脈沖振幅調制（PAM）熒光(guang)(guang)測(ce)量技術是選擇性打開和(he)關閉光(guang)(guang)系統II（PSII）反(fan)應中心以測(ce)定光(guang)(guang)子(zi)吸收的(de)(de)光(guang)(guang)合量子(zi)產率(lv)的(de)(de)最廣泛使用的(de)(de)技術之(zhi)一（Krause&Weis，1991；Bilgeret al.，1995）。PAM在(zai)光(guang)(guang)合(he)作用研究中的廣泛應用引發了人們(men)對利(li)用遙感(gan)技術在(zai)陽光(guang)(guang)照(zhao)射下被動檢測葉綠(lv)素熒光(guang)(guang)的興趣，即所謂的日光(guang)(guang)誘(you)導葉綠(lv)素熒光(guang)(guang)（SIF; Meroni et al., 2009; Porcar-Castell et al.,2014 for reviews）。通過PAM熒光(guang)技術(shu)得到與電子傳遞（PSII效率(lv)）相關(guan)的參(can)數需要(yao)一個飽和脈沖(chong)光(guang)（>5000 μmol m-2 s-1）來暫時(shi)關閉PSII反應中心，以及一個弱脈沖調(diao)制(zhi)光（ML；Duysens，1979）來跟蹤穩態(tai)熒光產量(liang)。這(zhe)種方法在被動遙感平(ping)臺上是不可行的，因此與(yu)PAM測量(liang)相比，SIF包含的信息量(liang)受到(dao)限制。盡管存在(zai)與被動(dong)葉綠素熒光測量和解釋相(xiang)關的困(kun)難，但近幾十年來，SIF遙感在(zai)一系(xi)列(lie)尺度上取得(de)了重大進(jin)展(e.g. Gamonet al., 1990; Zarco-Tejada et al., 2003, 2012; Moya et al., 2004; Meroni &Colombo, 2006; Guanter et al., 2007; Damm et al., 2010; Yang et al., 2015)。雖然這些研究很有前景，但光譜葉綠素熒光與葉片水平CO2交換之間的直接聯系尚未建立。在(zai)時間和(he)空間上(shang)將被動和(he)主動誘導的葉綠素熒光和(he)葉片水平的氣體交換聯(lian)系起來，有助于揭示遙感SIF和(he)GPP在(zai)一系列(lie)尺(chi)度(du)上(shang)的關系(i.e. satellite; Joiner et al., 2011, 2013; Frankenberg etal., 2011; Guanter et al., 2012, 2014)。例如(ru)，為了更好地(di)理(li)解SIF和GPP之間的關系，包括兩個過程的匯合和分歧(qi)，必須考慮NPQ的變化。通過同時測量光化學（PAM）、CO2氣體交換和光譜葉綠素熒光輻射的產量，我們可以探索SIF信號中的真實信息內容。為了實現這一點，加州理工學(xue)(xue)(xue)院噴氣推進實驗室、地(di)質行星(xing)科(ke)學(xue)(xue)(xue)系(xi)，康奈爾大學(xue)(xue)(xue)土壤與作物學(xue)(xue)(xue)部，斯坦福(fu)大學(xue)(xue)(xue)卡耐基科(ke)學(xue)(xue)(xue)研(yan)究(jiu)院全球生態部，科(ke)羅拉多大學(xue)(xue)(xue)，西方學(xue)(xue)(xue)院等多家(jia)研(yan)究(jiu)機構(gou)，聯合(he)德國WALZ公司開發了一款可同步(bu)測(ce)量光(guang)(guang)(guang)合氣體(ti)交(jiao)換(huan)、調制(zhi)葉綠素(su)熒(ying)光(guang)(guang)(guang)（PAM）和日光(guang)(guang)(guang)誘導葉綠素(su)熒(ying)光(guang)(guang)(guang)（SIF）的測(ce)量系統，相(xiang)關(guan)研究成果和應用展望(wang)發表在New Phytologist上(shang)。該系(xi)統是(shi)在光(guang)合(he)熒光(guang)同步測量系(xi)統GFS-3000的基礎(chu)上稍(shao)加改(gai)造而成。系(xi)統由GFS-3000配(pei)備(bei)3050-F光(guang)(guang)纖型PAM葉綠素(su)熒光(guang)(guang)模塊，進行(xing)氣體交換和調制葉綠素(su)熒光(guang)(guang)的(de)同步(bu)測量(liang)。光(guang)(guang)譜熒光(guang)(guang)部(bu)分通(tong)過整(zheng)合一(yi)部(bu)QE Pro光(guang)(guang)譜儀實(shi)現。具體見圖1的(de)示(shi)意圖。利用(yong)該(gai)系統成功(gong)獲得(de)了一系列光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)照條件下穩態熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和(he)最大熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜動力(li)學（圖(tu)3-5）。結(jie)果表(biao)明，雖然光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜葉綠素(su)熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)產量和(he)PAM熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)產量之間的(de)(de)相關性一直很(hen)強，但也(ye)與波長(chang)有關，斜率遵循熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)發(fa)射曲線(xian)的(de)(de)平均形狀。結(jie)果進一步表(biao)明了定量NPQ和(he)ΦPSII的(de)(de)重要性，兩(liang)者都可以以不同的(de)(de)非線(xian)性方(fang)式改(gai)變葉綠素(su)熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)產量（圖(tu)6）。該(gai)方(fang)法的(de)(de)另(ling)一個優(you)點是較(jiao)高的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜采樣頻率（如(ru)此(ci)處所示為0.2秒），可用(yong)于觀察(cha)葉綠素(su)熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)猝滅的(de)(de)快速(su)響應動力(li)學(Francket al., 2005; Buschmann, 2007)。在(zai)葉片尺度上，我們證明(ming)了Fλ和Anet（圖(tu)7）在(zai)實驗中(zhong)每個光響(xiang)應曲線(xian)之間簡單的(de)環境(jing)和物種的(de)不同(tong)關系(xi)。在(zai)圖(tu)7的(de)示例中(zhong)，在(zai)不同(tong)物種和條件下(xia)觀察(cha)到Fλ和Anet之間的(de)非線(xian)性關系(xi)，其中(zhong)Fλ在(zai)Anet達到光飽和后繼續增加(jia)（圖(tu)7）。最近，使用(yong)機載儀器進行的研(yan)究為(wei)我(wo)們理解(jie)波長(chang)依賴性和擴(kuo)展SIF的潛(qian)力做出了重大(da)貢獻，盡管這些(xie)研(yan)究主要集中在760和687 nm，表明(ming)這些(xie)波長(chang)的比率可用(yong)于推斷(duan)作物脅迫(po)(Rascher et al., 2015; Wieneke et al., 2016)。本文(wen)所述儀(yi)器的未來工作應(ying)檢查(cha)目前星載(zai)平臺（OCO-2、GOME-2、GOSAT）測量的波長，并調(diao)查(cha)一系列環境條(tiao)件和不同物種(zhong)下，紅色和遠紅色熒光之間的比率(see reviews by Buschmann, 2007; A_c et al.,2015)。此外，全面了(le)解(jie)葉綠素熒光(guang)發(fa)射(she)光(guang)譜對于(yu)評估(gu)在未來儀器(qi)開發(fa)（即NASA OCO-3、ESA FLEX）和(he)SIF解(jie)釋中如(ru)(ru)何外推(tui)紅色(se)和(he)遠紅色(se)熒光(guang)（及(ji)其比率(lv)）至關重要。這方(fang)面的(de)研究不僅有助于(yu)解(jie)釋星載平臺上SIF的(de)波長(chang)依(yi)賴性，而且還(huan)可以更好地理解(jie)SIF的(de)大小如(ru)(ru)何隨(sui)時間和(he)環境條件而變化。
圖1 光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)合(he)氣體交(jiao)換、調(diao)制(zhi)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)素(su)熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)、日光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)誘導葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)素(su)熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)同步測(ce)量系(xi)統(tong)示(shi)意圖(tu)(a)。開始照光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)后的(de)(de)(de)(de)(de)典型(xing)脈沖振幅調(diao)制(zhi)（PAM）葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)綠(lv)素(su)熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)曲線(xian)。請注意，顏色(se)（藍色(se)和(he)(he)(he)粉色(se)）代表驅動信(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)燈光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)顏色(se)，盡管PAM所有(you)(you)參數都是(shi)由(you)(you)藍色(se)LED計(ji)算得出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)。(b) 紅(hong)(hong)外氣體分(fen)析系(xi)統(tong)（IRGA）的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)本原(yuan)理圖(tu)，在(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化(hua)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)照射下（時(shi)間與（a）類似），顯(xian)示(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)響(xiang)應曲線(xian)（凈(jing)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)合(he)速(su)率）。