè)（SCOPE）模型的2種參數(shù)（見材料與方法部分，此處被稱為SCOPE1和SCOPE2）。PAM和光譜葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量數(shù)據(jù)根據(jù)光響應(yīng)曲線中的最大值進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。為了讓趨勢(shì)可視化，對(duì)所有關(guān)系應(yīng)用多項(xiàng)式模型。
圖7 不同物種和條件下686 nm（a）和740nm（b）穩(wěn)態(tài)光譜熒光(Fλ)與光合作用（Anet）的關(guān)系。數(shù)據(jù)點(diǎn)為每個(gè)光強(qiáng)梯度下穩(wěn)態(tài)Anet和Fλ的平均值，誤差線表示每個(gè)光強(qiáng)梯度下的±SE。—— 原文 ——
Magney, T.S., Frankenberg, C., Fisher, J.B., et al. Connecting active to passive fluorescence with photosynthesis: a method for evaluating remote sensing measurements of Chl fluorescence. New Phytol, 2017, 215: 1594-1608.
