脈沖振幅調制（PAM）熒光測(ce)量技(ji)術是選擇性打開(kai)和(he)關閉光系統II（PSII）反(fan)應中心以(yi)測(ce)定光子吸(xi)收的(de)光合量子產率的(de)最廣(guang)泛使(shi)用的(de)技(ji)術之一(yi)（Krause&Weis，1991；Bilgeret al.，1995）。PAM在光(guang)(guang)合作用(yong)研究中的(de)廣泛應用(yong)引發(fa)了(le)人們對利用(yong)遙感技術在陽光(guang)(guang)照射(she)下被動檢測葉(xie)綠素(su)熒光(guang)(guang)的(de)興趣，即所(suo)謂的(de)日光(guang)(guang)誘導葉(xie)綠素(su)熒光(guang)(guang)（SIF; Meroni et al., 2009; Porcar-Castell et al.,2014 for reviews）。通過PAM熒光技(ji)術得到與電子傳遞（PSII效率）相關的參數(shu)需要一個飽和脈(mo)沖(chong)光（>5000 μmol m-2 s-1）來暫時(shi)關(guan)閉PSII反應中心(xin)，以及一個(ge)弱脈沖調(diao)制(zhi)光(guang)（ML；Duysens，1979）來跟(gen)蹤穩態熒(ying)光產量(liang)。這種方法在被(bei)動遙感平臺上是不(bu)可行的，因(yin)此與PAM測量(liang)相比，SIF包含的信息(xi)量(liang)受到限制。盡(jin)管存在與被動(dong)葉綠素熒光測量和(he)解釋(shi)相關的困(kun)難，但近幾十年來(lai)，SIF遙(yao)感在一系列尺度上(shang)取得(de)了重大(da)進展(zhan)(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。在時間和空間上將被動和主動誘導的(de)葉綠素熒光和葉片水平的(de)氣體交(jiao)換(huan)聯系起(qi)來，有(you)助(zhu)于揭示遙(yao)感(gan)SIF和GPP在一系列尺度上的(de)關系(i.e. satellite; Joiner et al., 2011, 2013; Frankenberg etal., 2011; Guanter et al., 2012, 2014)。例如，為了更好地理(li)解SIF和(he)GPP之間的關系(xi)，包括兩個過程的匯(hui)合和(he)分歧，必須考(kao)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(zhe)一點，加州(zhou)理(li)工學院(yuan)(yuan)噴氣推進(jin)實驗室、地(di)質行(xing)星科(ke)學系，康奈(nai)爾大學土壤與作物學部(bu)，斯坦福大學卡耐基科(ke)學研究(jiu)院(yuan)(yuan)全球生態部(bu)，科(ke)羅(luo)拉多大學，西方學院(yuan)(yuan)等多家研究(jiu)機構，聯合德國(guo)WALZ公司開發了一款可同(tong)步測量光合氣體交(jiao)換、調制葉綠素熒光（PAM）和(he)日光誘導葉綠素熒光（SIF）的測量系統，相關研(yan)究成果和(he)應用(yong)展望發表在New Phytologist上。該(gai)系統是(shi)在光合熒光同步測量(liang)系統GFS-3000的基(ji)礎上稍加改造而成(cheng)。系統(tong)由GFS-3000配(pei)備(bei)3050-F光(guang)纖型PAM葉綠素(su)熒光(guang)模塊(kuai)，進行氣體(ti)(ti)交換和調制葉綠素(su)熒光(guang)的同步測量。光(guang)譜熒光(guang)部(bu)分(fen)通(tong)過整(zheng)合一部(bu)QE Pro光(guang)譜儀實(shi)現。具(ju)體(ti)(ti)見圖1的示意圖。利用該系(xi)統成功獲得了一(yi)(yi)系(xi)列光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)照條件下穩(wen)態熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和最大熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)動力學（圖(tu)3-5）。結果(guo)表明，雖(sui)然光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)葉綠(lv)(lv)素(su)(su)(su)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)產量和PAM熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)產量之間的(de)(de)相(xiang)關性(xing)一(yi)(yi)直很強，但也(ye)與(yu)波長有關，斜率(lv)遵循熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)發射(she)曲線(xian)的(de)(de)平均形狀。