藻类测量新范式 | LI-COR推出悬浮藻类光合作用测量室6800-18

图1 6800-18悬浮藻类测量室

悬浮藻类光合作用测量一直是实验难点。传统测量方法是氧电极法，通过测量悬浮液中o₂浓度反映其光合速率。与之不同，li-cor最近推出了6800-18悬浮藻类测量室（图1）。它采用开路差分式方法，测量稳定环境条件下（co₂、光照、温度精确控制）悬浮藻类的光合co₂同化速率。同时，采用脉冲幅度调制技术（pam）监测叶绿素荧光。这一创新的测量方法使得数据更准确，开启了悬浮藻类等生物光合作用测量的新范式。

开路差分式测量原理

6800-18采用稳态开路式测量原理：根据进出测量室气流中co₂的浓度差值，结合流速，直接计算得到悬浮藻类的co₂同化速率（图2）。标准化为藻类细胞密度、藻类质量或藻类叶绿素含量后，样品同化速率可用μmol co₂ cell-1 s-1、μmol co₂ mg-1s-1或μmol co₂ μg-1 s-1来表示。

图2 开路差分式测量原理示意

先进技术，防止水汽逃逸

由于悬浮藻类样品呈溶液状态，水汽很容易从悬浮液中逸出，导致出气端气流中的h₂o含量高，对co₂的“稀释效应”大。li-cor为此研发出先进方法，有效阻挡水汽逃逸。

co₂气-液相快速平衡

精心控制的实验条件确保了co₂的“传质系数”不受限制，co₂通量值代表了样品的实际同化速率。将碳酸酐酶（ca）添加到样品悬浮液中，快速水合co₂并与碳酸氢根离子（hco3-）动态转化（图3）。

图3 精心控制的co₂气-液相快速平衡系统

稳态环境条件控制

精准co₂控制：注入系统确保整个实验过程co₂浓度稳定；

精准光照控制：6800-01a荧光测量室提供不同光质比例的精确蓝光、红光、远红光的组合；

精准温度控制：外部循环水浴装置，0-50℃范围内精准控制测量室温度。

图4 co₂_r控制为400μmol mol-1、温度控制为25℃

叶绿素荧光参数同步测量

6800-18不仅测量悬浮藻类的光合co₂同化速率，还同步测量其叶绿素荧光参数如实际光化学量子效率φpsii、电子传递速率etr、非光化学淬灭npq、psii反应中心电子受体侧关闭比例1-ql等。

图5 气体交换和叶绿素荧光参数同步测量

测量实例

光响应曲线

小球藻（chlorella）在正常氧气浓度（21％）和低氧浓度（0.5％）条件下的光响应曲线。注入系统控制进入6800-18测量室的co₂浓度：400 μmol mol-1。低氧空气来自含0.5％氧气的外部气瓶；循环水浴将测量室温度维持在25℃；培养基盐度17ppt。

图6 光响应曲线。实心圆图标代表氧气含量0.5％；空心圆图标代表氧气含量21％

荧光-光响应曲线

光强由高到低变化时，碳同化相对效率增强，表现为实际光化学量子效率φpsii增大；从数据可以看出，高氧（氧气含量为21％）和低氧（氧气含量为0.5％）实验条件对φpsii的影响很小，两者的φpsii几乎没有差别。

但是，低氧o₂浓度条件下，光呼吸被抑制，rubisco酶的rubp氧化过程减弱，这导致psii反应中心电子受体侧关闭程度增高。这一关闭程度可用叶绿素荧光参数1-ql表示。从数据可以看出，和高氧实验条件对比，低氧实验条件下，1-ql普遍要大。

图7 荧光-光响应曲线。实际光化学量子效率φpsii（圆形）和关闭反应中心占比1-ql（三角形）；0.5%o₂浓度实验条件用实心表示，21%o₂浓度用空心表示。

二氧化碳响应曲线

环境条件控制：21%氧气浓度；光照700μmol/m²/s；注入系统控制进入测量室的co₂浓度。外部水浴装置保持测量室温度25℃；tris缓冲液维持反应介质ph=7.0。

co₂浓度下降过程中，co₂同化速率逐渐下降，实际光化学量子效率φpsii（实心圆）下降，非光化学淬灭npq上升、关闭反应中心占比1-ql（空心圆）上升，光合系统逐渐转变为受能量耗损的限制。