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    LI-6800測量新技術DAT | 做整條A-Ci曲線,只需要4min

    發布時間:2021-12-20      點擊次數:888

    苑玲玲1636077565127547.jpg

    苑玲玲,博士,2014年畢業于University of Nebraska-Lincoln,專業為Plant Breeding and Genetics。同年,加入LI-COR公司環境部,現為資深應用科學家。

    你用400 ppm min-1來Ramp,就意味著做整條A-Ci曲線(例如從10ppm-1600ppm),只需要4min,這就大大縮短了測量時間【考慮到種內和種間差異,具體Ramp參數設置,請通過預實驗確定】。新技術顯著縮短了測量耗時,大大提升了測量效率。

    新技術和傳統方法得到的Vcmax、Jmax和二氧化碳補償點吻合度高。但是,傳統方法測量得到的原始數據點少,曲線擬合出來的參數具有更大的不確定性。除了A-Ci曲線,這項新技術也在調查類測量(Survey Measurement)和光響應曲線測量(A-Q Curve)方面做了驗證。

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    LI-COR 苑玲玲:LI-6800測量新技術DAT.mp3

    A new technique for gas exchange measurements: Dynamic AssimilationTM

    2021.10.16 武漢

    各位老師同學,大家好!今天給大家介紹一項用于葉片氣體交換測量的新技術。

    叫做Dynamic AssimilationTM,或者是叫Dynamic AssimilationTM Technique。首字母的縮寫就是DAT(動態吸收測量技術)。

    首先我們簡要回顧一下氣體交換測量的歷史,之后我會給大家介紹目前所使用的測量技術,然后我會重點談一下DAT。

    世界人口的急劇增長使得人們對于糧食和能源的要求不斷增大,這就刺激了光合作用的研究。而對于光合作用研究的需求,又推動了相關儀器和測量技術的發展。

    回顧歷史,100年前,大約是在1920年左右的時候,研究人員通過化學試劑滴定的方法來測量葉片對于CO2的吸收,作為評估葉片光合能力的指標。核心原理就是利用CO2與氫氧化鋇產生碳酸鋇沉淀,然后用酸來滴定中和,通過對比空白組所需酸的量的差別來計算葉片對于CO2的吸收。

    人工搭建的這個設備,大家可以看到這張圖,操作起來費時費力,這張圖顯示了當時所用的設備。圖片出自下面這篇paper,引用過來的。這張圖顯示的就是通過這種滴定方法測得的一天中甘蔗葉片對于CO2吸收的日變化。

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    到了上個世紀四五十年代,紅外線氣體分析儀逐漸發展了起來,人們便開始把這個紅外線氣體分析儀用在光合測量設備里面。

    當時很多設備因為體積龐大、操作繁瑣,基本只能在室內使用。但是因為大家對戶外測量是很有需求的,所以一些可移動的設備也被研發出來,如像這個Slide右手邊這種。

    到了上個世紀八十年代、九十年代的時候,LI-COR公司研發的LI-6200、LI-6400相繼問世,可以說是拎起來就走,之后更先進的LI-6800問世,那就更方便了,操作直觀,自動化控制。

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    回顧歷史,我們可以看到,人們對于光合測量設備的不斷追求,為光合研究提供了新工具。

    現在市面上的氣體交換測量系統,一般都是采用開路式的方法、開放式氣路(進行測量)。

    所謂開放式氣路,顧名思義是指非封閉。氣流持續的有進有出。對LI-6800來說,外界的空氣進入主機,水汽、CO2濃度被調適以后,出來,進入分析器。分流,一路不接觸葉片直接被測量,叫做Reference,作為對照。另外一路經過葉片,然后被測量,叫做Sample,最后氣流排到外界。Anyway,就是說氣流有進有出,這是一個開放式氣路。那么在葉片所在的這個位置,就是葉室這個地方,具體發生了什么呢?

