基于LED激發光源的葉綠素熒光參數監測的植物生理分析

李亞迪，崔會坤，李征明，鄒秋穎，紀建偉

(沈陽農業大學 信息與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110866)

?

基于LED激發光源的葉綠素熒光參數監測的植物生理分析

李亞迪，崔會坤，李征明，鄒秋穎，紀建偉*

(沈陽農業大學 信息與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110866)

試驗設計了一套葉綠素熒光在線檢測系統，通過MINI-PAM熒光儀可以實時檢測到植物葉綠素的熒光參數，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以及快速光響應曲線。檢測系統通過232串口通信協議同上位機通信，利用WinControl軟件實現數據的采集與保存。結果表明，適宜的光照可以大大促進植物PSⅡ的最大量子產量，從而提高農作物的產量，受環境脅迫的植物的光合作用受到明顯的抑制。

葉綠素熒光；調制熒光儀；串口通信；可編程電流源

光合作用是植物的重要化學反應，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系統的正常運轉起著關鍵的作用。葉綠素熒光可以作為探索植物光合作用的探針[1]。

葉綠素熒光誘導現象最早由Kautsky發現并和光合作用聯系起來的，經過長時間的探索并逐漸形成了熒光誘導理論。如果將經過一定時間暗適應的葉子照光后，發現葉綠素熒光強度會隨時間而改變，同時也與CO2的固定有關。葉綠素分子處于較低激發態時有3種途徑釋放能量回到穩定的基態，以熱能形式散掉、光合作用和產生熒光，葉綠素熒光一般位于紅光區和紅外區。現常用于分析葉綠素熒光參數的技術稱葉綠素熒光動力學技術，其在測定葉片光合作用過程中光系統對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用。

葉綠素熒光能反映光能吸收，同時所有光合作用過程的變化都能通過葉綠素熒光檢測出來，而熒光測定技術不需破碎細胞，不傷害生物體，因此通過研究葉綠素熒光來間接研究光合作用的變化是一種簡便、快捷、可靠的方法[2]。

1　系統組成及工作原理

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

環境因子檢測模塊對被測植物所處環境的溫度、濕度、CO2濃度和光照度等進行檢測，并將控制結果傳給系統控制模塊。MINI-PAM熒光儀將對葉綠素的熒光參數進行檢測分析，同時通過232串口通信協議傳送給上位機，上位機通過232串口通信協議同系統控制模塊通信，可獲得環境因子的信息，也可以對其發出控制命令。系統控制模塊可以調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　檢測系統總體原理圖Fig.1　General schematic diagram of detection system

2　檢測系統設計

2.1環境因子檢測模塊

植物生長狀態將會受到所處環境的影響，為了保證對植物測量時不同組的數據具有對比性，要使植物所處的環境因子相同，要對植物周圍的環境因子實時監測。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境監測。上位機開發采用面向對象Visual C++6.0軟件平臺，便于實時監測植物所處的環境，監控界面如圖2所示。

2.2系統控制模塊

系統控制模塊采用ARM公司生產的STM32芯片為控制核心，STM32內部集成了A/D轉換模塊，串口通信模塊和DMA模塊等。系統控制模塊要處理環境因子檢測模塊傳遞的數據信息，并通過232串口協議，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。光合作用發生在可見光光譜(380～760 nm)范圍內，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，經過暗適應的植物葉片，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　植物環境因子監控界面Fig.2　Monitoring interface of plant environmental factors

在實驗室條件下，對4種Philips公司生產的LED、OPPLE公司生產的LED、松下公司生產的LED和FSL公司生產的LED進行變電流測試，驅動電流變化范圍為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動電流的增大而增大，而且有著很好的線性關系[3]。

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

因此，本系統采用Philips公司生產的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。通過前期的實驗數據分析，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，輸出的電流穩定，不因負載阻值的變化而發生變化，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通電壓閥就可以發光，所以將電源電壓設置在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公司生產的方便攜帶的超便攜式調制熒光儀，十分方便于在野外操作，MINI-PAM采用了獨特的調制技術和飽和脈沖技術，從而可以通過選擇性的原位測量葉綠素熒光來檢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、未經濾光片處理的環境下也可測定熒光產量而不受影響。它的調制測量光(ML)足夠低，可以只激發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熒光Fo。同時，MINI-PAM操作便捷，可對熒光參數進行測量和儲存，也能進行熒光淬滅分析和記錄光響應曲線等。

2.5植物熒光參數測量

被測植物通過充分暗適應后，類囊體膜上所有電子門均處于開放態，打開測量光(ML)即可得到暗適應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化成了熒光和熱，即可得到葉綠素最大熒光Fm[4]。

根據Fo和Fm可以計算出最大量子產量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，當它下降時代表植物受到了脅迫。

圖5　葉綠素熒光誘導曲線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的實際量子產量Yield=ΦPSⅡ=ΔF/Fm’=(Fm’-F)/Fm’，它反映了植物的實際光合效率。根據PSⅡ的實際量子產量ΔF/Fm’和光合有效輻射(PAR)還可以計算出光合電子傳輸的相對速率rETR=ΔF/Fm’×PAR×0.84×0.5。其中植物的經驗性吸光系數為0.84，0.5代表植物光合作用吸收的光能被兩個光系統均分。