(c) 葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)室示(shi)意圖(tu)，PAM和(he)(he)(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜儀(yi)（QE Pro）的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖插入，以(yi)及(ji)PAM和(he)(he)(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化(hua)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)LED光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源發(fa)出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)代表性光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)顏色(se)。請注意，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化(hua)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)LED光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源為90%的(de)(de)(de)(de)(de)紅(hong)(hong)色(se)LED和(he)(he)(he)10%的(de)(de)(de)(de)(de)藍色(se)LED，并且在(zai)(zai)短通濾光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下有(you)(you)所衰減（在(zai)(zai)濾光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)(pian)下方顯(xian)示(shi)稍淺的(de)(de)(de)(de)(de)“粉色(se)”）。在(zai)(zai)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)表面(mian)(mian)有(you)(you)一個光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)合(he)有(you)(you)效輻射（PAR）傳感器(qi)， PAM和(he)(he)(he)QE Pro耦合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖束末端與葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)表面(mian)(mian)距(ju)離約2mm。(d) 與Fm, λ和(he)(he)(he)Fm’, λ（由(you)(you)Blue LED激發(fa)）和(he)(he)(he)Ft, λ（由(you)(you)Actinic LED激發(fa)）相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)曲線(xian)，其與（a）中熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)軌(gui)跡所示(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)間相(xiang)對應。
圖2 概(gai)念圖強(qiang)(qiang)調(diao)了光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)響應曲線開始(shi)期間（包(bao)括第一和(he)第二(er)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)強(qiang)(qiang)梯度(du)）光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(Fλ)和(he)脈沖振(zhen)幅調(diao)制（PAM）熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數的(de)推導(dao)過(guo)程。(a) 從光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)和(he)PAM得到(dao)最大(da)(da)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(Fm, λ和(he)Fm’,λ)，PAM(Fm和(he)Fm’)。(b) 將圖(a)放大(da)(da)（注意y軸(zhou)的(de)單位）強(qiang)(qiang)調(diao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)號(hao)(Fλ)，相當于日(ri)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)誘導(dao)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)（SIF）。(c) 通過(guo)PAM得到(dao)的(de)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)強(qiang)(qiang)度(du)（Ft）對吸(xi)收(shou)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)強(qiang)(qiang)（aPAR）不敏感，與(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)產量（ΦFt,λ = Fλ/ aPAR×leaf absorption）疊加。樣本來(lai)自(zi)未受脅(xie)迫的(de)大(da)(da)葉櫟(li)，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)為700-800 nm范圍的(de)均值(zhi)。對參(can)數更詳細(xi)全面的(de)描述，詳見支持信(xin)息圖S6.