結果(guo)進一(yi)(yi)步表明了定量NPQ和ΦPSII的(de)(de)重要(yao)性(xing)，兩者都(dou)可以以不同的(de)(de)非線(xian)性(xing)方式(shi)改變(bian)葉綠(lv)(lv)素(su)(su)(su)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)產量（圖(tu)6）。該方法的(de)(de)另一(yi)(yi)個優點是較高的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)采樣(yang)頻率(lv)（如此處(chu)所(suo)示為(wei)0.2秒），可用于觀(guan)察(cha)葉綠(lv)(lv)素(su)(su)(su)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)猝(cu)滅(mie)的(de)(de)快(kuai)速響應動力學(Francket al., 2005; Buschmann, 2007)。在(zai)(zai)葉(xie)片(pian)尺度上，我們證(zheng)明了Fλ和(he)Anet（圖(tu)7）在(zai)(zai)實(shi)驗(yan)中每個光(guang)響應曲線(xian)之(zhi)間(jian)(jian)簡單的(de)環(huan)境和(he)物種的(de)不同關(guan)系(xi)。在(zai)(zai)圖(tu)7的(de)示例(li)中，在(zai)(zai)不同物種和(he)條件(jian)下觀察(cha)到Fλ和(he)Anet之(zhi)間(jian)(jian)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)，其中Fλ在(zai)(zai)Anet達到光(guang)飽(bao)和(he)后繼續增加（圖(tu)7）。最近(jin)，使用機(ji)載儀器進行的研究(jiu)為我們理(li)解波長依賴性和擴展(zhan)SIF的潛力做出了重大貢獻，盡(jin)管這些研究(jiu)主(zhu)要集中在(zai)760和687 nm，表明這些波長的比率(lv)可用于推斷作物脅迫(Rascher et al., 2015; Wieneke et al., 2016)。本文所述儀器的(de)未來工作應(ying)檢查(cha)目前星(xing)載平臺（OCO-2、GOME-2、GOSAT）測(ce)量的(de)波長，并調查(cha)一系(xi)列(lie)環境條件(jian)和(he)不同物種(zhong)下，紅(hong)色(se)和(he)遠(yuan)紅(hong)色(se)熒光之間的(de)比率(see reviews by Buschmann, 2007; A_c et al.,2015)。此(ci)外，全面(mian)了(le)解(jie)葉(xie)綠素熒光(guang)(guang)發射光(guang)(guang)譜對于(yu)評估在未(wei)來儀器開(kai)發（即NASA OCO-3、ESA FLEX）和SIF解(jie)釋(shi)中(zhong)如何外推(tui)紅色和遠紅色熒光(guang)(guang)（及其比(bi)率）至關重要。這方(fang)面(mian)的(de)研究不(bu)僅有助于(yu)解(jie)釋(shi)星載平臺上SIF的(de)波長依賴性(xing)，而(er)且還可以更好地理解(jie)SIF的(de)大小如何隨時間和環境(jing)條件而(er)變化。
圖1 光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)合(he)(he)氣體交換、調制(zhi)葉(xie)(xie)綠(lv)素熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)、日光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)誘導葉(xie)(xie)綠(lv)素熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)同步測量系統(tong)示意(yi)圖(tu)(tu)(a)。開始照(zhao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)后的(de)(de)(de)(de)典型(xing)脈(mo)沖(chong)振幅(fu)調制(zhi)（PAM）葉(xie)(xie)綠(lv)素熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)曲(qu)線(xian)。請(qing)注(zhu)(zhu)意(yi)，顏(yan)色(se)（藍(lan)色(se)和(he)粉色(se)）代(dai)表驅(qu)動信號的(de)(de)(de)(de)燈光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)，盡管(guan)PAM所有(you)(you)參數都(dou)是由藍(lan)色(se)LED計算得出(chu)的(de)(de)(de)(de)。(b) 紅外氣體分(fen)析系統(tong)（IRGA）的(de)(de)(de)(de)基本原理圖(tu)(tu)，在(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)照(zhao)射(she)下（時(shi)間與（a）類似(si)），顯示光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)響應曲(qu)線(xian)（凈光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)合(he)(he)速率）。(c) 葉(xie)(xie)室(shi)示意(yi)圖(tu)(tu)，PAM和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜儀（QE Pro）的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖插入，以及PAM和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)LED光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)發(fa)出(chu)的(de)(de)(de)(de)代(dai)表性(xing)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)。請(qing)注(zhu)(zhu)意(yi)，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)LED光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)為90%的(de)(de)(de)(de)紅色(se)LED和(he)10%的(de)(de)(de)(de)藍(lan)色(se)LED，并且在(zai)(zai)短通(tong)濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片的(de)(de)(de)(de)作用下有(you)(you)所衰減（在(zai)(zai)濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片下方(fang)顯示稍淺的(de)(de)(de)(de)“粉色(se)”）。在(zai)(zai)葉(xie)(xie)片表面(mian)(mian)有(you)(you)一個光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)合(he)(he)有(you)(you)效(xiao)輻(fu)射(she)（PAR）傳感器， PAM和(he)QE Pro耦合(he)(he)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖束末(mo)端與葉(xie)(xie)片表面(mian)(mian)距(ju)離約(yue)2mm。(d) 與Fm, λ和(he)Fm’, λ（由Blue LED激發(fa)）和(he)Ft, λ（由Actinic LED激發(fa)）相關的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)曲(qu)線(xian)，其與（a）中熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)軌跡所示的(de)(de)(de)(de)時(shi)間相對(dui)應。
圖2 概念圖強調(diao)了光(guang)(guang)響應(ying)曲(qu)線開(kai)始期間(jian)（包(bao)括第一和第二光(guang)(guang)強梯度）光(guang)(guang)譜(pu)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(Fλ)和脈沖振(zhen)幅調(diao)制（PAM）熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)參數的(de)(de)推(tui)導(dao)過(guo)程(cheng)。(a) 從光(guang)(guang)譜(pu)和PAM得到(dao)最大熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)參數。光(guang)(guang)譜(pu)(Fm, λ和Fm’,λ)，PAM(Fm和Fm’)。(b) 將圖(a)放大（注意y軸的(de)(de)單位）強調(diao)光(guang)(guang)譜(pu)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)信(xin)號(Fλ)，相當于日光(guang)(guang)誘導(dao)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)（SIF）。(c) 通過(guo)PAM得到(dao)的(de)(de)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)強度（Ft）對吸收光(guang)(guang)強（aPAR）不敏感，與光(guang)(guang)譜(pu)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)產量(liang)（ΦFt,λ = Fλ/ aPAR×leaf absorption）疊加。樣本來自未受脅(xie)迫的(de)(de)大葉櫟(li)，光(guang)(guang)譜(pu)為700-800 nm范(fan)圍的(de)(de)均值(zhi)。對參數更詳(xiang)細全面的(de)(de)描述，詳(xiang)見(jian)支持信(xin)息圖S6.
