Измерительная система «PlantVital® 5000»
«PlantVital® 5000» в сравнении с другими методами, в частности с измерением флуоресценции для определения физиологических параметров хлорофиллсодержащих видов
Аннотация:
Абсорпционные и флуоресцентные спектры фотосинтетического аппарата:
При облучении ультрафиолетовым или видимым светом (ФАР; фотосинтетически активная радиация) спектр флуоресценции, охватывающий длины волн между 400 нм и 800 нм, показывает 4 ясно выраженных максимума: 440 нм (голубой), 520 нм (зеленый), 690 нм (красный) и 740 нм (темно-красный). Из этих четырех диапазонов два диапазона с длиной волны 690 нм и 740 нм принадлежат хлорофиллу «а» (хлф) в хлоропластах зеленых мезофиллклеток. Два других пика с длиной волны 440 нм и 520 нм характеризуют другие органические молекулы, которые, как правило, соединены со стенками клеток ковалентно. Обычно для характеристики фотосинтетического аппарата с помощью метода флуоресценции измеряется интенсивность флуоресценции ( установление величины квантового выхода флуоресценции, который является характеризующим параметром) и ее изменение во времени.
Изменение интенсивности флуоресценции зависит от: 1) изменений концентрации флуоресцирующих органических молекул, 2) изменений в проводящих свет каналах хлорофилл-«а»-содержащей системы и 3) от изменений в относительных частях распределения энергии при релаксации оптически возбужденных состояний в отдельных каналах: фотосинтез, излучательная релаксация (флуоресценция), безизлучательная релаксация (возбуждение колебательно-вращательных состояний органических молекул, энергия которых превращается в тепловую энергию). Нарушения фотосинтеза, касающегося транспортировки электронов, проявляются в усилении флуоресценции и могут определяться количественно.
Доказано,что флуоресценция при длине волн 440 нм и 520 нм, которая не связана с хлорофиллом «а», является константой во времени.
Флуоресценция здоровых листьев, связанная с хлорофиллом «а» (690 нм и 740 нм), изменяется с течением времени, благодаря чему дает возможность получить информацию о свойствах фотосинтетического аппарата. Это касается прежде всего кинетики процесса в его взаимосвязи с «эффектом Каутского».
Эффект Каутского:
если лист хранился некоторое время в темноте и затем освещался светом (ФАР), то сложная энзимная система фотосинтеза начинает функционировать не сразу. Получаемая от света энергия, которая передается по электронно-транспортной цепи, принимается не сразу, что приводит к энергетическому барьеру, который проявляется в усиленном использовании флуоресцентных каналов при релаксации возбужденных состояний. Данный процесс продолжается у здорового листа около 3 минут, пока все компоненты начинают работать синхронно и флуоресценция хлорофилла «а» возвращается на нормальное значение.
Нарушения функции фотосинтетического аппарата:
если цепь энергетического транспорта при световой реакции задержалась или совсем прервалась по другой причине, чем описанной в 3), то флуоресценция остается на высоком уровне также долго. Парадоксальное усиление флуоресценции, основывающееся на выше упомянутой задержке транспорта электронов при фотофосфорилировании, может привести к дефициту субстратов для синтеза АТФ (АДФ-дефицит или дефицит неорганического фосфата (Рi)). Такой дефицит субстрата встречается, например, при темновой реакции (фиксирование СО2), во время которой потребляется малое количество АТФ. С другой стороны, «короткое замыкание» транспорта электронов привело бы к быстрому падению интенсивности флуоресценции (разложение фотофосфорилирования). Если лист поврежден при стрессе (например, засуха, другие природные или антропогенные влияния), то изменение в кинетике «Каутского» (в процессе изменения интенсивности флуоресценции во время световой реакции) может указывать на подобное влияние, так как отдельные компоненты повреждаются при стрессе неодинаково и их синхронизация осуществляется длительное время. Метод флуоресценции позволяет в этом случае лишь количественно оценить происходящие процессы. Только измерение эмиссии кислорода, вызываемой фотолизом воды с выделением протонов (Н+) с целью накопления энергии, может дать точную количественную оценку повышенных или экстремально пониженных значений флуоресценции. Другой подходящий и часто применяемый метод для всестороннего разъяснения процесса всего фотосинтетического механизма – измерение фиксации СО2.
Измерительная техника для научных исследований:
для
более точного научного
исследования всего процесса фотосинтеза наряду с измерением
флуоресценции, наиболее изученного и применяемого метода (методом пульс-амплитудной
модуляции, ПАМ) , требуется количественное определение выделения
кислорода и фиксации СО2 .
В
области
измерения
флуоресценции
применяются
различные
варианты,
которые
могут
характеризовать
флуоресценцию
определенной
части фотосинтетического
аппарата. С
помощью импульсного
облучения и
синхронного
усиления
измерения
возможно
также
уловить слабые
сигналы
флуоресценции
при наличии более
сильного фонового
излучения.
Таким
образом,
становится
возможным с
помощью
дополнительного
импульсного
освещения,
которое во
много раз сильнее
солнечного,
за короткое
время насытить
электронно-транспортную
цепь (химически
восстановить).
Из
измеренной
при этом
флуоресценции
можно
установить
максимально
возможный
квантовый
выход,
указывающий на
количество
имеющегося в
наличие
фотосинтетически
активного
хлорофилла в
фотосистеме II
(LHC II, light harvesting
complex).
Одновременно
можно
установить
при этом минимальную
флуоресценцию
при
длительном
фотосинтезе
(светлая
фаза) ниже
области
насыщения
светом.
Имеющиеся возможности в области установления потребления кислорода при темной фазе (респирация) и количественного учета эффекта Каутского и фотосинтеза при светлой фазе, содержатся в документации системы приборов PlantVital® 5000 фирмы INNO-Concept GmbH, Штраусберг, Германия (ссылка 1). Существенное доказательство того, каким образом применяется сохраненная энергия для образования гексоз через триозы (С3; Цикл Кальвина) или тетрозы (С4; Цикл Хач-Слак-Корчака), получают с помощью измерительных приборов, которые количественно определяют потребление СО2.
PlantVital® 5000 – простая, легко обслуживаемая измерительная система, которая великолепно подходит для наглядного изучения фотосинтеза в процессе биологического образования студентов(ссылка 5).
Необходимый для анализа растительный материал очень незначителен (от 4 мм до 8 мм в диаметре).
Возможность исследования процесса фотосинтеза у таких растений, как одноклеточные водоросли или хвойные растения.
Измерение происходит в термостабильной кювете, в которой измеряемое растение подвергается, согласно выбранной программе оператора, воздействию облучения с заданной плотностью потока фотонов.
Для получения дальнейшей информации обращайтесь: