光聲光譜技術(shù)在光合作用研究中的應(yīng)用

光聲光譜技術(shù)在光合作用研究中的應(yīng)用
1當(dāng)光照射密閉容器里的樣品時(shí)，容器內(nèi)能產(chǎn)生聲 波，這一現(xiàn)象稱為光聲效應(yīng)。光聲光譜是基于光聲效 應(yīng)的一種光譜技術(shù)。早在1880年Bell就發(fā)現(xiàn)了光聲 效應(yīng)，但直到20世紀(jì)70年代，Robin和Rosencwaig 的研究工作n 表明光聲光譜法可以用來測(cè)定傳統(tǒng)光 譜法難以測(cè)定的光散射強(qiáng)或不透明樣品時(shí)，光聲光譜 才開始引起人們的廣泛重視。近年來，隨著新光源、 學(xué)和生物技術(shù)研究特別支持項(xiàng)目共同資助。 聲傳感技術(shù)以及微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)不斷進(jìn)步，加上光 聲光譜學(xué)理論逐步完善，光聲光譜技術(shù)得到迅速發(fā) 展。目前，光聲光譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、 生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域。 20世紀(jì)70年代中期以來，研究者開始應(yīng)用光聲 光譜技術(shù)研究光合作用。Adams等 得到完好和搗 碎了的菠菜葉子的光聲光譜圖，與所提取的葉綠素的 吸收光譜完全一致；Malkin等[3 首先應(yīng)用光聲光譜 技術(shù)來檢測(cè)光合作用的能量利用效率；Buhs等 發(fā) 現(xiàn)在氣態(tài)光聲池裝置下出現(xiàn)的強(qiáng)烈信號(hào)來自光合作 用放氧；Poulet’~：2提供了分析光聲矢量信號(hào)的數(shù)學(xué)分 析方法，針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的氣體吸收信號(hào)以及為區(qū)分 光聲放氧信號(hào)和氣體吸收信號(hào)；Reising等 組建了 氣態(tài)脈沖式光聲儀�？傊�在不到30a時(shí)間，光聲技術(shù) 被越來越廣泛地運(yùn)用到光合作用研究領(lǐng)域。

l 光合作用研究中光聲光譜技術(shù)的特點(diǎn) 光聲光譜技術(shù)目前已普遍應(yīng)用于光合作用的研 究，相比于其它技術(shù)．
光聲光譜技術(shù)具有獨(dú)特的特點(diǎn)。 (1)光聲光譜技術(shù)是目前光合作用放氧測(cè)定技術(shù)中時(shí) 間分辨率最好的一項(xiàng)技術(shù)。這是因?yàn)槠胀ㄑ蹼姌O是通 過電化學(xué)的方式，而光聲光譜技術(shù)通過物理的光聲效 應(yīng)來檢測(cè)放氧信號(hào)。(2)利用光聲技術(shù)可以方便地研 究葉片的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和環(huán)式電子傳遞生理功能，而過去 對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換和環(huán)式電子傳遞的研究主要利用葉綠體。 (3)利用光聲技術(shù)可以監(jiān)測(cè)到光合作用中快速C()! 吸收情況，而這一點(diǎn)用常規(guī)的氣體交換技術(shù)是很難實(shí) 現(xiàn)的。(4)利用光聲技術(shù)還可以了解光合反應(yīng)中心在 照光后因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)重排而導(dǎo)致的體積變化，從而研 究這種體積變化對(duì)瞬態(tài)光譜吸收數(shù)據(jù)造成的影響。 (5)利用光聲光譜結(jié)合葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可以很好地研 究自然狀態(tài)下葉片的抗逆生理機(jī)制L7]。(6)利用光聲 光譜技術(shù)可以直接測(cè)量光熱效應(yīng)，也即所吸收的光能 有多少轉(zhuǎn)化為非輻射的熱耗散，而目前常用的葉綠素 熒光技術(shù)只能間接估計(jì)熱耗散所占的份額。(7)光聲 光譜技術(shù)還能測(cè)定光合過程中的能量轉(zhuǎn)化效率等等。 光聲光譜技術(shù)特點(diǎn)的體現(xiàn)是與不斷發(fā)展的光聲 光譜理論和不斷改進(jìn)的光聲光譜設(shè)備緊密相關(guān)的。

2 光合作用研究中光聲信號(hào)分析 光聲信號(hào)可以為氣態(tài)環(huán)境中的微音器和液態(tài)環(huán) 境中的壓電傳感器所檢測(cè)到。 用于光合作用研究的光聲光譜儀有四種類型．即 氣態(tài)調(diào)制型光聲光譜儀、氣態(tài)脈沖型光聲光譜儀、液 態(tài)脈沖型光聲光譜儀．以及目前已經(jīng)出現(xiàn)液態(tài)調(diào)制型 光聲光譜儀 。 對(duì)氣態(tài)光聲光譜儀而言，如果光合樣品是葉片， 氣體交換信號(hào)和樣品周圍氣體的熱漲縮是產(chǎn)生的光 聲信號(hào)的主要組分。兩種組分的物理學(xué)性質(zhì)不一樣， 熱組分從葉綠體逸散到周圍空氣中的速度比氣體交 換組分要快。 對(duì)于氣態(tài)脈沖式光聲儀而言，由于上面所說的物 理學(xué)性質(zhì)上的差異，第一個(gè)光脈沖所產(chǎn)生的光聲信號(hào) 是光聲熱信號(hào)，其后均為氣體交換信號(hào)，這樣就可以 區(qū)分這兩種組分 。 ；對(duì)于氣態(tài)調(diào)制型光聲光譜儀，當(dāng) 加上飽和背景光時(shí)，光合系統(tǒng)處在飽和狀態(tài)，光合氣 體交換速率不變，而光熱組分隨調(diào)制光變化，利用鎖 相放大器將光熱信號(hào)檢測(cè)出來，這樣可以區(qū)分這兩種 組分。；如果將調(diào)制頻率提高到100Hz以上。這時(shí)放 氧信號(hào)跟不上調(diào)制頻率的變化，鎖相放大器只能將光 熱信號(hào)檢測(cè)出來，采用這種方法也可以區(qū)分這兩種組 分；此外，可以利用特殊的傳感器來區(qū)分這兩種組分， 如LiNbO。壓電傳感器晶體與氣體之間的聲學(xué)阻抗 不匹配，因此，只能檢測(cè)到光熱信號(hào)l】 。 。 如果光合樣品是葉綠體懸浮液等液態(tài)制品(包括 PSⅡ和PS l的光合反應(yīng)中一12,)，氣態(tài)光聲光譜儀只能 檢測(cè)到熱漲效應(yīng)，這是因?yàn)樵谝后w中，氧的逸散途徑 變長(zhǎng)以及液體表面的存在，大大衰減了放氧信號(hào)并導(dǎo) 致調(diào)制放氧頻率變小，因而鎖相放大器不能檢測(cè) 到 。液態(tài)光聲光譜儀不僅可以檢測(cè)到熱漲效應(yīng)。而 且可以檢測(cè)到反應(yīng)中心的體積變化 ，熱漲效應(yīng)與樣 品溫度相關(guān)而反應(yīng)中心的體積變化與光照強(qiáng)度相關(guān)。 由于光合樣品吸收一部分光能進(jìn)行光合作用，將 能量?jī)?chǔ)存于光合作用的中間和最終產(chǎn)物，這種作用與 光合樣品的光聲熱漲效應(yīng)相競(jìng)爭(zhēng)，降低了光聲熱信 號(hào)，降低部分的相對(duì)值即為能量?jī)?chǔ)存或稱光化學(xué)損 失。對(duì)葉片能量?jī)?chǔ)存的測(cè)定一般將調(diào)制頻率調(diào)高到 100Hz以上，或采用水滲葉的方式 。 氣態(tài)光聲技術(shù)還能檢測(cè)光聲放氧信號(hào)的相對(duì)大 �。�稱為氧的相對(duì)量子產(chǎn)率。

3 光合作用研究中光聲技術(shù)的發(fā)展 影響光聲效應(yīng)的因子很多，如樣品的物理結(jié)構(gòu)、 傳導(dǎo)性質(zhì)及葉圓片的氣體交換等，因此，光聲技術(shù)和 裝置是多種多樣的。
3．1 氣態(tài)光聲檢測(cè) 通常所用的光聲技術(shù)是將樣品置人含有微小體 積氣體的光聲池中，檢測(cè)光聲效應(yīng)所引起的氣體壓強(qiáng) 的變化．Ducharme等 首先設(shè)計(jì)了這種光聲裝置用 于光合作用。這種裝置很適合于活體葉(離體的或非 離體的)的光聲測(cè)量，可以方便地測(cè)定放氧的相對(duì)量 子產(chǎn)率、能量?jī)?chǔ)存等。
氣態(tài)光聲光譜儀一般由電源、光源、光聲池、傳 感器、放大電路和輸出設(shè)備構(gòu)成。傳感器一般采用微 音器；放大電路有兩種選擇，對(duì)于調(diào)制型光聲光譜儀， 放大部分采用鎖相放大器只對(duì)同頻率的信號(hào)進(jìn)行放 大，這樣可以提高儀器的信噪比并排除其它非調(diào)制信 號(hào)的干擾 ，對(duì)于脈沖型光聲光譜儀。利用精密的放 大電路直接將信號(hào)放大。研究者對(duì)氣態(tài)光聲光譜儀進(jìn) 行了各種改進(jìn)以用于不同的研究目的，比如為研究植 物葉片不同層次細(xì)胞的光能利用情況，Han等 巧 妙地改進(jìn)這種氣態(tài)調(diào)制式的光聲儀，使之可以測(cè)定葉 片不同層次的細(xì)胞的放氧相對(duì)量子效率。
氣態(tài)的光聲裝置有以下的局限性：(1)因?yàn)楣饴?池體積微小(

3．2 液態(tài)光聲檢測(cè) 利用壓電傳感器可以對(duì)滲水葉、葉綠體懸浮液等 液態(tài)制品因照射光而產(chǎn)生的光聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。此時(shí) 光聲池不必密封，氣態(tài)光聲檢測(cè)技術(shù)所出現(xiàn)的局限性 都可以避免，并且可以將時(shí)間分辨率提高到1 ms以 內(nèi)_ 。Brumfeld等 改進(jìn)的液態(tài)調(diào)制式光聲技術(shù)將 調(diào)制頻率提高到10 kHz(也即每周期100 s)，十分 有利于研究光合反應(yīng)中心從微秒級(jí)到毫秒級(jí)的反應(yīng)。 此外，液態(tài)脈沖式光聲儀的時(shí)間分辨率已經(jīng)達(dá)到50 ps 。 液態(tài)光聲檢測(cè)的局限性在于不能檢測(cè)光合氣體 交換信號(hào)，只能檢測(cè)光聲光熱信號(hào)和體積信號(hào)的變 化。溫度計(jì)| 溫度表| 風(fēng)速計(jì)| 照度計(jì)| 噪音計(jì)| 輻照計(jì)| 聲級(jí)計(jì)| 溫濕度計(jì)| 紅外線測(cè)溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計(jì)| 露點(diǎn)儀| 亮度計(jì)| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀| 光功率計(jì)| 粒子計(jì)數(shù)器| 粉塵計(jì)|

3．3 光聲技術(shù)與葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的結(jié)合 普遍認(rèn)為光聲放氧信號(hào)、光聲熱信號(hào)與葉綠素?zé)?光有密切的關(guān)系。為研究這種關(guān)系，Snel等 聲與熒光結(jié)合的儀器，光聲池的下表面同時(shí)置上檢測(cè) 光聲信號(hào)的聲敏傳感器和檢測(cè)熒光的PAM101儀的 光纖。Kolbowski等 將脈沖式氣態(tài)光聲與PAM101 熒光儀結(jié)合起來，初步顯示了熒光、光聲放氧、光聲 能量?jī)?chǔ)存和光聲氣體吸收信號(hào)的同時(shí)測(cè)量。

 4 光聲光譜技術(shù)在光合作用中的應(yīng)用
4．1 光譜掃描 如果單獨(dú)考慮光聲光熱效應(yīng)，則光聲光譜技術(shù)可 以用來進(jìn)行非破壞性的植物色素吸收光譜的掃描。改 變調(diào)制頻率和位相可以進(jìn)行不同深度色素掃描分 析 一。此外，不同深度的能量?jī)?chǔ)存掃描結(jié)合光纖 微探測(cè)器可以用來研究不同層次葉肉組織的光能利 用梯度 。但這種光譜掃描的方法具有一定的局限 性，即光聲能量?jī)?chǔ)存信號(hào)疊加在光聲熱信號(hào)上，會(huì)對(duì) 色素吸收光譜造成影響 。
4．2 光聲能量?jī)?chǔ)存的性質(zhì) Carpentier等 ” 采用氣態(tài)調(diào)制型光聲技術(shù)研 究了光系統(tǒng)I(PS I)和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的能量?jī)?chǔ) 存性質(zhì)，能量?jī)?chǔ)存能量?jī)?chǔ)存的倒數(shù)與入射光強(qiáng)I呈線 性關(guān)系，DCMU處理大大降低PSⅡ的能量?jī)?chǔ)存的光 飽和曲線中的半光強(qiáng)i50；電子受體鐵氰化鹽(Fe (CN) 。)也降低了PS Ⅱ 的i50； 二氯靛酚藍(lán) (DCIP)／四甲基對(duì)苯二胺(TMPD)增大了DCMU 處 理的PSⅡ的i50值，這些結(jié)果說明，PSⅡ的能量?jī)?chǔ)存 值反映在調(diào)制周期時(shí)間內(nèi)光照導(dǎo)致的PSⅡ還原側(cè)質(zhì) 體醌庫(kù)(PQ庫(kù))的還原狀態(tài)。電子供體、電子受體 對(duì)PS I反應(yīng)中心能量?jī)?chǔ)存的影響結(jié)果說明，PS I的 能量?jī)?chǔ)存也反應(yīng)在調(diào)制周期時(shí)間內(nèi)PS I還原側(cè)FeS 中心的還原狀態(tài)�！�?。
4．3 環(huán)式電子傳遞 以PS I為中心的環(huán)式電子傳遞在生理上的功能 和意義一直不太清楚，其中原因之一是很難直接測(cè)量 自然狀態(tài)下環(huán)式電子傳遞。近年來通過光聲技術(shù)對(duì) PS I的能量?jī)?chǔ)存的研究，給出了環(huán)式電子傳遞存在 的有力證據(jù)。Veeranjaneyulu等 ⋯研究光聲放氧信號(hào) 和能量?jī)?chǔ)存信號(hào)的波長(zhǎng)譜，放氧到710 nm處降到0， 而能量?jī)?chǔ)存在700～ 720 nm 處還仍然存在； Carpentier等 用DCMU 處理綠藻后發(fā)現(xiàn)還存在一 小部分的能量?jī)?chǔ)存；Canaani等 ¨利用光聲技術(shù)發(fā)現(xiàn) 在光抑制的情況下Ps l儲(chǔ)存一定的能量；Canaani 等 對(duì)綠藻(Dunaliella salina)進(jìn)行鹽脅迫處理 (4M)，與對(duì)照相比，710 nm的能量?jī)?chǔ)存上升、而解 耦聯(lián)劑nigericin抑制這種能量?jī)?chǔ)存的上升趨勢(shì)；而 DCMU所抑制不了的能量?jī)?chǔ)存可以用2，5-dibromo一 3 methyl 6-isoprophyl—P benzoquinone(DBMIB)完全 抑制，這些結(jié)果都說明存在以PS I為中心的環(huán)式電 子傳遞，而且這種電子傳遞對(duì)植物抗逆性起了十分重 要的作用。 研究者利用光聲技術(shù)對(duì)環(huán)式電子傳遞儲(chǔ)能的大 小和PS I參與環(huán)式電子傳遞的程度以及環(huán)式電子流 的大小和類型進(jìn)行討論 “ 。Jacque 胡利用電子受 體和抑制劑研究一種藻()hlamydomonas reinhardtii， 以PS I為中心的環(huán)式電子傳遞的類型：一種環(huán)式電 子傳遞對(duì)DBMIB／MV(甲基紫精)敏感，說明PQ和 鐵氧還蛋白參與其間；一種對(duì)抗酶菌素A(ANT)、粘 噻唑菌醇和2 n—heptyl 4一hydroxyquinoline N oxide (HQNO)敏感，說明細(xì)胞色素b6(Cytb6)參與其間； 一種為NADPH 所調(diào)節(jié)。
4．4 狀態(tài)轉(zhuǎn)變與愛默生效應(yīng) 在光合系統(tǒng)中，兩光系統(tǒng)的能量分配可以發(fā)生變 化，稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)變；愛默生增強(qiáng)效應(yīng)直接反映在狀態(tài) I下能量分配有利于PSⅡ這一現(xiàn)象。利用光聲技術(shù) 可以方便地研究狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及愛默生增強(qiáng)效應(yīng)。 對(duì)于在狀態(tài)I下能量分配有利于PSⅡ，而在狀 態(tài)Ⅱ下兩個(gè)光系統(tǒng)的能量分配趨于平衡的機(jī)制目前 仍解釋得不清楚，有研究者認(rèn)為激能滿溢造成了能量 從光系統(tǒng)Ⅱ向光系統(tǒng)l的傾斜。激能滿溢假說有許多 爭(zhēng)議，另一種可能原因是捕光色素蛋白復(fù)合物Ⅱ (I CH Ⅱ)的磷酸化并向基粒非垛疊區(qū)的PS I移 動(dòng) ’ ，增大了PS I的吸收光的截面積。 Canaani等 利用光聲技術(shù)和熒光技術(shù)研究一 種藻Nostoe在710nm 光下的愛默生效應(yīng)，結(jié)果說明 在從狀態(tài)I轉(zhuǎn)變到狀態(tài)Ⅱ時(shí)，有15 ～21％ 的能量 從PSⅡ轉(zhuǎn)移到PS I。在這種狀態(tài)轉(zhuǎn)變中捕光色素蛋 白復(fù)合物I (I HC I)／Ⅱ被磷酸化并發(fā)生可逆移 動(dòng)一“ ，這種轉(zhuǎn)移導(dǎo)致PS I／PSⅡ吸收截面積的顯著 變化～ ，用磷酸化酶的抑制劑NaF可以抑制狀態(tài)改 變的發(fā)生 。 然而用I CH Ⅱ的磷酸化并不能完全解釋狀態(tài)轉(zhuǎn) 變發(fā)生的機(jī)理。Canaani等一 發(fā)現(xiàn)缺失葉綠素的突變 苗的狀態(tài)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的原因是激能滿溢，而正常植株卻 是PS I／ps I吸收截面積改變?cè)斐蔂顟B(tài)轉(zhuǎn)變。 Mullineaux等一 。用液態(tài)脈沖式光聲儀測(cè)量一種藻 ((Tyanobacte, ia1)的細(xì)胞在狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中630 nm 處光熱變化過程，發(fā)現(xiàn)在狀態(tài)I和狀態(tài)Ⅱ下光熱組分 均為2O 左右，說明在狀態(tài)Ⅱ下，藻膽蛋白體細(xì)胞的 捕光復(fù)合物并沒有離開PSⅡ 。
4．5 應(yīng)用液態(tài)脈沖式光聲儀研究光反應(yīng)中心的原初 光化學(xué)過程 通常用超快速吸收光譜研究反應(yīng)中心的電子傳 64 遞過程，但是照光后的反應(yīng)中心由于分子重排導(dǎo)致結(jié) 構(gòu)發(fā)生變化，這種結(jié)構(gòu)變化可能對(duì)光譜造成影響l_4 。 近年來研究者應(yīng)用液態(tài)脈沖式光聲技術(shù)對(duì)反應(yīng)中心 在納秒級(jí)到微秒級(jí)內(nèi)光誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究。液 態(tài)脈沖光聲信號(hào)由熱信號(hào)和結(jié)構(gòu)變化引起的體積變 化信號(hào)所組成，區(qū)分這兩種信號(hào)可以采用降低溫度的 方法，在4(、左右熱變化信號(hào)消失，只存在體積變化 信號(hào)。出現(xiàn)的光聲負(fù)信號(hào)被認(rèn)為是分子重排導(dǎo)致的結(jié) 構(gòu)變化引起的， 出現(xiàn)的時(shí)間在5O ns以內(nèi) j， 對(duì)于 Phodobacter sp—R一26光合細(xì)菌，這種結(jié)構(gòu)變化發(fā)生在 Behl P Q 和BchlP Q 一之間。這種結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致 的體積變化大致在10×10 。m／mll3 、20×10 。m／ ml～ 和32×10 。m／ml 之間，由于時(shí)間分辨率目前 還到不10ps， 還需要進(jìn)一步研究。
4。6 光聲瞬態(tài)研究 用氣態(tài)調(diào)制光聲技術(shù)檢測(cè)的暗適應(yīng)葉受光照后 出現(xiàn)一個(gè)短周期的光聲信號(hào)(產(chǎn)生時(shí)間小于1 s)，文 獻(xiàn) 上稱為Oxygen Gush。同時(shí)或隨后出現(xiàn)一系列的 復(fù)雜的瞬態(tài)，包括光熱信號(hào)(能量?jī)?chǔ)存信號(hào))，氧氣 釋放信號(hào)，氣體吸收信號(hào)，最后趨向于穩(wěn)態(tài)H ’ 。 這種復(fù)雜的光聲動(dòng)態(tài)變化曲線和光照強(qiáng)度，暗適應(yīng)時(shí) 間、溫度、氣體成分等環(huán)境因子相關(guān)。 暗適應(yīng)葉在重新照光時(shí)，葉綠素?zé)晒庋杆偕仙��?同時(shí)光聲信號(hào)的放氧組分下降l_4 ’”]。Malkin E44 3對(duì)暗 適應(yīng)11 min的葉照70Wm。!強(qiáng)調(diào)制光時(shí)，觀察到氧 峰的下降沿與熒光的上升沿明顯相關(guān)。