SpectraPen/PolyPen手持式光谱仪应用案例——南极地衣生态监测研究

SpectraPen/PolyPen手持式光谱仪应用案例——南极地衣生态监测研究

2006年，捷克在南极James Ross岛建设了Johann Gregor Mendel站。驻扎该站的捷克马萨里克大学与捷克科学院全球变化中心的科研人员从2007年就开展研究当地藻类和地衣对南极温度升高的响应，从而评估温室效应对南极生态系统的影响。当时他们使用了专门加强极地适应能力的AquaPen/FluorPen系列手持式叶绿素荧光测量仪来检测藻类和地衣的光合生理和生长状态。AquaPen/FluorPen既可以手动操作，也具备无人值守监测叶绿素荧光的功能，在南极的严酷环境下表现良好。

之后科研人员开始使用专门设计用于监测实验的Monitoring Pen叶绿素荧光自动监测仪。Monitoring Pen在理想情况下可自动连续工作2年，配有陆地增强版和水下增强版两个版本。

左：Johann Gregor Mendel站2007-2009年使用的AquaPen/FluorPen；右：近年开始使用的Monitoring Pen

在2019年最新的研究中，研究人员使用FluorPen手持式叶绿素荧光仪、FluorCam便携式叶绿素荧光成像仪、FluorCam开放式叶绿素荧光成像系统和SpectraPen手持式光谱仪来综合研究地衣Dermatocarpon polyphyllizum的温度、干旱、高光等极端环境因素的响应机制。

FluorPen具备OJIP快速叶绿素荧光动力学曲线分析测量能力，可以快速获取与植物/藻类光合生理与胁迫响应相关的二十余项参数。通过FluorCam便携式叶绿素荧光成像仪进行的叶绿素荧光淬灭动力学（也称为慢速叶绿素荧光动力学）分析，可以获取植物/藻类光合电子传递从启动到稳定的变化过程，计算反映光化学效率、光系统热耗散、光系统开放程度等一系列参数。

不同温度处理后的地衣叶绿素荧光分析：左. OJIP快速叶绿素荧光动力学曲线；中. OJIP各项计算参数雷达图；右：叶绿素荧光淬灭动力学曲线

FluorCam叶绿素荧光成像系统除了测量上述叶绿素荧光曲线与参数，关键的优点是可以同时测量样品每个点的叶绿素荧光动力学变化，从而获得相应参数的成像图，用于反映样品整体状态与不同部位的差异，能够非常直观地展现不同处理之间的差异。

干燥、复水与高光处理的地衣叶绿素荧光成像分析：左. a干燥处理后彩色成像；b复水48小时后彩色成像；c最小荧光Fo：d最大荧光Fm；e最大光化学效率Fv/Fm；f非光化学荧光淬灭系数NPQ；右. 复水过程中荧光参数变化

在实验处理过程中，除了叶绿素荧光反映的光系统变化外，地衣的色素组成也会发生相应的显著变化。这就需要通过SpectraPen手持式光谱仪来监测其可见光-近红外波段的反射光谱变化，同时计算归一化植被指数NDVI、光化学反射指数PRI等植被指数来对这些变化进行量化。

这一系列研究为了解极端环境下光合有机体的存活和保护机制是非常重要的。

左. 复水过程中地衣不同颜色部位的光谱曲线；右. 相应的归一化植被指数NDVI和光化学反射指数PRI

参考文献：

1.Barták M, et al. 2009, Long-term study on vegetation responses to manipulated warming using open top chambers installed in three contrasting Antarctic habitats. Structure and function of antarctic terrestrial ecosystems, Masaryk University

2.Marečková M, et al. 2019. Temperature effects on photosynthetic performance of Antarctic lichen Dermatocarpon polyphyllizum: a chlorophyll fluorescence study. Polar Biology 42(4): 685–701

3.Mishra KB, et al. 2019. A correlative approach, combining chlorophyll a fluorescence, reflectance, and Raman spectroscopy, for monitoring hydration induced changes in Antarctic lichen Dermatocarpon polyphyllizum. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 208: 13-23

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