首頁新聞中心公司動態(tài) LI-600、LI-6800聯(lián)用以實現(xiàn)互補性測量 | 理論、案例和在線研討會預(yù)告

LI-600、LI-6800聯(lián)用以實現(xiàn)互補性測量 | 理論、案例和在線研討會預(yù)告

來源：北京力高泰科技有限公司發(fā)布日期：2021-09-29 17:45:12 瀏覽次數(shù)：5630

內(nèi)容導(dǎo)讀

● 本文從光合生理研究入手，輔以技術(shù)設(shè)計考慮，最后以一個實際應(yīng)用案例的數(shù)據(jù)展示其結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢。該研究案例首先使用LI-600篩選對水分脅迫敏感的野生辣椒品種，再結(jié)合使用LI-6800針對篩選出的品質(zhì)進行深入生理指標(biāo)研究。LI-600的高通量篩選功能在此得以展現(xiàn)，在一天內(nèi)使用一臺LI-600測量了500多片葉片樣本，通過這個大樣本量調(diào)查數(shù)據(jù)篩選出目標(biāo)個體，再使用LI-6800做進一步深入全面的植物生理指標(biāo)分析評估。

● 在線研討會通知

時間：2021年9月29日上午10:00-11:00 （第一場）

對應(yīng)北京時間9月29日（星期三）晚11:00-12:00

2021年9月29日下午08:00 （第二場）

對應(yīng)北京時間9月30日（星期四）早09:00-10:00

主講人：Jason Hupp

主持人：Rod Madsen

在線答疑應(yīng)用科學(xué)家：Cici Hall和Ian Smillie

報名入口

文 | 許燕劉美玲

圖片來源 | LI-COR公司

LI-600熒光氣孔測量儀（點擊了解更多）

■ 摘要

LI-600熒光氣孔測量儀是為快速采樣而設(shè)計的。它能快速測量葉片的氣孔導(dǎo)度和葉綠素a熒光參數(shù)。而LI-6800便攜式光合作用系統(tǒng)則突顯于提供更全面、深入、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。相對于LI-600只針對氣孔做相關(guān)參數(shù)的快速測量，LI-6800測量參數(shù)更多（如碳交換相關(guān)參數(shù)等），需要花費的時間也更多。雖然LI-600和LI-6800有不同的用途，但它們提供的數(shù)據(jù)具有很強的互補性。當(dāng)它們一起使用時，可以在很多研究與應(yīng)用領(lǐng)域提高數(shù)據(jù)收集與分析的效率，如實驗室、溫室、植物育種篩選項目等。

本文我們將討論如何使用這兩種儀器在更快的時間內(nèi)收集更大的數(shù)據(jù)樣本，以作更詳細地探索植物生理特征。為了能更加直觀展現(xiàn)二者結(jié)合使用的優(yōu)勢，本文將從光合生理研究入手，輔以技術(shù)設(shè)計考慮，最后以一個實際應(yīng)用案例的數(shù)據(jù)展示其結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢。該研究案例首先使用LI-600篩選對水分脅迫敏感的野生辣椒品種，再結(jié)合使用LI-6800針對篩選出的品質(zhì)進行深入生理指標(biāo)研究。LI-600的高通量篩選功能在此得以展現(xiàn)，在一天內(nèi)使用一臺LI-600測量了500多片葉片樣本，通過這個大樣本量調(diào)查數(shù)據(jù)篩選出目標(biāo)個體，再使用LI-6800做進一步深入全面的植物生理指標(biāo)分析評估。

■ 氣體交換和光合作用

葉片進行著許多復(fù)雜的生理過程，其中如何在葉片內(nèi)部和大氣之間交換二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)備受關(guān)注。圖1是光合碳同化(CO₂)和水汽交換，即蒸騰作用(H₂O)這兩個主要過程的示意圖，這些氣體通常通過氣孔進出葉片。氣孔能夠?qū)ν饨绱碳せ蛎{迫做出響應(yīng)，表現(xiàn)為打開或關(guān)閉氣孔，以控制交換速率。

隨著氣體在葉片內(nèi)外的擴散，葉綠體中的光合機構(gòu)開始了光合作用。這個過程包括發(fā)生在基質(zhì)中的暗反應(yīng)/卡爾文循環(huán)和發(fā)生在類囊體膜上的光反應(yīng)。