圖3 （a）未受脅迫大(da)葉櫟脈沖振幅調(diao)制（PAM）最大(da)熒光產(chan)(chan)量(Fm和(he)Fm’)和(he)5個樣(yang)本波段（686,740,757,771和(he)800nm）光譜最大(da)熒光產(chan)(chan)量(Fm, λ和(he)Fm’, λ)的相(xiang)關性。（b）不同物(wu)種和(he)條件(jian)下各波長(chang)的最大(da)熒光產(chan)(chan)量的確定(ding)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 飽和脈(mo)沖誘導的最大熒(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)發射(Fm, λ和Fm’, λ)（a-d）和光(guang)(guang)(guang)(guang)化光(guang)(guang)(guang)(guang)誘導的熒(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)發射(Fλ)（e-h）。藍色為(wei)槭樹(shu)，綠色為(wei)大葉櫟。a, e,c, g未受脅(xie)迫，b, f, d, h為(wei)脅(xie)迫后(hou)。顏色梯度表示(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)響應曲(qu)線入(ru)射光(guang)(guang)(guang)(guang)合作用活化光(guang)(guang)(guang)(guang)強度（PAR, μmol m-2 s-1），顏色越(yue)(yue)深表示PAR越(yue)(yue)低。
圖5 （a）不(bu)(bu)同物種(zhong)和(he)條件的最(zui)(zui)大(da)光譜(pu)熒光發射(Fm, λ和(he)Fm’, λ)曲線(xian)比(bi)較。根(gen)據(ju)PAR=0（實線(xian)）和(he)PAR=1500（虛線(xian)）的最(zui)(zui)大(da)Fm, λ或Fm’,λ進行(xing)標(biao)準化。（b）不(bu)(bu)同物種(zhong)和(he)條件的穩態光譜(pu)熒光發射(Fλ)曲線(xian)比(bi)較。根(gen)據(ju)PAR=0（實線(xian)）和(he)PAR=1500（虛線(xian)）的最(zui)(zui)大(da)Fλ進行(xing)標(biao)準化。注意主(zhu)要發射光源分別(bie)為(wei)藍光（a）和(he)紅(hong)光（b）LED。
圖(tu)6 未(wei)受脅迫槭樹光(guang)(guang)響應(ying)曲(qu)(qu)線(xian)過程中通過脈沖振幅調制（PAM）獲得的(de)(de)穩(wen)態葉綠素熒光(guang)(guang)產量(liang)Ft和(he)(he)光(guang)(guang)譜(pu)(ΦFt, λ: 波長686, 740, 800)與非光(guang)(guang)化(hua)學淬滅NPQ（a），光(guang)(guang)系統(tong)II量(liang)子產量(liang)ΦPSII（b），CO2產量(liang)ΦCO2（c）的(de)(de)關系。（b）中的(de)(de)疊加數(shu)(shu)據(ju)為(wei)光(guang)(guang)合作用(yong)與能量(liang)的(de)(de)土(tu)壤冠層觀(guan)測(ce)（SCOPE）模(mo)型的(de)(de)2種參數(shu)(shu)（見材料與方法(fa)部分，此處(chu)被稱為(wei)SCOPE1和(he)(he)SCOPE2）。PAM和(he)(he)光(guang)(guang)譜(pu)葉綠素熒光(guang)(guang)產量(liang)數(shu)(shu)據(ju)根據(ju)光(guang)(guang)響應(ying)曲(qu)(qu)線(xian)中的(de)(de)最大值進行了標準化(hua)。為(wei)了讓(rang)趨勢可(ke)視(shi)化(hua)，對(dui)所有關系應(ying)用(yong)多項(xiang)式模(mo)型。
圖7 不同物種(zhong)和(he)條件下(xia)686 nm（a）和(he)740nm（b）穩態光(guang)譜(pu)熒光(guang)(Fλ)與光(guang)合(he)作用（Anet）的(de)關系。數據點為每個(ge)(ge)光(guang)強梯(ti)度下(xia)穩態Anet和(he)Fλ的(de)平(ping)均值，誤差線表示每個(ge)(ge)光(guang)強梯(ti)度下(xia)的(de)±SE。
—— 原(yuan)文 ——
Magney, T.S., Frankenberg, C., Fisher, J.B., et al. . New Phytol, 2017, 215: 1594-1608.