可能說明水到 PQ庫(kù)電子傳遞受限從而導(dǎo)致熒光上升而放氧下降。 一般而言，會(huì)出現(xiàn)第2個(gè)峰。在高濃度CO 下出現(xiàn)負(fù) 信號(hào)，該負(fù)信號(hào)被認(rèn)為代表與光反應(yīng)過程結(jié)合緊密的 氣體吸收。HavauxL4。 認(rèn)為第1個(gè)氧氣釋放峰與葉綠 素?zé)晒獾? P段線性相關(guān)，其他的并沒有顯著的線 形關(guān)系。Bukhov等 對(duì)成熟葉測(cè)光聲變化和可變熒 光淬滅組分Afast／Aslow之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)光照初期 20 S內(nèi)，Afast／Aslow沒有變化而氧峰出現(xiàn)下降，光 化學(xué)淬滅不變；20 S過后，Afast／Aslow與光聲信號(hào) 的線性相關(guān)程度逐漸變大。光化學(xué)淬滅變大。這說明 在光照初期20 s內(nèi)，光系統(tǒng)Ⅱ的初級(jí)電子受體(Q ) 全部還原而電子傳遞到PS I的能力低。在20 s之后， 光合活性增強(qiáng)，Afast／Aslow變大說明線性電子傳遞 變強(qiáng)�？赡艿�1個(gè)氧峰反映的是誘導(dǎo)初期PSⅡ的電 子傳遞的瓶頸現(xiàn)象 。 由于高頻下光聲的信噪比變小，因而較難準(zhǔn)確地 觀察到能量?jī)?chǔ)存的瞬態(tài)變似“]。Snel等 。。以370 Hz 的調(diào)制光測(cè)定光化學(xué)能量損失光化學(xué)損失，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng) 飽和背景光(30Win～。)下存在雙相變化，快過程反 映光合最小熱耗散(小于10 ms，此時(shí)光合機(jī)構(gòu)處在 最有效狀態(tài))；慢過程1 S內(nèi)完成，在這個(gè)時(shí)間段非光 化學(xué)淬滅并未形成，因而說明光合系統(tǒng)的電子傳遞受 限。在前30 S內(nèi)，放氧與光化學(xué)損失不成比例，可能 是某種電子傳遞并未伴隨著能量?jī)?chǔ)存的產(chǎn)生。 Malkin等 E 用水滲葉在低頻下觀察能量?jī)?chǔ)存的瞬態(tài) 變化，一開始出現(xiàn)最大光熱信號(hào)(即能量?jī)?chǔ)存最小)． 隨后趨于穩(wěn)態(tài)。然而這種瞬態(tài)并未小到可以忽視的程 度，因此，他認(rèn)為這種能量?jī)?chǔ)存瞬態(tài)可能反映PS I途 徑的電子傳遞(內(nèi)源電子供體或循環(huán)式電子傳遞)。30 min暗適應(yīng)可使這種能量?jī)?chǔ)存瞬態(tài)達(dá)到最小。低光強(qiáng) 的能量?jī)?chǔ)存瞬態(tài)接近于穩(wěn)態(tài)而高光強(qiáng)的能量?jī)?chǔ)存瞬 態(tài)值下降。說明甚至在光合誘導(dǎo)的初期，低光強(qiáng)下的 PSⅡ仍保持著有效的光化學(xué)電子傳遞。誘導(dǎo)期問光 聲熱信號(hào)也曾出現(xiàn)幾個(gè)瞬態(tài)峰，與放氧和氣體吸收峰 相對(duì)應(yīng)。 在研究光聲放氧動(dòng)力學(xué)的過程中，有研究者發(fā)現(xiàn) 在某些情況下出現(xiàn)氣體吸收信號(hào) 。]。光聲氣體吸收 信號(hào)是與光聲氧氣釋放信號(hào)疊加在一起的，為區(qū)分這 兩種信號(hào)，Kolbowski等l9 設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制的脈沖調(diào) 制系統(tǒng)分析光聲信號(hào)．發(fā)現(xiàn)氧氣釋放峰在5 ms，而氣 體吸收峰在7 ms。Reising等 利用這種結(jié)合熒光的 新型光聲儀進(jìn)一步研究光聲氣體吸收瞬態(tài)。發(fā)現(xiàn)氣體 吸收和類囊體膜能量化有緊密的關(guān)系，非光化學(xué)淬滅 上升伴隨著氣體凈釋放的略微下降。高濃度的CO 誘導(dǎo)這種氣體吸收的發(fā)生。在MV存在的情況下，低 濃度的氧氣和高濃度的氧氣環(huán)境中，氣體吸收峰面積 不一致，說明這種氣體吸收并不是(1，5一二磷酸核酮 糖羧化酶／加氧酶)催化的羧化或加氧反應(yīng)。