李亞迪，崔會坤，李征明，鄒秋穎，紀(jì)建偉

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

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基于LED激發(fā)光源的葉綠素?zé)晒鈪?shù)監(jiān)測的植物生理分析

李亞迪，崔會坤，李征明，鄒秋穎，紀(jì)建偉*

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

試驗設(shè)計了一套葉綠素?zé)晒庠诰€檢測系統(tǒng)，通過MINI-PAM熒光儀可以實時檢測到植物葉綠素的熒光參數(shù)，并采用LED光源模擬不同的光照條件，測量了植物在不同條件下的熒光參數(shù)以及快速光響應(yīng)曲線。檢測系統(tǒng)通過232串口通信協(xié)議同上位機通信，利用WinControl軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與保存。結(jié)果表明，適宜的光照可以大大促進植物PSⅡ的最大量子產(chǎn)量，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，受環(huán)境脅迫的植物的光合作用受到明顯的抑制。

葉綠素?zé)晒?；調(diào)制熒光儀；串口通信；可編程電流源

光合作用是植物的重要化學(xué)反應(yīng)，為生物所有的生命活動提供能量來源，可以說光合作用對于維持地球生態(tài)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)起著關(guān)鍵的作用。葉綠素?zé)晒饪梢宰鳛樘剿髦参锕夂献饔玫奶结榌1]。

葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)現(xiàn)象最早由Kautsky發(fā)現(xiàn)并和光合作用聯(lián)系起來的，經(jīng)過長時間的探索并逐漸形成了熒光誘導(dǎo)理論。如果將經(jīng)過一定時間暗適應(yīng)的葉子照光后，發(fā)現(xiàn)葉綠素?zé)晒鈴姸葧S時間而改變，同時也與CO2的固定有關(guān)。葉綠素分子處于較低激發(fā)態(tài)時有3種途徑釋放能量回到穩(wěn)定的基態(tài)，以熱能形式散掉、光合作用和產(chǎn)生熒光，葉綠素?zé)晒庖话阄挥诩t光區(qū)和紅外區(qū)?，F(xiàn)常用于分析葉綠素?zé)晒鈪?shù)的技術(shù)稱葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)技術(shù)，其在測定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用。

葉綠素?zé)晒饽芊从彻饽芪?，同時所有光合作用過程的變化都能通過葉綠素?zé)晒鈾z測出來，而熒光測定技術(shù)不需破碎細胞，不傷害生物體，因此通過研究葉綠素?zé)晒鈦黹g接研究光合作用的變化是一種簡便、快捷、可靠的方法[2]。

1　系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)由LED陣列輻射模塊，可編程恒流電源模塊，環(huán)境因子檢測模塊，系統(tǒng)控制模塊，MINIPAM熒光儀和上位機等模塊組成(圖1)。

環(huán)境因子檢測模塊對被測植物所處環(huán)境的溫度、濕度、CO2濃度和光照度等進行檢測，并將控制結(jié)果傳給系統(tǒng)控制模塊。MINI-PAM熒光儀將對葉綠素的熒光參數(shù)進行檢測分析，同時通過232串口通信協(xié)議傳送給上位機，上位機通過232串口通信協(xié)議同系統(tǒng)控制模塊通信，可獲得環(huán)境因子的信息，也可以對其發(fā)出控制命令。系統(tǒng)控制模塊可以調(diào)控可編程電源模塊電流的大小，而電源模塊供給LED陣列模塊電流的大小，能決定LED陣列光照度的強弱，從而使植物處于適宜生長的光照度下。

圖1　檢測系統(tǒng)總體原理圖Fig.1　General schematic diagram of detection system

2　檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1環(huán)境因子檢測模塊

植物生長狀態(tài)將會受到所處環(huán)境的影響，為了保證對植物測量時不同組的數(shù)據(jù)具有對比性，要使植物所處的環(huán)境因子相同，要對植物周圍的環(huán)境因子實時監(jiān)測。該模塊主要通過溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器等對周圍環(huán)境監(jiān)測。上位機開發(fā)采用面向?qū)ο骎isual C++6.0軟件平臺，便于實時監(jiān)測植物所處的環(huán)境，監(jiān)控界面如圖2所示。

2.2系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊采用ARM公司生產(chǎn)的STM32芯片為控制核心，STM32內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，串口通信模塊和DMA模塊等。系統(tǒng)控制模塊要處理環(huán)境因子檢測模塊傳遞的數(shù)據(jù)信息，并通過232串口協(xié)議，將植物所處的溫、濕度，CO2濃度，光照度等信息在上位機上顯示出來。上位機可以發(fā)送指令到STM32，STM32將控制可編程電源模塊輸出電流的大小，進而控制LED陣列的光照度。

