Флуоресценция хлорофилла

${\displaystyle F_{0}}$: Минимальная флуоресценция (в относительных единицах). Уровень флуоресценции в условиях, когда предполагается, что все реакционные центры открытые (темновая адаптация).

${\displaystyle F_{m}}$: Максимальная флуоресценция (в относительных единицах). Уровень флуоресценции при вспышках высокой интенсивности. Все реакционные центры считаются закрытыми.

${\displaystyle {F_{0}}'}$: Минимальная флуоресценция (в относительных единицах) в условиях адаптации к свету. Уровень флуоресценции облучаемого образца, который снижен по сравнению с ${\displaystyle F_{0}}$ из-за наличия нефотохимического тушения.

${\displaystyle {F_{m}}'}$: Максимальная флуоресценция (в относительных единицах) в условиях адаптации к свету. Уровень флуоресценции образца, облучаемого насыщающими импульсами света, которые временно закрывают все реакционные центры ФСII.

${\displaystyle F_{tr}}$: Терминальная флуоресценция (в относительных единицах). Тушение флуоресценции по состоянию на конец теста.

${\displaystyle T_{1/2}}$: Половина времени нарастания от ${\displaystyle F_{0}}$ до ${\displaystyle F_{m}}$.

${\displaystyle F_{v}}$: Вариабельная флуоресценция. Рассчитывается как ${\displaystyle F_{v}}$ = ${\displaystyle F_{m}}$ — ${\displaystyle F_{0}}$[3].

${\displaystyle {\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}}$: Отношение переменной флуоресценции и максимальной флуоресценции. Рассчитывается как ${\displaystyle {\frac {F_{m}-F_{0}}{F_{m}}}}$.[4]. Является мерой максимальной эффективности ФСII (если все центры были открыты). ${\displaystyle {\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}}$ можно использовать для оценки потенциальной эффективности ФСII, если измерять образцы в условиях темновой адаптации.

${\displaystyle qP}$: Фотохимическое тушение. этот параметр даёт приблизительную оценку доли открытых реакционных центров ФСII. Рассчитывается как ${\displaystyle {\frac {{F_{m}}'-F}{{F_{m}}'-{F_{0}}'}}}$[5].

${\displaystyle \Phi _{PSII}}$: Эффективность фотохимических реакций фотосистемы II. Рассчитывается как ${\displaystyle Y_{(II)}}$ = ${\displaystyle {\tfrac {{F_{m}}'-F}{{F_{m}}'}}}$[6]. Этот параметр показывает долю света, поглощённого ФСII, который использовался в фотохимических реакциях. Как таковой, он может дать измерение скорости линейного транспорта электронов и поэтому характеризует весь фотосинтез в целом.

${\displaystyle \Phi _{PSII}}$ даёт оценку эффективности фотосинтеза, а ${\displaystyle qP}$ и ${\displaystyle {\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}}$ говорят нам какие процессы влияют на эффективность. Закрытие реакционных центров в результате высокой интенсивности света изменит значение ${\displaystyle qP}$. Изменения в эффективности нефотохимического тушения изменит соотношение ${\displaystyle {\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}}$.

Измерение уровня фотосинтеза Y(II) при помощи портативного флуориметра в полевых условиях.

Флуоресценция хлорофилла используется для измерения уровня фотосинтеза, но по сути своей это чрезмерное упрощение. По флуоресценции можно измерить эффективность фотохимии ФСII, которую можно использовать для оценки скорости линейного транспорта электронов путём умножения на интенсивность света. Однако, когда исследователи говорят «фотосинтез», они обычно подразумевают фиксацию углерода. Транспорт электронов и фиксация CО₂ имею довольно хорошую корреляцию, но её может не наблюдаться в полевых условиях из-за таких конкурирующих процессов как фотодыхание, азотистый обмен и реакция Мелера.

Для одновременного измерения флуоресценции хлорофилла и газообмена, чтобы получить полную картину реакции растений на их окружение необходима серьёзная и сложная исследовательская техника. Один из методов заключается в одновременном измерении фиксации СО₂ и фотохимических реакций ФСII при различной интенсивности света, в условиях подавляющих фотодыхание. Графики фиксации СО₂ и фотохимических реакций ФСII позволяют вычислить количество электронов, необходимых для ассимиляции одной молекулы СО₂. Исходя из этой оценки можно оценить уровень фотодыхания. Этот метод используется для исследования значимости фотодыхания в качестве фотозащитного механизма во время засухи.