圖1 葉片（上圖）和細胞（下圖）剖面展示LI-600和LI-6800測量的生化過程

■ LI-600熒光-氣孔測量儀

氣孔計的主要目的是定量化分析葉片和環(huán)境之間的水汽交換。這種交換可以被植物根部從土壤中吸收水分的能力所限制，也可以被葉片氣孔所調(diào)節(jié)?；谶@些考慮，LI-600的設(shè)計旨在環(huán)境條件下準(zhǔn)確而迅速地量化這種交換。

LI-600的開路式設(shè)計確保實時測量的結(jié)果準(zhǔn)確反映了葉片在當(dāng)前環(huán)境下的狀態(tài)。只要在測量時不要遮蔭葉片且不改變其角度，就不存在葉片與葉室條件的平衡，就可以快速測量大量的葉片。內(nèi)置的條形碼掃描器能夠自動捕獲數(shù)據(jù)標(biāo)簽，無需手動輸入，進一步支持高通量調(diào)查取樣。

LI-600體積小、重量輕，可以在現(xiàn)場單手操作，并且可以很容易地夾取葉片（圖2）。

圖2 LI-600設(shè)計為單手操作

兩個相對濕度傳感器分別測量空氣與葉片相互作用前、后的濕度值。葉片溫度是用非接觸式紅外熱電偶（IRT）測得。微型泵為系統(tǒng)提供氣流。這種開路式設(shè)計（流動的空氣和準(zhǔn)確的流量計）確保LI-600在快速準(zhǔn)確獲取總導(dǎo)度基礎(chǔ)上，進一步計算出邊界層導(dǎo)度和氣孔導(dǎo)度。

選購LI-600熒光計，LI-600還可實現(xiàn)測量氣孔導(dǎo)度的同時，同步測量葉綠素a熒光參數(shù)，實現(xiàn)對光系統(tǒng) II （PSII）進行非侵入性測量，開放式設(shè)計允許儀器在環(huán)境背景光條件下準(zhǔn)確測量，進行PSII光化學(xué)相關(guān)研究。

■ LI-6800高級光合熒光測量系統(tǒng)

LI-6800提供的是一套完整的量化光合作用的解決方案。它采用兩個紅外氣體分析儀(IRGAs)來量化CO₂和H₂O的通量。葉片(或整株植物)完全封閉在一個葉室內(nèi)，環(huán)境(CO₂、H₂O、溫度、氣流、光強度和光譜)可以由用戶控制。

葉室內(nèi)環(huán)境控制確保在整個實驗過程中保持恒定，測量結(jié)果具有直接可比性。LI-6800還允許用戶改變?nèi)~室內(nèi)測量環(huán)境，并量化葉片對這些變化的響應(yīng)，如光照(A-Q曲線)或二氧化碳濃度(A-Ci)。然而，這樣的測量通常是耗時的，而且葉室內(nèi)環(huán)境改變越大，葉片需要的適應(yīng)時間就越長。

圖3 LI-6800主機、分析器頭部和熒光葉室

LI-6800可配置多種葉室，適用于不同的應(yīng)用，如測量土壤CO₂通量、整株植物氣體交換、藻類、水生植物或果實呼吸/動物呼吸等（圖4）。

圖4 LI-6800各種葉室設(shè)計從左到右，

上排：3×3 cm透明葉室，擬南芥等小植物葉室，6×6 cm紅綠藍白光源及葉室，自制葉室；

下排：6×6 cm透明葉室，苔蘚葉室，土壤呼吸室，昆蟲等無脊椎動物呼吸室。

■ 系統(tǒng)對比

■ 測量參數(shù)對比

我們已經(jīng)看到了LI-600和LI-6800在操作和測量技術(shù)上的一些差異。這里我們介紹每個儀器能測量的數(shù)據(jù)以及它的用途。LI-600和LI-6800雖然有一些重疊，但各自都有自己的參數(shù)集，這意味著每個特定實驗?zāi)康暮艽蟪潭扔绊懼鴥x器的選擇。

LI-600PF和LI-6800F均可測得的參數(shù)

