四通道動態LED陣列近紅外光譜儀

DUAL-KLAS-NIR

同步測量PSII活性（葉綠素熒光）和PSI活性（P700）

PC（質體藍素）Fd（鐵氧還蛋白）的氧化還原變化

2016年2月Photosynthesis Research雜志發表了Schreiber博士團隊研究文章Deconvolution of ferredoxin, plastocyanin, and P700 transmittance changes in intact leaves with a new type of kinetic LED array spectrophotometer，隆重介紹了設計的DUAL-KLAS-NIR四通道動態LED陣列近紅外光譜儀。之后2016年4月，2017年3月Schreiber博士團隊再次發表文章，進一步闡述DUAL-KLAS-NIR的實際應用。

作為PSI的電子供體和電子受體，PC（質體藍素）和Fd（鐵氧還蛋白）對PSI的氧化還原起著至關重要的調控作用。但一直缺乏科學便捷的手段對其運轉狀態進行檢測。集成以DUALl-PAM-100為標志的第二代PAM的基本功能，采用*的去卷積技術（一種根據來源不同對信號進行分離的技術），WALZ公司推出了可以測量PC和Fd氧化還原狀態的新一代PAM熒光儀—DUAL-KLAS-NIR四通道動態LED陣列近紅外光譜儀。

DUAL-KLAS-NIR不但集成了Dual-PAM-100的基本功能，可以同時測量PSP和PSI，而且能夠測量4組不同波段（780-820nm，820-870nm，840-965nm，870-965nm）的信號，實現對P700（PSI反應中心）、PC和Fd的氧化還原狀態分別測量。另外，它還可以測量由540nm和460nm光化光激發的葉綠素熒光。利用DUAL-KLAS-NIR四通道動態LED陣列近紅外光譜儀，可以準同步地測量各種不同的信號，不僅在馳豫動力下，還可持續地在自然穩態下同時獲取各組分的信息。

突出特點

?  可測量活體葉片或懸浮液，對P700、PC和Fd分別進行連續的實時的去卷積分析。

?  同時測量分別由540nm（整個葉片）和460nm（表層細胞層）波段激發的兩種葉綠素熒光。

?  通過集成發光二極管技術，高度緊湊的固態照明系統，提供635nm，460nm的光化光和740nm波段遠紅光，以及635nm單周轉和多周轉飽和閃光。

?  擁有和DUAL-PAM-100相似的光學部件幾何結構，可與3010-DUAL兼容，結合GFS-3000光合儀，在可控條件（光照，溫度，濕度，CO₂濃度）下，同步測量氣體交換和電子傳遞相關的氧化還原。

?  測量光頻率范圍廣（1 - 400 kHz），允許連續評估Fo，可以在高時間分辨率下記錄快速動態瞬變（如多相熒光上升動力學或脈沖弛豫動力學）。

主要功能

?  測定質體藍素（PC），PS I反應中心（P700）和鐵氧還蛋白（Fd）的氧化還原變化。

?  通過應用創新的分析方法獲得PC，P700和Fd光譜特征。在線監測P700，PC和Fd的氧化還原變化，并確定PC / P700和Fd / P700的比值。

?  可以通過綠色或藍色PAM測量光來激發熒光。綠光比藍光更深入到葉子中。因此，綠色激發的熒光包括來自更深葉層的信息，因此非常適合與整個葉子的NIR吸收測量進行對比分析。

?  專業數據記錄軟件，入門特別簡單?？墒褂肈UAL-KLAS-NIR軟件的自動測量程序實驗，也可以編輯腳本（Script）或者保存手動測量程序（Trigger），輕松執行復雜的測量協議?？勺远x測量動作用于特殊誘導過程動力學曲線數據獲取和分析。

?  兼具慢速動力學曲線（飽和脈沖分析、誘導曲線和光響應曲線）和快速動力學曲線（飽和脈沖動力學曲線、高達30µs分辨率的馳豫動力學曲線）。

應用領域

光合作用電子傳遞過程各復合體的氧化還原狀態深入剖析，類囊體膜蛋白組分功能研究。

可廣泛應用于光合合成生物學研究相關的植物學，植物生理學，分子生物學，農學，林學的領域。

應用案例

DUAL-KLAS-NIR為光合作用開辟了一個全新的研究領域，實時顯示P700，PC和Fd在活體材料中的氧化還原狀態，在線解卷積氧化還原信號。*實現PS I及其供體側和受體側氧化還原動力學的同步測量，從而了解它們圍繞光系統I的復雜相互作用，另外還可以探究PS I周圍的循環電子傳遞的信息。

在DUAL-KLAS-NIR出現之前，測量光系統I的有效量子產量，P700信號總是會摻雜Fd的貢獻和PC的變量。上圖中圖C顯示了不同光強梯度下甘藍型油菜葉片PSI的有效PSI量子產量Y(I)，PSII的有效量子產量Y(II)和經PSI熒光修正后的PSII的有效量子產率Y(II)corr。經過修正后，Y(II)corr和Y(I)在低光強下相似（小于500μmol m^-2 s^-1）。然而，當光強大于500μmol m^-2 s^-1時，Y(I)明顯高于Y(II)，Y(I)/Y(II)可達1.45.