2.3LED陣列輻射模塊

LED陣列輻射模塊由電源模塊和LED陣列組成。不同顏色和強度的光將對植物光合作用有著不同的影響。光合作用發(fā)生在可見光光譜(380～760 nm)范圍內(nèi)，光合作用貢獻較大的是400～520 nm的藍紫光和600～700 nm的紅橙光。葉綠素主要有葉綠素a和葉綠素b，葉綠素a主要吸收藍紫光和紅光，葉綠素b吸收藍紫光和橙色光。因此，植物進行光合作用時藍光和紅光對其有促進作用。研究表明，經(jīng)過暗適應(yīng)的植物葉片，隨著光照度的不斷增加，光合作用將呈線性增加，但當(dāng)光照度達到一定值后，光合作用不再增加反而受到抑制，所以需要實時改變補光燈的強度，使植物在適宜條件下生長。

圖2　植物環(huán)境因子監(jiān)控界面Fig.2　Monitoring interface of plant environmental factors

在實驗室條件下，對4種Philips公司生產(chǎn)的LED、OPPLE公司生產(chǎn)的LED、松下公司生產(chǎn)的LED和FSL公司生產(chǎn)的LED進行變電流測試，驅(qū)動電流變化范圍為100～900 mA，測出了照度值的變化如圖3所示，可以看出光照度隨著驅(qū)動電流的增大而增大，而且有著很好的線性關(guān)系[3]。

圖3　不同驅(qū)動電流下4種LED的光照度Fig.3　Light intensity of 3 kinds of LED under different driving current

因此，本系統(tǒng)采用Philips公司生產(chǎn)的Luxeon型紅藍LED陣列，可以很好地滿足植物對不同光照度的需求。通過前期的實驗數(shù)據(jù)分析，最有利于植物生長的紅藍光比例約為4∶1，保證了相對均勻的照度，最大程度上確保每片葉子和整個植物得到均勻的光照。LED紅光的中心波長為650 nm，藍光的中心波長為470 nm，LED陣列由64個紅燈，16個藍燈組成，每4個紅燈均勻分布在1個藍燈的周圍。LED之間的距離為10 mm，LED陣列功耗約為20 W，理想照明區(qū)域為60 mm×60 mm。LED陣列組合如圖4所示，其中白色代表紅燈，黑色代表藍燈。

可編程電源可以通過編程使其橫流輸出，輸出的電流穩(wěn)定，不因負(fù)載阻值的變化而發(fā)生變化，能夠滿足要求的控制改變LED光源陣列的亮度。該電源電壓輸出為0～55 V，電流輸出為0～8.5 A，可編程電壓精度為0.05%+37.5 mV，電流精度為0.1%+10 mA。LED燈的基本工作原理為電壓超過導(dǎo)通電壓閥就可以發(fā)光，所以將電源電壓設(shè)置在24 V，我們可以通過改變電流強度改變LED組合陣列的亮度。

圖4　紅藍LED組合陣列Fig.4　Red and blue LED array

2.4MINI-PAM

MINI-PAM是由WALZ公司生產(chǎn)的方便攜帶的超便攜式調(diào)制熒光儀，十分方便于在野外操作，MINI-PAM采用了獨特的調(diào)制技術(shù)和飽和脈沖技術(shù)，從而可以通過選擇性的原位測量葉綠素?zé)晒鈦頇z測植物光合作用的變化，它具有很強的靈敏度和選擇性，即使在很強的、未經(jīng)濾光片處理的環(huán)境下也可測定熒光產(chǎn)量而不受影響。它的調(diào)制測量光(ML)足夠低，可以只激發(fā)色素的本底熒光而不起任何的光合作用，從而可以得到真實的記錄基礎(chǔ)熒光Fo。同時，MINI-PAM操作便捷，可對熒光參數(shù)進行測量和儲存，也能進行熒光淬滅分析和記錄光響應(yīng)曲線等。

2.5植物熒光參數(shù)測量

被測植物通過充分暗適應(yīng)后，類囊體膜上所有電子門均處于開放態(tài)，打開測量光(ML)即可得到暗適應(yīng)植物葉片的最小熒光Fo，如圖5所示，此時再給一個飽和脈沖(SP)，所有電子門的能量都轉(zhuǎn)化成了熒光和熱，即可得到葉綠素最大熒光Fm[4]。

根據(jù)Fo和Fm可以計算出最大量子產(chǎn)量Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，它反映植物的最大光合能力，通常情況下植物的Fv/Fm在0.80～0.85之間，當(dāng)它下降時代表植物受到了脅迫。

圖5　葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線Fig.5　Chlorophyll fluorescence induction curve

