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LI-6800测量新技术DAT | 你用400ppm/min来Ramp,就意味着做整条A-Ci曲线,只需要4min

来源:北京力高泰科技有限公司 发布时间:2021-11-05 10:17:57 点击数:658 使用提问 咨询价格

苑玲玲1636077565127547.jpg

苑玲玲,博士,2014年毕业于University of Nebraska-Lincoln,专业为Plant Breeding and Genetics。同年,加入LI-COR公司环境部,现为资深应用科学家。

你用400 ppm min-1来Ramp,就意味着做整条A-Ci曲线(例如从10ppm-1600ppm),只需要4min,这就大大缩短了测量时间【考虑到种内和种间差异,具体Ramp参数设置,请通过预实验确定】。新技术显著缩短了测量耗时,极大提升了测量效率。

新技术和传统方法得到的Vcmax、Jmax和二氧化碳补偿点吻合度高。但是,传统方法测量得到的原始数据点少,曲线拟合出来的参数具有更大的不确定性。除了A-Ci曲线,这项新技术也在调查类测量(Survey Measurement)和光响应曲线测量(A-Q Curve)方面做了验证。 

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LI-COR 苑玲玲:LI-6800测量新技术DAT.mp3

A new technique for gas exchange measurements: Dynamic AssimilationTM

2021.10.16 武汉

各位老师同学,大家好!今天给大家介绍一项用于叶片气体交换测量的新技术。

叫做Dynamic AssimilationTM,或者是叫Dynamic AssimilationTM Technique。首字母的缩写就是DAT(动态吸收测量技术)。

首先我们简要回顾一下气体交换测量的历史,之后我会给大家介绍目前所使用的测量技术,然后我会重点谈一下DAT。

世界人口的急剧增长使得人们对于粮食和能源的要求不断增大,这就刺激了光合作用的研究。而对于光合作用研究的需求,又推动了相关仪器和测量技术的发展。

回顾历史,100年前,大约是在1920年左右的时候,研究人员通过化学试剂滴定的方法来测量叶片对于CO2的吸收,作为评估叶片光合能力的指标。核心原理就是利用CO2与氢氧化钡产生碳酸钡沉淀,然后用酸来滴定中和,通过对比空白组所需酸的量的差别来计算叶片对于CO2的吸收。

人工搭建的这个设备,大家可以看到这张图,操作起来费时费力,这张图显示了当时所用的设备。图片出自下面这篇paper,引用过来的。这张图显示的就是通过这种滴定方法测得的一天中甘蔗叶片对于CO2吸收的日变化。

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到了上个世纪四五十年代,红外线气体分析仪逐渐发展了起来,人们便开始把这个红外线气体分析仪用在光合测量设备里面。

当时很多设备因为体积庞大、操作繁琐,基本只能在室内使用。但是因为大家对户外测量是很有需求的,所以一些可移动的设备也被研发出来,如像这个Slide右手边这种。

到了上个世纪八十年代、九十年代的时候,LI-COR公司研发的LI-6200、LI-6400相继问世,可以说是拎起来就走,之后更先进的LI-6800问世,那就更方便了,操作直观,自动化控制。

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回顾历史,我们可以看到,人们对于光合测量设备的不断追求,为光合研究提供了新工具。

现在市面上的气体交换测量系统,一般都是采用开路式的方法、开放式气路(进行测量)。

所谓开放式气路,顾名思义是指非封闭。气流持续的有进有出。对LI-6800来说,外界的空气进入主机,水汽、CO2浓度被调适以后,出来,进入分析器。分流,一路不接触叶片直接被测量,叫做Reference,作为对照。另外一路经过叶片,然后被测量,叫做Sample,最后气流排到外界。Anyway,就是说气流有进有出,这是一个开放式气路。那么在叶片所在的这个位置,就是叶室这个地方,具体发生了什么呢?

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这个长方形代表整个叶室部分,气流流经叶室,进气流速为u1,进气流中CO2浓度为c1,水汽浓度为w1,出叶室的CO2浓度c2,水汽浓度w2,这些指标都会被仪器直接测量记录。由于叶片的光合作用吸收CO2,蒸腾作用释放水汽,这就是所谓的气体交换,使得c1c2之间,w1w2之间存在差值,这个差值用于计算CO2同化速率和蒸腾速率。

在这个公式里,A代表CO2同化速率,E代表蒸腾速率,s代表叶面积。基于对这个气流水汽和CO2浓度的测量,蒸腾速率和CO2同化速率就用这两个公式计算出来。这里需要注意的一点是,这两个公式是基于“Steady State”,或者说是稳定状态。长久以来,开路式气体交换测量,都是依赖于“Steady State”。

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那你可能要问了,什么叫“Steady State”呢?它是指叶室情况稳定,达到一个稳定状态,就是说CO2c1c2达到一个恒定值,水汽w1和w2达到一个恒定值,气流u1u2也要达到一个恒定状态。

一旦不稳定,用这个公式计算出来的CO2同化速率就是不对的了。比如说,当叶室是空的、关闭的,没有叶片的时候,测得的CO2的同化速率应该是零,对吧。因为没有叶片,不管你的CO2浓度控制是多少,或者怎样变化,光合值应该都为零,但是市面上光合仪的表现,却不是这样。

大家会经常注意到,如果你改变CO2浓度,比如像左边这张图,CO2控制从400ppm到600ppm,您能看到光合值突然有很大的波动,然后再逐渐的回归到零。

这就意味着,在记录数据的时候,你需要等待,需要等待叶室又重新达到一个新的Steady State后,才能记录数据。大家能看到,这两张图中,前30秒的阶段是一个Steady state,大概70s以后,也是一个Steady state,从30s到70s之间,是一个Non-steady state,就是一个非稳定状态。

如果您在Non-steady state阶段记录数据,那您的数据就是不对的。

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那有没有一个方法可以实现更快的气体交换测量呢?