● 氣孔導(dǎo)度（gsw）：通過氣孔運輸水分的能力。氣孔對水分擴散阻力的反比。在生理學(xué)上，它提供了氣孔開閉程度的相對測量方法，表示為單位時間單位葉面積的水分傳輸速率(mol H₂O m^-2 s-1)。但是要注意，在LI-600中，gsw測量的是葉片的單面，而在LI-6800中，測量的是葉片的兩面之和，除非使用單面測量套件（貨號9968-313）。要用LI-600測量總gsw，可以取葉片兩面的測量值并相加。gsw可以作為脅迫的敏感性指標(biāo)，LI-600和LI-6800可以實時輸出該值。

● PSII的量子產(chǎn)率（ΦPSII）：在光系統(tǒng)II (PSII)中葉綠素吸收并用于光化學(xué)過程的光的比例，即當(dāng)前光強下的實際量子效率。由于光誘導(dǎo)的非光化學(xué)猝滅過程的積累和葉片的光損傷，這個值通常會低于Fv/Fm。PSII的量子產(chǎn)率與碳同化密切相關(guān)，在C3植物中，PSII吸收光與Agross (Anet +Rd)的比值理論上至少為每個碳8個光子。在非受脅迫植物中，偏離這一規(guī)律通常可歸因于其他能量耗損導(dǎo)致，如光呼吸、氮代謝或硫代謝。ΦPSII是光適應(yīng)下測量葉綠素?zé)晒獾玫降臒o量綱比例參數(shù)，LI-600PF或LI-6800F均可實時測得。

● 最大量子效率（Fv/Fm）：葉綠素在光系統(tǒng)II (PSII)中捕獲光能的最大光化學(xué)效率。一個高度保守且被廣泛引用的參數(shù)，它對脅迫引起的PSII反應(yīng)中心的影響很敏感。對于健康的植物，F(xiàn)v/Fm約為0.8，并隨著影響能量捕獲或轉(zhuǎn)換的脅迫增加而降低。Fv/Fm是暗適應(yīng)下測量葉綠素?zé)晒獾玫降臒o量綱比例參數(shù)，LI-600PF或LI-6800F均可實時測得。由于LI-600 熒光計對環(huán)境條件開放，因此在白天測量Fv/Fm時必須小心，不要將葉片暴露在光線下。

● 電子傳遞速率（ETR）：電子在電子傳遞鏈中線性移動的速率，表示為速率(μmol electrons m^-2s^-1)，由葉綠素?zé)晒鉁y量得到。在C3植物中，ETR與Agross (Anet +Rd)的比值理論上至少為每個碳4個電子。偏離這個最小值通常是由于替代電子匯的影響，如光呼吸、氮代謝或硫代謝。ETR是通過測量光適應(yīng)下葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)計算得到，LI-600PF或LI-6800F均可實時測得。測量該參數(shù)需要用到LI-600或LI-6800的PAR傳感器，確保傳感器在測量過程中不被遮擋。

● 非光化學(xué)淬滅（NPQ）：與葉片在暗適應(yīng)狀態(tài)相比，光下植物光系統(tǒng)II (PSII)通過非光化學(xué)途徑耗散的能量。NPQ可以被認為是葉片光化學(xué)過程無法利用的多余光能。在光強不增加的情況下，NPQ的增加代表光化學(xué)效率的降低。NPQ是通過植物在暗適應(yīng)和光適應(yīng)狀態(tài)下葉綠素?zé)晒鉁y量參數(shù)計算測得。在測得暗適應(yīng)下最大熒光Fm后，LI-6800F可以直接輸出NPQ的值。LI-600F的NPQ值可以通過后期數(shù)據(jù)計算得到。

僅由LI-6800測得的參數(shù)

● 凈同化速率（Anet）：羧化作用的碳同化與光呼吸和其他呼吸過程造成的碳損失之間的凈變化值。碳同化用于支持植物的生長和代謝，表示為單位時間單位葉面積的CO₂吸收速率(μmol CO₂ m^-2 s^-1)，可通過LI-6800實時測得。Anet通常是在模擬植物生長環(huán)境的測量室中進行測量。

● 光飽和同化速率（Asat）：光強不限制光化學(xué)過程時的凈同化速率；飽和光強下的凈同化速率。實現(xiàn)Asat的光強代表葉片的最大可用光強。表示為單位時間單位葉面積CO₂吸收速率(μmol CO₂ m^-2 s^-1)，該值可以來自飽和光強下的Asat點測量，也可以來自光響應(yīng)(A-Q)曲線。