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    這個長方形代表整個葉室部分,氣流流經葉室,進氣流速為u1,進氣流中CO2濃度為c1,水汽濃度為w1,出葉室的CO2濃度c2,水汽濃度w2,這些指標都會被儀器直接測量記錄。由于葉片的光合作用吸收CO2,蒸騰作用釋放水汽,這就是所謂的氣體交換,使得c1c2之間,w1w2之間存在差值,這個差值用于計算CO2同化速率和蒸騰速率。

    在這個公式里,A代表CO2同化速率,E代表蒸騰速率,s代表葉面積?;趯@個氣流水汽和CO2濃度的測量,蒸騰速率和CO2同化速率就用這兩個公式計算出來。這里需要注意的一點是,這兩個公式是基于“Steady State",或者說是穩定狀態。長久以來,開路式氣體交換測量,都是依賴于“Steady State"。

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    那你可能要問了,什么叫“Steady State"呢?它是指葉室情況穩定,達到一個穩定狀態,就是說CO2,c1c2達到一個恒定值,水汽w1和w2達到一個恒定值,氣流u1u2也要達到一個恒定狀態。

    一旦不穩定,用這個公式計算出來的CO2同化速率就是不對的了。比如說,當葉室是空的、關閉的,沒有葉片的時候,測得的CO2的同化速率應該是零,對吧。因為沒有葉片,不管你的CO2濃度控制是多少,或者怎樣變化,光合值應該都為零,但是市面上光合儀的表現,卻不是這樣。

    大家會經常注意到,如果你改變CO2濃度,比如像左邊這張圖,CO2控制從400ppm到600ppm,您能看到光合值突然有很大的波動,然后再逐漸的回歸到零。

    這就意味著,在記錄數據的時候,你需要等待,需要等待葉室又重新達到一個新的Steady State后,才能記錄數據。大家能看到,這兩張圖中,前30秒的階段是一個Steady state,大概70s以后,也是一個Steady state,從30s到70s之間,是一個Non-steady state,就是一個非穩定狀態。

    如果您在Non-steady state階段記錄數據,那您的數據就是不對的。

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    那有沒有一個方法可以實現更快的氣體交換測量呢?

    幾年前,LI-COR聯合The University of New Mexico的研究人員,推出了一項新技術叫做RACiRTM,RACiRTM用于CO2響應曲線的測量。它是通過Ramp CO2濃度(連續降低或升高CO2的濃度),像左邊這張圖,之后通過空葉室校正來得到最終的數據。RACiRTM讓使用者可以更快的測量A-Ci曲線,進而得到Vcmax等參數,這讓快速篩選成為可能。

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    另外由于CO2是連續變化的,儀器在連續的快速記錄數據,因此能獲得大量的數據點。大量的數據點,對于A-Ci曲線的擬合是大有幫助的。但RACiRTM是有局限性的,只能用于A-Ci曲線的測量,不能用于其他類型的測量,如調查式測量(Survey Measurement)或光響應曲線的測量(A-Q Curve)。

    另外RACiRTM所用的這個CO2 Ramp Rate,不能太快,局限于100ppm/min。另外RACiRTM需要空葉室校正過程。測量數據的準確性,依賴于空葉室校正的數據準確性。

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    那有沒有一項技術,可以突破RACiRTM的這種局限呢?比如說CO2 Ramp rate能不能更快一些? 除了A-Ci曲線的測量,可不可以應用到其他類型的測量上呢?

    下面我就用一些Slides,來講一講由LI-COR研發并成功應用到LI-6800的這項新技術。

    其實對于開放式測量系統,它的Fundamental質量平衡公式是這個,相比之前的Slide,這個公式里多了一項,就是這個dc/dt。這個公式很好理解,這個u1c1,代表了有多少CO2進入了葉室,u2c2是多少CO2離開了葉室,SA這一項是多少CO2被吸收,這個dc/dt就是葉室內的CO2濃度隨時間的變化。

    在Steady State的情況下,dc/dt為零。就是說葉室內的CO2濃度隨時間是不變的。當dc/dt=0時,通過推導,你能看到這個A值,就是在Steady State下使用的公式。

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    所以,Steady State下使用的公式是Fundamental質量平衡方程的一種特殊狀態,即dc/dt=0。

    那么不在Steady State的情況下,或者說dc/dt不等于0的情況下,這個等式就是一個Dynamic質量平衡方程。在這種情況下,你把A值推導出來,就是右邊這個公式。這個公式可以說是Dynamic AssimilationTM Technique(動態吸收測量技術)的核心公式。

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    因為LI-6800的*性,比如說,快速精準連續的環境條件控制、葉室緊靠分析儀,以及Range Match功能,使得Dynamic AssimilationTM Technique(動態吸收測量技術)這項新技術可以整合進LI-6800系統。

