藻類(lèi)測(cè)量新范式 | LI-COR推出懸浮藻類(lèi)光合作用測(cè)量室6800-18

圖1 6800-18懸浮藻類(lèi)測(cè)量室

懸浮藻類(lèi)光合作用測(cè)量一直是實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)。傳統(tǒng)測(cè)量方法是氧電極法，通過(guò)測(cè)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(lèi)測(cè)量室（圖1）。它采用開(kāi)路差分式方法，測(cè)量穩(wěn)定環(huán)境條件下（CO₂、光照、溫度精確控制）懸浮藻類(lèi)的光合CO₂同化速率。同時(shí)，采用脈沖幅度調(diào)制技術(shù)（PAM）監(jiān)測(cè)葉綠素?zé)晒狻＿@一創(chuàng)新的測(cè)量方法使得數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，開(kāi)啟了懸浮藻類(lèi)等生物光合作用測(cè)量的新范式。

不可錯(cuò)過(guò)的6800-18介紹視頻 字幕/朱曉偉

開(kāi)路差分式測(cè)量原理

6800-18采用穩(wěn)態(tài)開(kāi)路式測(cè)量原理：根據(jù)進(jìn)出測(cè)量室氣流中CO₂的濃度差值，結(jié)合流速，直接計(jì)算得到懸浮藻類(lèi)的CO₂同化速率（圖2）。標(biāo)準(zhǔn)化為藻類(lèi)細(xì)胞密度、藻類(lèi)質(zhì)量或藻類(lèi)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(lái)表示。

圖2 開(kāi)路差分式測(cè)量原理示意

先進(jìn)技術(shù)，防止水汽逃逸

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

CO₂氣-液相快速平衡

精心控制的實(shí)驗(yàn)條件確保了CO₂的“傳質(zhì)系數(shù)”不受限制，CO₂通量值代表了樣品的實(shí)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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)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(zhǔn)CO₂控制：注入系統(tǒng)確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程CO₂濃度穩(wěn)定；

精準(zhǔn)光照控制：6800-01A熒光測(cè)量室提供不同光質(zhì)比例的精確藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光的組合；

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

圖4 CO₂_r控制為400μmol mol-1、溫度控制為25℃

葉綠素?zé)晒鈪?shù)同步測(cè)量

6800-18不僅測(cè)量懸浮藻類(lèi)的光合CO₂同化速率，還同步測(cè)量其葉綠素?zé)晒鈪?shù)如實(shí)際光化學(xué)量子效率ΦPSII、電子傳遞速率ETR、非光化學(xué)淬滅NPQ、PSII反應(yīng)中心電子受體側(cè)關(guān)閉比例1-qL等。

圖5 氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)同步測(cè)量

測(cè)量實(shí)例

光響應(yīng)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(yīng)曲線。注入系統(tǒng)控制進(jìn)入6800-18測(cè)量室的CO₂濃度：400 μmol mol-1。低氧空氣來(lái)自含0.5％氧氣的外部氣瓶；循環(huán)水浴將測(cè)量室溫度維持在25℃；培養(yǎng)基鹽度17ppt。

圖6 光響應(yīng)曲線。實(shí)心圓圖標(biāo)代表氧氣含量0.5％；空心圓圖標(biāo)代表氧氣含量21％

熒光-光響應(yīng)曲線

光強(qiáng)由高到低變化時(shí)，碳同化相對(duì)效率增強(qiáng)，表現(xiàn)為實(shí)際光化學(xué)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(shí)驗(yàn)條件對(duì)ΦPSII的影響很小，兩者的ΦPSII幾乎沒(méi)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(guò)程減弱，這導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心電子受體側(cè)關(guān)閉程度增高。這一關(guān)閉程度可用葉綠素?zé)晒鈪?shù)1-qL表示。從數(shù)據(jù)可以看出，和高氧實(shí)驗(yàn)條件對(duì)比，低氧實(shí)驗(yàn)條件下，1-qL普遍要大。

圖7 熒光-光響應(yīng)曲線。實(shí)際光化學(xué)量子效率ΦPSII（圓形）和關(guān)閉反應(yīng)中心占比1-qL（三角形）；0.5%O₂濃度實(shí)驗(yàn)條件用實(shí)心表示，21%O₂濃度用空心表示。

二氧化碳響應(yīng)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(jìn)入測(cè)量室的CO₂濃度。外部水浴裝置保持測(cè)量室溫度25℃；TRIS緩沖液維持反應(yīng)介質(zhì)pH=7.0。

CO₂濃度下降過(guò)程中，CO₂同化速率逐漸下降，實(shí)際光化學(xué)量子效率ΦPSII（實(shí)心圓）下降，非光化學(xué)淬滅NPQ上升、關(guān)閉反應(yīng)中心占比1-qL（空心圓）上升，光合系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭苣芰亢膿p的限制。