● 最大同化速率（Amax）：光和CO₂都不限制光化學(xué)過程時的凈同化速率，飽和光強及飽和CO₂濃度下的凈同化速率。Amax代表葉片的最大碳同化能力。表示為單位時間單位葉面積的CO₂吸收速率(μmol CO₂ m^-2 s^-1)，該值可以來自飽和條件下的Anet點測量，也可以來自CO₂響應(yīng)(A-Ci )曲線。

● 呼吸速率（RX）：由線粒體呼吸作用從葉片中流失碳的速率。單位時間單位葉面積CO₂釋放速率(μmol CO₂ m^-2 s^-1)。在C3植物中，有幾種估算線粒體呼吸的方法：光下呼吸速率，Rd，可以通過光響應(yīng)曲線內(nèi)嵌套CO₂響應(yīng)（A-Ci嵌套在A-Q中）測量來估計。暗呼吸速率，Rn，可以由黑暗中的Anet測量值或光響應(yīng)(A-Q)曲線的y軸截距來獲取。

● 光呼吸速率（RPR）：Rubisco加氧酶活性的結(jié)果。此時，Rubisco是加氧而不是羧化。光呼吸作用是一個與光合作用碳同化競爭的過程，并最終導(dǎo)致先前固定的碳的釋放。表示為單位時間單位葉面積CO₂的釋放速率(μmol CO₂ m^-2 s^-1)。目前有多種方法來估算RPR，包括CO₂響應(yīng)(A-Ci)曲線與葉綠素?zé)晒怦詈弦约霸诘蚈₂濃度下測同化作用。

● CO₂總導(dǎo)度（gtc）：CO₂通過氣孔和邊界層的運輸能力。CO₂通過氣孔進入葉片所受到的擴散阻力的反比。在生理學(xué)上，提供了一種隨著邊界層阻力的影響氣孔開閉程度的相對測量方法。表示為單位時間單位葉面積的CO₂運輸速率(μmol CO₂ m^-2 s^-1)。氣孔導(dǎo)度（gsw）是被更廣泛引用的導(dǎo)度參數(shù)。

● 水分利用效率（WUEg ）：凈同化速率（Anet）與氣孔導(dǎo)度（gsw）之比; 描述碳同化過程中潛在的水分消耗。與穩(wěn)定碳同位素方法測定水分利用效率遵循的物理過程一樣，氣體交換測量能夠在更短的時間內(nèi)測得水分利用效率。水分蒸發(fā)量與瞬時水分利用效率（WUEi）有關(guān)。WUEi可以用Anet和gsw計算得到，LI-6800默認輸出參數(shù)中不包含WUEi。

● 氣孔限制值（l ）：氣孔的擴散阻力對光合作用的固有限制。環(huán)境條件下測的同化速率與當(dāng)葉片內(nèi)部CO₂濃度與環(huán)境CO₂濃度一致時測得的同化速率的比例。通常由CO₂響應(yīng)（A-Ci）曲線而來。

● 最大羧化速率（Vcmax）：用于描述同化作用對CO₂濃度的響應(yīng)（A-Ci曲線），三個限速過程中的第一個過程。Vcmax表示Rubisco的最大固碳速度。它是通過擬合一個函數(shù)到A-Ci曲線的初始部分，其中CO₂的可利用性限制了羧化速率。

● 最大電子傳遞速率（Jmax）：用于描述同化作用對CO₂濃度的響應(yīng)（A-Ci曲線）的第二個限速過程。Jmax表示通過電子傳遞鏈的最大電子傳遞速率(μmol electrons m^-2s^-1)。它來源于擬合的A-Ci曲線中光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH限制羧化速率的那一部分。

● 磷酸丙糖利用率（VTPU）：用于描述同化作用對CO₂濃度的響應(yīng)（A-Ci曲線）的最后一個限速過程。磷酸丙糖利用率是對光合碳同化產(chǎn)物（磷酸丙糖）的輸出率，它們在蔗糖合成中的應(yīng)用以及磷酸鹽返回葉綠體的評估。表示為速率（μmol triose phosphate m^-2s^-1），是擬合A-Ci曲線在Amax部分得到的參數(shù)。