植物進行光合作用時，再給一個飽和脈沖，可以得到光適應(yīng)樣品的最大熒光Fm’，由實時熒光F和Fm’得到PSⅡ的實際量子產(chǎn)量Yield=ΦPSⅡ=ΔF/Fm’=(Fm’-F)/Fm’，它反映了植物的實際光合效率。根據(jù)PSⅡ的實際量子產(chǎn)量ΔF/Fm’和光合有效輻射(PAR)還可以計算出光合電子傳輸?shù)南鄬λ俾蕆ETR=ΔF/Fm’×PAR×0.84×0.5。其中植物的經(jīng)驗性吸光系數(shù)為0.84，0.5代表植物光合作用吸收的光能被兩個光系統(tǒng)均分。

光合作用、葉綠素?zé)晒夂蜔崾侵参锿ㄟ^光合作用吸收的光能的主要的3個去向。如果植物的葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量下降，說明植物的光合作用增強或者以熱能形式散失了。葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量下降我們稱為熒光淬滅，熒光淬滅又分為光化學(xué)淬滅(光合作用引起)和非光化學(xué)淬滅(熱能形式散失引起)。光化學(xué)淬滅系數(shù)qP=1-(F-Fo)/(Fm’-Fo’)，非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN=1-(Fm’-Fo’)/(Fm-Fo)。由于野外測量Fo’不方便，可以用Fo代替。

3　結(jié)果與分析

以品種為粉冠一號的番茄為例，在實驗室條件下對番茄的熒光參數(shù)進行測定，首先用RS 232線(串口線)連接MINI-PAM背板上的RS-232口和上位機的COM1口，上位機可以通過軟件WinControl獲得MINI-PAM單機模式下測量的數(shù)據(jù)，打開WinControl軟件，點擊File菜單中的Data Transfer form PAM，就可以選擇傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，點擊Start Transfer開始數(shù)據(jù)傳輸。打開Report就可以查看數(shù)據(jù)。MINI-PAM可以通過用戶自己編寫的程序來進行操作，通過Windows操作系統(tǒng)下的WinControl的參數(shù)進行設(shè)定，WinControl軟件通訊參數(shù)中波特率設(shè)為96 000，數(shù)據(jù)位為8位，其余為默認(rèn)參數(shù)即可。在定義終端參數(shù)時，Colums設(shè)為132，Terminal found設(shè)為Fixed sys。

WinControl軟件操作界面如圖6所示，可以選擇測量葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線和光響應(yīng)曲線，右側(cè)可以顯示Fo和Fm，實時熒光強度F和光照強度PAR等。點擊Memory即可提取儲存的數(shù)據(jù)[5]。

如果采用自然光照，由于光強本身就有波動，再加上葉片的角度也不一樣，導(dǎo)致葉片接收的光照強度差別很大，有的正對光照很強，有的跟陽光平行，受光很弱，這樣我們就無法將規(guī)律找出來。在實驗室條件下，用LED陣列提供的光源穩(wěn)定，能很好的克服這些缺點。選擇番茄的一個葉片，調(diào)節(jié)可編程電源的電流使光照穩(wěn)定在光適應(yīng)(PAR為200 μmol·m-2·s-1左右)和光抑制狀態(tài)(PAR為2 000 μmol·m-2·s-1左右)下，我們獲得番茄的PSⅡ的最大量子產(chǎn)量隨時間的變化情況如圖7所示[6]。

圖7中被測植物在200 μmol·m-2·s-1光合有效輻射強度下照射3 h的PSⅡ最大量子產(chǎn)量Fv/Fm(經(jīng)過暗適應(yīng)后的)，我們可以看到隨著輻射時間的增加，F(xiàn)v/Fm保持在0.80～0.85之間，說明植物的生理狀態(tài)處于最佳狀態(tài)。被測植物在2 000 μmol·m-2·s-1光合有效輻射強度下經(jīng)過3 h的光照輻射，F(xiàn)v/Fm下降到了0.24左右，只有正常生理狀態(tài)(Fv/Fm約0.85)的30%左右，說明經(jīng)過3 h的光抑制，植物的光合狀態(tài)受到顯著影響，植物受到了環(huán)境脅迫。

圖6　WinControl監(jiān)控界面Fig.6　WinControl monitor interface

圖7　不同光照下的PSⅡ的最大量子產(chǎn)量Fig.7　Maximum quantum yield of PSⅡ under different illumination

通過調(diào)節(jié)可編程電源的電流大小，使LED照射的PAR值達到穩(wěn)定的200 μmol·m-2·s-1，圖8-A為在光照強度為200 μmol·m-2·s-1下，連續(xù)照射3 h期間測得的番茄快速光響應(yīng)曲線，快速光曲線是一個很靈敏的結(jié)果，能非常靈敏地反映樣品的光合狀態(tài)[7]。