圖3 （a）未受脅(xie)迫大(da)葉櫟脈(mo)沖(chong)振幅(fu)調制（PAM）最大(da)熒光產(chan)量(Fm和(he)(he)Fm’)和(he)(he)5個樣本波(bo)段（686,740,757,771和(he)(he)800nm）光譜最大(da)熒光產(chan)量(Fm, λ和(he)(he)Fm’, λ)的相關(guan)性(xing)。（b）不同物種和(he)(he)條(tiao)件下(xia)各波(bo)長的最大(da)熒光產(chan)量的確定系數（R2）。（c）PAM實時熒光（Ft）和光譜熒光產量（ΦFt,λ）的關系。（d）不同品種和條件下各波長穩態熒光產量的確定系數（R2）
圖4 飽(bao)和脈沖(chong)誘(you)導的(de)最大(da)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)發射(Fm, λ和Fm’, λ)（a-d）和光(guang)(guang)化光(guang)(guang)誘(you)導的(de)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)發射(Fλ)（e-h）。藍色(se)為槭樹，綠色(se)為大(da)葉櫟。a, e,c, g未(wei)受脅(xie)迫，b, f, d, h為脅(xie)迫后。顏(yan)色(se)梯(ti)度表示光(guang)(guang)響應曲線(xian)入射光(guang)(guang)合作用活化光(guang)(guang)強度（PAR, μmol m-2 s-1），顏色越深表(biao)示PAR越低。
圖5 （a）不同物(wu)種(zhong)和條(tiao)件的(de)最(zui)大(da)光(guang)譜熒(ying)光(guang)發(fa)射(she)(Fm, λ和Fm’, λ)曲線比(bi)(bi)較。根(gen)據PAR=0（實(shi)線）和PAR=1500（虛線）的(de)最(zui)大(da)Fm, λ或Fm’,λ進(jin)行(xing)(xing)標準化(hua)(hua)。（b）不同物(wu)種(zhong)和條(tiao)件的(de)穩態光(guang)譜熒(ying)光(guang)發(fa)射(she)(Fλ)曲線比(bi)(bi)較。根(gen)據PAR=0（實(shi)線）和PAR=1500（虛線）的(de)最(zui)大(da)Fλ進(jin)行(xing)(xing)標準化(hua)(hua)。注意主要發(fa)射(she)光(guang)源分別為藍光(guang)（a）和紅光(guang)（b）LED。
圖(tu)6 未受脅迫槭(qi)樹光(guang)響(xiang)應曲線(xian)過(guo)程中(zhong)通過(guo)脈沖振幅調制(zhi)（PAM）獲得的穩(wen)態葉(xie)綠(lv)素熒(ying)光(guang)產量(liang)(liang)(liang)(liang)Ft和光(guang)譜(ΦFt, λ: 波長686, 740, 800)與(yu)(yu)非(fei)光(guang)化學淬滅NPQ（a），光(guang)系統II量(liang)(liang)(liang)(liang)子產量(liang)(liang)(liang)(liang)ΦPSII（b），CO2產量(liang)(liang)(liang)(liang)ΦCO2（c）的關(guan)(guan)系。（b）中(zhong)的疊加(jia)數(shu)據為光(guang)合作用與(yu)(yu)能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)的土壤冠(guan)層觀(guan)測(ce)（SCOPE）模型的2種(zhong)參數(shu)（見材料與(yu)(yu)方法部分，此處被稱為SCOPE1和SCOPE2）。PAM和光(guang)譜葉(xie)綠(lv)素熒(ying)光(guang)產量(liang)(liang)(liang)(liang)數(shu)據根(gen)據光(guang)響(xiang)應曲線(xian)中(zhong)的最大(da)值(zhi)進行了(le)標準化。為了(le)讓趨勢可視(shi)化，對所有關(guan)(guan)系應用多項式模型。
圖7 不同物(wu)種和(he)條件下(xia)686 nm（a）和(he)740nm（b）穩態(tai)光(guang)譜熒光(guang)(Fλ)與光(guang)合作用（Anet）的關系。數(shu)據點(dian)為每個光(guang)強(qiang)梯(ti)度下(xia)穩態(tai)Anet和(he)Fλ的平均值，誤差線(xian)表示每個光(guang)強(qiang)梯(ti)度下(xia)的±SE。
—— 原文(wen) ——
Magney, T.S., Frankenberg, C., Fisher, J.B., et al. . New Phytol, 2017, 215: 1594-1608.
處暑，止(zhi)也，暑氣至此(ci)而止(zhi)矣。
