藻類測量新范式 | LI-COR推出懸浮藻類光合作用測量室6800-18

圖1 6800-18懸浮藻類測量室

懸浮藻類光合作用測量一直是實驗難點。傳統(tǒng)測量方法是氧電極法，通過測量懸浮液中O₂濃度反映其光合速率。與之不同，LI-COR最近推出了6800-18懸浮藻類測量室（圖1）。它采用開路差分式方法，測量穩(wěn)定環(huán)境條件下（CO₂、光照、溫度精確控制）懸浮藻類的光合CO₂同化速率。同時，采用脈沖幅度調制技術（PAM）監(jiān)測葉綠素熒光。這一創(chuàng)新的測量方法使得數(shù)據(jù)更準確，開啟了懸浮藻類等生物光合作用測量的新范式。

不可錯過的6800-18介紹視頻 字幕/朱曉偉

開路差分式測量原理

6800-18采用穩(wěn)態(tài)開路式測量原理：根據(jù)進出測量室氣流中CO₂的濃度差值，結合流速，直接計算得到懸浮藻類的CO₂同化速率（圖2）。標準化為藻類細胞密度、藻類質量或藻類葉綠素含量后，樣品同化速率可用μmol CO₂ cell-1 s-1、μmol CO₂ mg-1s-1或μmol CO₂ μg-1 s-1來表示。

圖2 開路差分式測量原理示意

先進技術，防止水汽逃逸

由于懸浮藻類樣品呈溶液狀態(tài)，水汽很容易從懸浮液中逸出，導致出氣端氣流中的H₂O含量高，對CO₂的“稀釋效應”大。LI-COR為此研發(fā)出先進方法，有效阻擋水汽逃逸。

CO₂氣-液相快速平衡

精心控制的實驗條件確保了CO₂的“傳質系數(shù)”不受限制，CO₂通量值代表了樣品的實際同化速率。將碳酸酐酶（CA）添加到樣品懸浮液中，快速水合CO₂并與碳酸氫根離子（HCO3-）動態(tài)轉化（圖3）。

圖3 精心控制的CO₂氣-液相快速平衡系統(tǒng)

穩(wěn)態(tài)環(huán)境條件控制

精準CO₂控制：注入系統(tǒng)確保整個實驗過程CO₂濃度穩(wěn)定；

精準光照控制：6800-01A熒光測量室提供不同光質比例的精確藍光、紅光、遠紅光的組合；

精準溫度控制：外部循環(huán)水浴裝置，0-50℃范圍內(nèi)精準控制測量室溫度。

圖4 CO₂_r控制為400μmol mol-1、溫度控制為25℃

葉綠素熒光參數(shù)同步測量

6800-18不僅測量懸浮藻類的光合CO₂同化速率，還同步測量其葉綠素熒光參數(shù)如實際光化學量子效率ΦPSII、電子傳遞速率ETR、非光化學淬滅NPQ、PSII反應中心電子受體側關閉比例1-qL等。

圖5 氣體交換和葉綠素熒光參數(shù)同步測量

測量實例

光響應曲線

小球藻（Chlorella）在正常氧氣濃度（21％）和低氧濃度（0.5％）條件下的光響應曲線。注入系統(tǒng)控制進入6800-18測量室的CO₂濃度：400 μmol mol-1。低氧空氣來自含0.5％氧氣的外部氣瓶；循環(huán)水浴將測量室溫度維持在25℃；培養(yǎng)基鹽度17ppt。

圖6 光響應曲線。實心圓圖標代表氧氣含量0.5％；空心圓圖標代表氧氣含量21％

熒光-光響應曲線

光強由高到低變化時，碳同化相對效率增強，表現(xiàn)為實際光化學量子效率ΦPSII增大；從數(shù)據(jù)可以看出，高氧（氧氣含量為21％）和低氧（氧氣含量為0.5％）實驗條件對ΦPSII的影響很小，兩者的ΦPSII幾乎沒有差別。

但是，低氧O₂濃度條件下，光呼吸被抑制，RuBisCO酶的RUBP氧化過程減弱，這導致PSII反應中心電子受體側關閉程度增高。這一關閉程度可用葉綠素熒光參數(shù)1-qL表示。從數(shù)據(jù)可以看出，和高氧實驗條件對比，低氧實驗條件下，1-qL普遍要大。

圖7 熒光-光響應曲線。實際光化學量子效率ΦPSII（圓形）和關閉反應中心占比1-qL（三角形）；0.5%O₂濃度實驗條件用實心表示，21%O₂濃度用空心表示。

二氧化碳響應曲線

環(huán)境條件控制：21%氧氣濃度；光照700μmol/m²/s；注入系統(tǒng)控制進入測量室的CO₂濃度。外部水浴裝置保持測量室溫度25℃；TRIS緩沖液維持反應介質pH=7.0。

CO₂濃度下降過程中，CO₂同化速率逐漸下降，實際光化學量子效率ΦPSII（實心圓）下降，非光化學淬滅NPQ上升、關閉反應中心占比1-qL（空心圓）上升，光合系統(tǒng)逐漸轉變?yōu)槭苣芰亢膿p的限制。