我們可以看到0 min曲線，植物的ETRmax(植物最大光合速率)為8.5，此時的光化光強度為105 μmol·m-2·s-1，隨著光化光強度的增加，植物的光合速率呈下降趨勢。隨著照射時間的增長，植物的光合速率也不斷的增加。照射到15 min的時候，植物的ETRmax達到最大約為79.7，此時的光化光強度AL約為836 μmol·m-2·s-1，此時光照時間繼續(xù)增加，其快速光響應(yīng)曲線基本保持一致，而ETRmax將不再增大反而有微小的下降的趨勢，說明15 min后，植物的光合速率趨于飽和，光照過多反而對光合速率有所抑制。

調(diào)節(jié)可編程電源的電流大小，使LED照射的PAR值達到穩(wěn)定的2 000 μmol·m-2·s-1，圖8-B為在光照強度為2 000 μmol·m-2·s-1下，連續(xù)照射3 h期間測得的植物快速光響應(yīng)曲線。響應(yīng)曲線的變化趨勢同圖8-A相似，隨著測量的光化光強度的增加，均能達到一個最大ETRmax。在照射15 min的時候ETRmax達到最大，但ETRmax的值只有48.8，遠低于光照強度為200μmol·m-2·s-1的ETRmax，并且隨著光照時間的增加，快速光響應(yīng)曲線整體下移明顯，ETRmax顯著下降。說明在強光的長時間照射下，光合器官利用光的效率逐漸下降，強光對光合作用的抑制明顯[8]。

圖8　兩種光照強度下(200 和2 000 μmol·m-2·s-1)植物的快速光響應(yīng)曲線Fig.8　Rapid response curve under 200 and 2 000 μmol·m-2·s-1 light intensity

通過對比相同植物的葉片在兩種光照狀態(tài)下的植物ETRmax，可以看出，植物的光合作用對光強較為敏感。適宜的光照度能使植物達到最大的光合速率和穩(wěn)定的PSⅡ最大量子產(chǎn)量，使植物生長在最佳狀態(tài)。

4　結(jié)論

通過控制可編程電源的電流大小來改變番茄照射的光照強度，利用MINI-PAM熒光儀對實驗室條件下的番茄的熒光參數(shù)進行在線檢測，在溫和光照條件下和光抑制條件下測量番茄的PSⅡ最大量子產(chǎn)量Fv/Fm和植物最大光合速率。系統(tǒng)運行表明，系統(tǒng)運行可靠，可實時調(diào)整植物的光照強度，對比野外測量，能更準(zhǔn)確的測量熒光參數(shù)，反映植物在不同脅迫環(huán)境下對光合作用的影響。對植物快速光響應(yīng)曲線的分析表明，在適宜的光照條件下，植物的光合速率能達到最大值，對提高農(nóng)作物的產(chǎn)量有很重要的應(yīng)用價值。

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(責(zé)任編輯張韻)

Physiological analysis of chlorophyll fluorescence parameters monitoring of the excitation light source based on LED

LI Ya-di，CUI Hui-kun，LI Zheng-ming，ZOU Qiu-ying，JI Jian-wei*

(College of Information and Electrical Engineering，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，China)

A set of on-line detection system for chlorophyll fluorescence was designed.The fluorescence intensity of chlorophyll was detected by MINI-PAM fluorescence detector，and LED light source were used as different light conditions，fluorescence parameters and fast response curves of plants under different conditions were measured.Detection system through 232 serial communication protocol with the host computer communication，WinControl software was used to achieve data collection and preservation.Experimental results showed that the suitable light could greatly promote the photosynthesis of plants，and thus improve the yield of crops，and the photosynthesis of plants under the environmental stress was obviously inhibited.

chlorophyll fluorescence;modulation fluorescence instrument;serial communication;programmable current source

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28(3):509-514http://www.zjnyxb.cn

李亞迪，崔會坤，李征明，等.基于LED激發(fā)光源的葉綠素?zé)晒鈪?shù)監(jiān)測的植物生理分析[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，28(3)： 509-514.

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.03.24

2015-08-15

遼寧省教育廳優(yōu)秀人才支持計劃(LR2013033)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(L2012253)

李亞迪(1991—)，男，遼寧朝陽人，碩士研究生，主要研究方向為農(nóng)業(yè)生物環(huán)境智能化檢測與控制系統(tǒng)。 E-mail：1073212407@qq.com

，紀(jì)建偉，E-mail∶jianweiji7879@hotmail.com

Q945.11

A

1004-1524(2016)03-0509-06