因此目 前認(rèn)為這種氣體吸收有兩種可能：(1)因?yàn)楣庹T導(dǎo)的 基粒pH值升高 ¨隨后高pH值誘導(dǎo)碳酸鹽的形成 導(dǎo)致CO!的吸收 ；(2)各種類型的() 吸收 。日本萬用MULTI| 日本三和SANWA| 日本橫河YOKOGAWA| 日本日置HIOKI| 日本加野KANOMAX| 日本新宇宙COSMOS| 日本凱世KAISE| 日本新寶SHIMPO| 日本愛宕ATAGO 光聲氣體信號(hào)中出現(xiàn)氣體吸收信號(hào)，但這種氣體 吸收信號(hào)到底是() 吸收還是CO 吸收?如果不解決 這個(gè)問題，光聲技術(shù)研究在檢測(cè)光合作用氣體信號(hào)上 就有很大的局限性。Reising等。。 應(yīng)用光聲脈沖調(diào)制 技術(shù)，加入碳酸酐酶的抑制劑ethoxyzolamide，部分 抑制了這種吸收信號(hào)，但不影響()。釋放和熒光誘導(dǎo) 曲線，暗示這種吸收是CO 快速溶解所致(為碳酸酐 酶所催化)。Havaux等 在研究熱脅迫時(shí)發(fā)現(xiàn)48(、3 min熱脅迫導(dǎo)致氣體吸收的產(chǎn)生。起初他認(rèn)為這種氣 體吸收是熱脅迫導(dǎo)致的Mehler反應(yīng)加速進(jìn)行。在隨 后的研究中，Havaux等 認(rèn)為這種氣體吸收是快速 的CO�？焖偃芙�，熱導(dǎo)致的這種氣體吸收對(duì)DCMU 不敏感，對(duì)PC抑制劑HgC1 敏感，這些結(jié)果說明了 廣西科學(xué) 2004年2月 第11卷第1期 熱脅迫下氣體吸收聯(lián)系著PS I，而與PSⅡ無關(guān)。 Tabrize等 對(duì)CO 吸收曲線增加了一個(gè)修正系數(shù)， 解決了CO 吸收曲線隨其濃度變化的影響，其實(shí)驗(yàn) 結(jié)果證明這種氣體吸收與質(zhì)子梯度的建立緊密相關(guān)。 Reising等 胡用煙草突變植株再次證明這種氣體吸收 是CO 快速吸收。 如果這種氣體吸收是CO：快速吸收的話，可以 用光聲技術(shù)研究自然狀態(tài)下碳酸酐酶在光合作用中 的功能，而在以前是很難做到這一點(diǎn)的 ；可以采用 Poulet等 的方法精確得到放氧的相對(duì)量子產(chǎn)率；此 外， 可以更好解釋Canaani等h ]所謂的弱光適應(yīng) 態(tài)。
4．7 環(huán)境脅迫
4．7．1 熱脅迫與冷脅迫 Havaux等 ” 用光聲技術(shù)測(cè)量?jī)煞N蠶豆葉片在 熱脅迫下的氧相對(duì)量子產(chǎn)率和能量?jī)?chǔ)存，發(fā)現(xiàn)耐熱品 種的氧相對(duì)量子產(chǎn)率和能量?jī)?chǔ)存比不耐熱品種保持 穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)，而能量?jī)?chǔ)存又比放氧穩(wěn)定。這說明PS I較PSⅡ?qū)�熱脅迫不敏感。低光強(qiáng)可以保護(hù)蠶豆葉 片抵抗40(、的溫和脅迫，而且熱脅迫刺激了PS I的 能量?jī)?chǔ)存，這說明與PS I相連的環(huán)式磷酸化活性增 強(qiáng)以產(chǎn)生ATP來修補(bǔ)被破壞的PSⅡ “ 。此外，48 C 脅迫下3 min光聲信號(hào)出現(xiàn)的氣體吸收被認(rèn)為是 Mehler反應(yīng)所產(chǎn)生的() 光還原 。Havaux等_6門研 究PS I對(duì)熱脅迫的短期響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)PS I存在著獨(dú)立 于PSⅡ的電子流途徑，這說明在熱脅迫條件下PS I 存在著一種自我保護(hù)機(jī)制。 Yakir等 結(jié)合葉綠素?zé)晒夂凸饴暭夹g(shù)研究 冷脅迫對(duì)西紅柿葉片的影響發(fā)現(xiàn)黑暗中冷脅迫對(duì)氧 釋放量子產(chǎn)率、葉綠素?zé)晒夂投�氧化碳的吸收均無明 顯的影響，而一旦照光，三者均急劇下降。