• Собраду (2008)[7] исследовал газообмен и флуоресценцию хлорофилла в ответ на высокую интенсивность света у пионерных и лесных видов. В полдень производился замер газообмена листьев с измерением общего уровня фотосинтеза и межклеточной концентрации СО₂ (${\displaystyle C_{i}}$). В тех же листьях измерялись параметры флуоресценция хлорофилла (фоновая ${\displaystyle F_{0}}$; максимум ${\displaystyle F_{m}}$; и переменная, ${\displaystyle F_{v}}$). Результаты показали, что, несмотря на то, что пионерные и лесные виды происходят из разных местообитаний, и те и другие показали схожую подверженность полуденному фотоингибированию.

Флуоресценция хлорофилла позволяет измерить уровень стресса растений. По её уровню можно судить об уровне воздействия абиотических стрессов, поскольку экстремальные температуры, избыточное освещение и засуха негативно влияют на метаболизм растений. Это в свою очередь приводит к дисбалансу между поглощением световой энергии хлорофиллом и использованием этой энергии в процессе фотосинтеза[8].

• Фаваретто и соавт. (2010)[9] исследовали адаптацию к сильному свету у пионерных и поздних сукцессионных видов, выращенных в условиях 100 % (на солнце) и 10 % (в тени) от нормального освещения. Снижение ${\displaystyle {\tfrac {F_{v}}{F_{m}}}}$ при полном освещении оказалось больше у поздних сукцессионных видов, чем у пионерных видов. В целом эти результаты показывают, что пионерные виды лучше растут при полном освещении, чем позднесукцессионные виды, что предполагает наличие у них высокой толерантности к фотоокислительным повреждениям.
• Неоклеус и Vasilakakis (2009)[3] исследовали реакциюмалины на бор и солевой стресс. При помощи флуориметра они замерили ${\displaystyle F_{0}}$, ${\displaystyle F_{m}}$ и ${\displaystyle F_{v}}$. Флуоресценция хлорофилла листа незначительно зависела от концентрации NaCl, когда концентрация бора была низкой. Когда концентрацию бора увеличивали, флуоресценция хлорофилла листьев снижалась тех же условиях засоления. Можно сделать вывод, что комбинированное воздействие бора и NaCl на малину вызывает токсический эффект, влияя на фотохимические параметры.

Пример многопараметрического портативного флуориметра, который измеряет соотношение между хлорофиллом и флавоноидами, чтобы обнаружить дефицит азота у растений.

Учитывая связь между содержанием хлорофилла и азота в листьях, содержание хлорофилла можно использовать для обнаружения дефицит азота у растений. Для этого существует несколько разных методов.

Оказалось, что можно судить об азотистом метаболизме растений по уровню полифенолов. Когда растение находится в оптимальных условиях, это способствует нормальному обмену веществ и синтезу белков (основная форма биологического азота), хлорофиллов, и небольшого количества флавоноидов (вторичные метаболиты). С другой стороны, в случае нехватки азота, наблюдается повышенная выработка флавоноидов[10].

Индекс азотистого баланса позволяет оценить содержание азота в естественных условиях путём расчёта соотношения между хлорофиллом и флавоноидами.

Гительзон (1999) постулировал: «Соотношение между флуоресценцией хлорофилла при 735 нм и в диапазоне длин волн от 700 нм до 710 нм, линейно связано с содержанием хлорофилла (с коэффициентом детерминации r2 более чем 0,95) и таким образом может быть использовано как точный показатель содержания хлорофилла в листьях растений.»[11]

Методы, основанные на эффекте Каутского, не исчерпывают всего многообразия методов измерения флуоресценции хлорофилла. В частности, последние достижения в области лазер-индуцированной флуоресценции (LIF) предоставляют возможность для разработки достаточно компактных и эффективных сенсоров для определения фотофизиологического статуса и оценки биомассы. Вместо измерения общего потока флуоресценции такие датчики регистрируют оптическую плотность этого потока, возбуждённого сильным лазерными импульсами наносекундной длительности. Такой метод не требует 15 — 20 мин темновой адаптации (как в случае с методами, основанными на эффекте Каутского[14]) и даёт возможность возбуждать образец со значительного расстояния. LIF-сенсоры могут обеспечить быструю и оценку с довольно большого расстояния.