光系統I的有效天線尺寸測量。植物樣品從在黑暗條件轉移到光下時，在PSI附近，首先PC被氧化，開始積累，之后才是P700被氧化。單純的PC信號變化的初始斜率可以用作PS I的有效天線尺寸的度量。

右圖是放大后的PC（紅色）和P700（藍色）初始吸光度變化，顯示了他們初始斜率的巨大差異。對于黑暗適應的葉子，轉到光下的短時間內，光系統I受體側未活化，Fd還原的初始斜率也也說明了這一點。

DUAL-KLAS-NIR軟件設有一個窗口顯示P700和PC氧化還原狀態的相對變化。該功能可以用來計算PC和P700之間的表觀平衡常數。這對研究P700與其供體側的相互關系是非常重要的。

 對暗適應的葉子施加飽和脈沖，測量Fd氧化還原動力學。我們不難發現，飽和脈沖產生的電子將Fd還原，飽和脈沖之后的黑暗中，Fd被緩慢再氧化。之后，PSI的受體側的電子流被激活，再氧化動力學變得更快。在激活PSI的受體側之后，可以通過監測脈沖后Fd再氧化的速率來研究Fd的暗滅活。這些動力學變化可以通過指數擬合程序擬合。圖A給出了Fd再氧化動力學曲線指數擬合程序擬合的實例，圖B顯示了常春藤葉片不同暗適應時間后的PSI受體側的暗滅活動力學差異。

PC，P700和Fd的大NIR透射率變化與這些復合物的在樣品中的含量成比例，并且PC，P700和Fd的消光系數的比率是恒定的。這可以用于探究不同物種或不同生長條件下（例如陽生/陰生，脅迫/非脅迫）樣品的PC / P700和Fd / P700比率，以及PC和Fd庫的相對大小?，F已觀察到高PC / P700比率與高電子傳遞速率（ETR）值相關。上圖顯示，在常春藤陽生和陰生葉片中，相對于P700，它們PC和Fd含量有著顯著的不同。

主要測量參數：

?  葉綠素熒光測量：Fo, Fm, Fm’, F, Fo’, Fv/Fm, Y(II), qP, qL, qN, NPQ, Y(NO), Y(NPQ) , ETR(II)等參數，以及各種熒光動力學曲線。

?  P700測量：必須能夠測量Pm, Pm’, Y(I), ETR(I)， Y(ND)和Y(NA)等參數，以及各種P700動力學曲線。

?  PC測量：PCm, PCm’, PCox, Rel PCox

?  Fd測量：Fdm, Fdm’, Fdred, Rel Fdred, Fd/PC

?  實時顯示數據采集，可以連續顯示數據采集過程即完整的動力學曲線過程

?  軟件程序：慢速動力學曲線，快速動動力學曲線，曲線擬合

產地：德國WALZ

代表文獻

數據來源：光合作用文獻Endnote數據庫

原始數據來源：Google Scholar

1.         Shimakawa, G. and C. J. P. D. Miyake (2018). "Changing frequency of fluctuating light reveals the molecular mechanism for P700 oxidation in plant leaves."  2(7): e00073. [Dual-KLAS-NIR應用]

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3.         Nikkanen, L., et al. (2018). "Multilevel regulation of non‐photochemical quenching and state transitions by chloroplast NADPH‐dependent thioredoxin reductase." Physiologia plantarum. [Dual-KLAS-NIR應用]

4.         Nikkanen, L., et al. (2018). "Regulation of cyclic electron flow by chloroplast NADPH‐dependent thioredoxin system." Plant Direct 2(11): e00093. [Dual-KLAS-NIR應用]

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8.         Schreiber, U. (2017). "Redox changes of ferredoxin, P700, and plastocyanin measured simultaneously in intact leaves." Photosynthesis Research: 1-18. [Dual-KLAS-NIR應用]

9.         Schreiber, U. and C. Klughammer (2016). "Analysis of Photosystem I Donor and Acceptor Sides with a New Type of Online-Deconvoluting Kinetic LED-Array Spectrophotometer." Plant and Cell Physiology: pcw044. [Dual-KLAS-NIR應用]

10.     Klughammer, C. and U. Schreiber (2016). "Deconvolution of ferredoxin, plastocyanin, and P700 transmittance changes in intact leaves with a new type of kinetic LED array spectrophotometer." Photosynthesis Research.[Dual-KLAS-NIR原理]