光合作用、葉綠素熒光和熱是植物通過光合作用吸收的光能的主要的3個去向。如果植物的葉綠素熒光產量下降，說明植物的光合作用增強或者以熱能形式散失了。葉綠素熒光產量下降我們稱為熒光淬滅，熒光淬滅又分為光化學淬滅(光合作用引起)和非光化學淬滅(熱能形式散失引起)。光化學淬滅系數qP=1-(F-Fo)/(Fm’-Fo’)，非光化學淬滅系數qN=1-(Fm’-Fo’)/(Fm-Fo)。由于野外測量Fo’不方便，可以用Fo代替。

3　結果與分析

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據，打開WinControl軟件，點擊File菜單中的Data Transfer form PAM，就可以選擇傳輸的數據，點擊Start Transfer開始數據傳輸。打開Report就可以查看數據。MINI-PAM可以通過用戶自己編寫的程序來進行操作，通過Windows操作系統下的WinControl的參數進行設定，WinControl軟件通訊參數中波特率設為96 000，數據位為8位，其余為默認參數即可。在定義終端參數時，Colums設為132，Terminal found設為Fixed sys。

WinControl軟件操作界面如圖6所示，可以選擇測量葉綠素熒光誘導曲線和光響應曲線，右側可以顯示Fo和Fm，實時熒光強度F和光照強度PAR等。點擊Memory即可提取儲存的數據[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律找出來。在實驗室條件下，用LED陣列提供的光源穩定，能很好的克服這些缺點。選擇番茄的一個葉片，調節可編程電源的電流使光照穩定在光適應(PAR為200 μmol·m-2·s-1左右)和光抑制狀態(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最大量子產量Fv/Fm(經過暗適應后的)，我們可以看到隨著輻射時間的增加，Fv/Fm保持在0.80～0.85之間，說明植物的生理狀態處于最佳狀態。被測植物在2 000 μmol·m-2·s-1光合有效輻射強度下經過3 h的光照輻射，Fv/Fm下降到了0.24左右，只有正常生理狀態(Fv/Fm約0.85)的30%左右，說明經過3 h的光抑制，植物的光合狀態受到顯著影響，植物受到了環境脅迫。

圖6　WinControl監控界面Fig.6　WinControl monitor interface

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

通過調節可編程電源的電流大小，使LED照射的PAR值達到穩定的200 μmol·m-2·s-1，圖8-A為在光照強度為200 μmol·m-2·s-1下，連續照射3 h期間測得的番茄快速光響應曲線，快速光曲線是一個很靈敏的結果，能非常靈敏地反映樣品的光合狀態[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，此時光照時間繼續增加，其快速光響應曲線基本保持一致，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。

調節可編程電源的電流大小，使LED照射的PAR值達到穩定的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，連續照射3 h期間測得的植物快速光響應曲線。響應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定的PSⅡ最大量子產量，使植物生長在最佳狀態。

4　結論

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最大量子產量Fv/Fm和植物最大光合速率。系統運行表明，系統運行可靠，可實時調整植物的光照強度，對比野外測量，能更準確的測量熒光參數，反映植物在不同脅迫環境下對光合作用的影響。對植物快速光響應曲線的分析表明，在適宜的光照條件下，植物的光合速率能達到最大值，對提高農作物的產量有很重要的應用價值。

[1]陳建明，俞曉平，程家安.葉綠素熒光動力學及其在植物抗逆生理研究中的應用[J].浙江農業學報，2006，18(1):51-55.

[2]武海，張樹源，許大全，等.珊瑚樹葉片葉綠素熒光非光化學猝滅的日變化和季節變化[J].植物生理學報，1997，23(2):145-150.

[3]楊昊諭，于海業，張蕾，等.基于激光誘導熒光光譜分析的黃瓜葉片葉綠素含量檢測[J].農業機械學報，2009，40(10)：169-172.

[4]崔瑾，徐志剛，邸秀茹.LED在植物設施栽培中的應用和前景[J].農業工程學報，2008，24(8)：249-253.

[5]李征明，于輝，紀建偉，等.用于溫室植物補光的LED組合光源的設計與優化[J].浙江農業學報，2015，27(3):454-459.

[6]RALPH P J，GADEMANN R.Rapid light curves:a powerful tool to assess photosynthetic activity[J].Aquatic Botany，2005，82(3):222-237.

[7]TAMULAITIS G，DUCHOVSKIS P，BLIZNIKAS Z，et al.High power light emitting diode based facility for plant cultivation[J].Journal of Physics D:Applied Physics，2005，38:3182-3187.

[8]ENGBERS G J.Influence of spectral light distribution and the photosynthetic acclimation to light of a tomato crop [D].Wageningen:Wageningen University，2006.

(責任編輯張韻)

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

浙江農業學報Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28(3):509-514http://www.zjnyxb.cn

李亞迪，崔會坤，李征明，等.基于LED激發光源的葉綠素熒光參數監測的植物生理分析[J].浙江農業學報，2016，28(3)： 509-514.

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.03.24

2015-08-15

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

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

，紀建偉，E-mail∶jianweiji7879@hotmail.com

Q945.11

A

1004-1524(2016)03-0509-06