4．7．2 光抑制 Buschman 在研究中發(fā)現(xiàn)蘿卜子葉被強(qiáng)光(600 W ·m )抑制1 5 min內(nèi)，能量?jī)?chǔ)存大大減小，同時(shí) 伴隨可變熒光的降低。Havaux 在329Hz頻率下測(cè) 豌豆葉片的光熱值，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)光(4000／xmol photons／ m!×S)下15 min內(nèi)，光熱值增長(zhǎng)了兩倍，而在685 nm處葉綠素?zé)晒夂头叛跣盘?hào)(14 Hz)都降低。這說 明非輻射的熱耗散的升高是葉片對(duì)強(qiáng)光的一種保護(hù) 機(jī)制的反映，在強(qiáng)光脅迫下，光合系統(tǒng)把吸收的過多 能量以熱的形式散發(fā)出去。Canaani等∽ 發(fā)現(xiàn)能量?jī)?chǔ) 存要比氧氣釋放對(duì)光抑制不敏感，這也許是環(huán)式磷酸 化的作用。 光抑制下光聲熱信號(hào)升高的機(jī)理目前并不清楚， 一個(gè)觀點(diǎn)認(rèn)為光系統(tǒng)熱耗散的升高伴隨著類囊體pH 值梯度的建立和熒光發(fā)射的降低 。葉綠素?zé)晒獾?能量淬滅qE反映了質(zhì)子梯度的建立，然而qE在暗 中數(shù)秒內(nèi)即恢復(fù)，而光聲熱在暗中恢復(fù)很慢。 。 Havaux等 ” 用(DTT)二硫代蘇糖醇處理受光抑制 的葉片，抑制了玉米黃素的形成，同樣造成了光熱值 的上升，說明熱散失升高不是因?yàn)橛衩�黃素形成導(dǎo) 致。 4．7．3 水分脅迫 用光聲技術(shù)和熒光技術(shù)結(jié)合起來的方法對(duì)水分 脅迫下的西紅柿葉片的研究表明，PSⅡ的人工電子 供體可以減緩干旱對(duì)PSⅡ氧化側(cè)的傷害，PS I相對(duì) 來說不受干旱影響，狀態(tài)I到狀態(tài)Ⅱ的改變受到抑 制，這使葉片處在狀態(tài)I，光能量分配有利于PS Ⅱ一 �？焖俚乃�分脅迫主要影響PSⅡ的氧化側(cè)，而 慢的水分消耗在前6 d主要影響能量?jī)?chǔ)存，PS I保持 穩(wěn)定，進(jìn)一步的缺水將損害PS I，使雙光增益大大降 低：。 。

5 結(jié)束語(yǔ) 應(yīng)用光聲光譜技術(shù)在研究光合作用的過程中出 現(xiàn)了許多新的現(xiàn)象需要解釋，比如說光熱信號(hào)與葉綠 素?zé)晒獾哪芰看銣缰�間的關(guān)系；光聲放氧信號(hào)中出現(xiàn) 的氧峰信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理；光聲氣體吸收信號(hào)到底是 o：吸收還是CO：的快速溶解；光聲檢測(cè)到的反應(yīng)中 心在原初光化學(xué)反應(yīng)過程中體積變化所發(fā)生的時(shí)間 和大小等等。這些現(xiàn)象有的已得到初步結(jié)論，有的還 在研究過程中，但無疑光聲光譜技術(shù)在光合作用研究 中的應(yīng)用大大開拓了視野，豐富了我們對(duì)光合作用機(jī) 理的認(rèn)識(shí)。

 脅迫下的西紅柿葉片的研究表明，PSⅡ的人工電子 供體可以減緩干旱對(duì)PSⅡ氧化側(cè)的傷害，PS I相對(duì) 來說不受干旱影響，狀態(tài)I到狀態(tài)Ⅱ的改變受到抑 制，這使葉片處在狀態(tài)I，光能量分配有利于PS Ⅱ一 �？焖俚乃�分脅迫主要影響PSⅡ的氧化側(cè)，而 慢的水分消耗在前6 d主要影響能量?jī)?chǔ)存，PS I保持 穩(wěn)定，進(jìn)一步的缺水將損害PS I，使雙光增益大大降 低：。 。

5 結(jié)束語(yǔ) 應(yīng)用光聲光譜技術(shù)在研究光合作用的過程中出 現(xiàn)了許多新的現(xiàn)象需要解釋，比如說光熱信號(hào)與葉綠 素?zé)晒獾哪芰看銣缰�間的關(guān)系；光聲放氧信號(hào)中出現(xiàn) 的氧峰信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理；光聲氣體吸收信號(hào)到底是 o：吸收還是CO：的快速溶解；光聲檢測(cè)到的反應(yīng)中 心在原初光化學(xué)反應(yīng)過程中體積變化所發(fā)生的時(shí)間 和大小等等。這些現(xiàn)象有的已得到初步結(jié)論，有的還 在研究過程中，但無疑光聲光譜技術(shù)在光合作用研究 中的應(yīng)用大大開拓了視野，豐富了我們對(duì)光合作用機(jī) 理的認(rèn)識(shí)。