■ 案例研究：野生辣椒的水分利用

本研究收集了大量野生辣椒品種，種植后對其農(nóng)業(yè)性狀進行篩選，其中，重點關(guān)注水分利用和對干旱脅迫的敏感性。

圖5 在溫室環(huán)境中隨機選擇不同的辣椒品種。從圖中也可看出表型范圍廣泛，一些表現(xiàn)出具有大而直立的葉片，而另一些則表現(xiàn)出狹窄的葉片和萎蔫的外觀。

在試驗中，將30份原材料分成3份，與一個商業(yè)對照品種(18個對照重復(fù))一起種植。植物種植在2 L的花盆中，并在溫室條件下生長。在研究開始之前，所有植物保持水分充足。接下來，暫停灌溉，植物開始受到水分脅迫。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，預(yù)先選擇干旱敏感品種和干旱不敏感品種的代表性樣本進行詳細的表征分析。

在研究開始之時，水分脅迫之前，首先在五個不同時間點評估了整個種群107 株個體植物的氣孔導(dǎo)度 (gsw)。使用LI-600進行測量，測量過程中注意確保葉片角度和葉片表面的光強不受測量影響。LI-600在短時間內(nèi)快速完成了大量植物樣本的測量，在計劃時間表內(nèi)完成每個時間點的高樣本通量數(shù)據(jù)。

圖6 使用LI-600測定水分充足(左)和水分脅迫(右)植物的氣孔導(dǎo)度(gsw)。所有品種指的是整個種群(n=107)，從中選出干旱敏感(n=3)和干旱不敏感(n=3)品種。

氣孔導(dǎo)度與預(yù)期的日變化規(guī)律一致，在清晨表現(xiàn)出低導(dǎo)度，隨著時間和光強的增加，氣孔開始打開。氣孔導(dǎo)度在中午之前達到峰值，隨著溫度的升高，下午開始下降(圖6)。在充足水分條件下，干旱敏感品種和普通品種之間的氣孔導(dǎo)度沒有差異。但是，可以觀察到對水分脅迫不敏感品種下午時的gsw下降幅度略小。

停止灌溉2天后，土壤明顯變干，再次分五個時間點測量整個種群的氣孔導(dǎo)度(圖6)。此時，干旱敏感品種氣孔導(dǎo)度值在所有時間點都顯著下降。相比之下，對干旱不敏感品種的氣孔導(dǎo)度值在所有時間點能夠仍然保持在整個種群平均值附近。

利用LI-6800光合作用系統(tǒng)對敏感品種和不敏感品種進行了額外的多參數(shù)測量表征。在本研究中，使用LI-6800測量了光響應(yīng)曲線，研究了在0-1800 μmol m^-2 s^-1范圍內(nèi)10種不同光強梯度下CO₂同化速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠素?zé)晒鈪?shù)。光響應(yīng)曲線測量過程中保持葉室內(nèi)CO₂濃度為400 ppm， VPD為1.5 kPa，葉片溫度為30 ℃（圖7所示）。

圖7 用LI-6800測量的光響應(yīng)曲線(n=3)

A-Ci曲線采用動態(tài)同化技術(shù)（DAT）測定。開始之前，葉片在1500 μmol m^-2 s^-1光強（90%紅色，10%藍色）、30 ℃的葉溫、1.5 kPa VPD和1800 ppm 的參比室CO₂濃度下適應(yīng)。A-Ci響應(yīng)曲線表明，干旱敏感植物的凈同化速率仍然較高，最大同化速率在40 μmol m^-2 s^-1左右。而干旱不敏感植物的凈同化要低得多，最大值在25 μmol m^-2 s^-1左右（圖8）。

從這些曲線獲取的參數(shù)看，相比不敏感品種氣孔限制值增加0.122，干旱敏感品種的氣孔限制值增加-0.250。

當(dāng)查看氣孔導(dǎo)度 (gsw) 與凈同化速率A（圖 9上）關(guān)系時，我們觀察到兩個參數(shù)之間存在很強的線性相關(guān)性。受到水分脅迫前，干旱敏感品種和不敏感品種之間無明顯種間差異，斜率分別為77.7和78.3。干旱處理后，兩個種群開始分化。兩種品種的固有水分利用效率均有所提高；但相比敏感品種（斜率為102.4），不敏感品種的斜率更大，為112.5。