    經驗證,這項新技術優于傳統的Steady State的測量方法以及RACiRTM。

    我們做空葉室實驗,就是用關閉的空葉室,CO2的同化速率A應該為零。當CO2濃度改變后,比如CO2濃度從400ppm提升到600ppm,基于Steady State的技術測量的數據點是右圖中紅色的Curve,能看到,CO2同化速率A會有一個大的波動,等待一段時間(約40s)后,才會重新回到零。

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    基于這項新技術,CO2同化速率A,也就是這個藍色的Curve,只有一個小小的波動,并且很快(約5s)就回到了零。這意味著,在測量葉片的時候,等待的時間會大幅減少。

    這張Slide,同樣是空葉室實驗,沒有葉片,CO2濃度從0ppm改變到1600ppm,連續變化的整個過程中,大家看到,這個藍色的Curve,是使用新技術Dynamic AssimilationTM Technique(動態吸收測量技術)測量得到的凈光合速率A,整個過程一直保持在0附近。但是傳統的測量方法,A值會有很長一段時間(約500s)的升高,當CO2穩定以后,傳統測量方法得到的A值才會重新回到0。

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    除了在空葉室的驗證,以下這些Slides通過真實的測量葉片來驗證這項新技術的優勢。

    下面左邊這張圖比對了三種不同的方法,做的A-Ci響應曲線,其中,藍色、紅色代表是Dynamic AssimilationTM Technique(動態吸收測量技術),黃色代表的是RACiRTM,紫色的方塊和紅色的×是傳統方法所測量的A-Ci響應曲線。大家能看到這些結果是基本吻合的,DAT #1和#2有什么區別呢?CO2 Ramp速率是不一樣的,#1是200ppm/min, #2是400ppm/min。實驗樣品是向日葵葉片。大家可以看到,對于向日葵葉片來說,兩個Ramp速率,結果差別很小。

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    你用400ppm/min來Ramp,就意味著做整條A-Ci曲線(10ppm-1600ppm),只需要4min,這就大大縮短了測量時間。傳統測量方法,一條A-Ci響應曲線需要~30min。右邊這張圖就是Curve起始階段放大后的圖,大家可以看到,新技術和傳統方法得到Vcmax、Jmax和二氧化碳補償點是基本吻合的。但是,傳統方法測量得到的數據點少,曲線出來的參數具有更高的不確定性。那除了A-Ci曲線,這項新技術也在調查類測量方面做了驗證,并且有明顯的優勢。

    下面這個實驗是調查式測量,一開始這個葉室為關閉狀態,空葉室CO2R和CO2S都是穩定的,起始階段CO2同化速率A也是穩定的。然后在這個時間點,葉室被打開,打開以后夾上葉片,關閉葉室,葉片之前做過光適應,藍線是用新技術測量得到的CO2同化速率,紅色是傳統方法測量得到的CO2同化速率,可以明顯的看到,這個新技術回到穩定狀態更快。最右邊這張圖就是畫圈部分的放大圖,傳統方法滯后約20-30s。

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    另外,這項新技術也能用于光響應曲線(A-Q Curve)的測量。由于植物響應光強變化要慢于CO2的變化,使用這項新技術做光響應曲線測量時,光強的Ramp rate不能太快,因此完成光響應曲線所需要的時間與傳統的常規方法是接近的。新技術的優點是數據點多,有助于更準確的曲線擬合。

    總結一下,Dynamic AssimilationTM(動態吸收測量技術)在三種重要的測量類型中,都可以應用,尤其是在A-Ci曲線測量和調查類測量中,新技術顯著提高了測量速度,密集的數據點有助于曲線擬合;在光響應曲線(A-Q Curve)的測量中,優勢體現在密集的數據采樣上。

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    這項新技術是由LI-COR的兩位科學家Aaron J Saathoff和Jon Welles共同開發,并成功整合應用到了LI-6800里面。關于這項新技術的文章,兩個月前發表在Plant Cell& Environment雜志上,題目是Gas exchange measurements in the unsteady state(doi.org/10.1111/pce.14178)。這篇文章是Open Access的,大家感興趣的可以找來讀一下。好,今天我的報告就到這里,謝謝大家。

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