几年前,LI-COR联合The University of New Mexico的研究人员,推出了一项新技术叫做RACiRTM,RACiRTM用于CO2响应曲线的测量。它是通过Ramp CO2浓度(连续降低或升高CO2的浓度),像左边这张图,之后通过空叶室校正来得到最终的数据。RACiRTM让使用者可以更快的测量A-Ci曲线,进而得到Vcmax等参数,这让快速筛选成为可能。

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另外由于CO2是连续变化的,仪器在连续的快速记录数据,因此能获得大量的数据点。大量的数据点,对于A-Ci曲线的拟合是大有帮助的。但RACiRTM是有局限性的,只能用于A-Ci曲线的测量,不能用于其他类型的测量,如调查式测量(Survey Measurement)或光响应曲线的测量(A-Q Curve)。

另外RACiRTM所用的这个CO2 Ramp Rate,不能太快,局限于100ppm/min。另外RACiRTM需要空叶室校正过程。测量数据的准确性,依赖于空叶室校正的数据准确性。

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那有没有一项技术,可以突破RACiRTM的这种局限呢?比如说CO2 Ramp rate能不能更快一些? 除了A-Ci曲线的测量,可不可以应用到其他类型的测量上呢?

下面我就用一些Slides,来讲一讲由LI-COR研发并成功应用到LI-6800的这项新技术。

其实对于开放式测量系统,它的Fundamental质量平衡公式是这个,相比之前的Slide,这个公式里多了一项,就是这个dc/dt。这个公式很好理解,这个u1c1,代表了有多少CO2进入了叶室,u2c2是多少CO2离开了叶室,SA这一项是多少CO2被吸收,这个dc/dt就是叶室内的CO2浓度随时间的变化。

在Steady State的情况下,dc/dt为零。就是说叶室内的CO2浓度随时间是不变的。当dc/dt=0时,通过推导,你能看到这个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质量平衡方程的一种特殊状态,即dc/dt=0。

那么不在Steady State的情况下,或者说dc/dt不等于0的情况下,这个等式就是一个Dynamic质量平衡方程。在这种情况下,你把A值推导出来,就是右边这个公式。这个公式可以说是Dynamic AssimilationTM Technique(动态吸收测量技术)的核心公式。

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因为LI-6800的独特性,比如说,快速精准连续的环境条件控制、叶室紧靠分析仪,以及Range Match功能,使得Dynamic AssimilationTM Technique(动态吸收测量技术)这项新技术可以整合进LI-6800系统。这项新技术已经申请了专利保护。

经验证,这项新技术优于传统的Steady State的测量方法以及RACiRTM

我们做空叶室实验,就是用关闭的空叶室,CO2的同化速率A应该为零。当CO2浓度改变后,比如CO2浓度从400ppm提升到600ppm,基于Steady State的技术测量的数据点是右图中红色的Curve,能看到,CO2同化速率A会有一个大的波动,等待一段时间(约40s)后,才会重新回到零。

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基于这项新技术,CO2同化速率A,也就是这个蓝色的Curve,只有一个小小的波动,并且很快(约5s)就回到了零。这意味着,在测量叶片的时候,等待的时间会大幅减少。

这张Slide,同样是空叶室实验,没有叶片,CO2浓度从0ppm改变到1600ppm,连续变化的整个过程中,大家看到,这个蓝色的Curve,是使用新技术Dynamic AssimilationTM Technique(动态吸收测量技术)测量得到的净光合速率A,整个过程一直保持在0附近。但是传统的测量方法,A值会有很长一段时间(约500s)的升高,当CO2稳定以后,传统测量方法得到的A值才会重新回到0。 

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除了在空叶室的验证,以下这些Slides通过真实的测量叶片来验证这项新技术的优势。

下面左边这张图比对了三种不同的方法,做的A-Ci响应曲线,其中,蓝色、红色代表是Dynamic AssimilationTM Technique(动态吸收测量技术),黄色代表的是RACiRTM,紫色的方块和红色的×是传统方法所测量的A-Ci响应曲线。大家能看到这些结果是基本吻合的,DAT #1和#2有什么区别呢?CO2 Ramp速率是不一样的,#1是200ppm/min, #2是400ppm/min。实验样品是向日葵叶片。大家可以看到,对于向日葵叶片来说,两个Ramp速率,结果差别很小。

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你用400ppm/min来Ramp,就意味着做整条A-Ci曲线(10ppm-1600ppm),只需要4min,这就大大缩短了测量时间。传统测量方法,一条A-Ci响应曲线需要~30min。右边这张图就是Curve起始阶段放大后的图,大家可以看到,新技术和传统方法得到Vcmax、Jmax和二氧化碳补偿点是基本吻合的。但是,传统方法测量得到的数据点少,曲线出来的参数具有更高的不确定性。那除了A-Ci曲线,这项新技术也在调查类测量方面做了验证,并且有明显的优势。

下面这个实验是调查式测量,一开始这个叶室为关闭状态,空叶室CO2R和CO2S都是稳定的,起始阶段CO2同化速率A也是稳定的。然后在这个时间点,叶室被打开,打开以后夹上叶片,关闭叶室,叶片之前做过光适应,蓝线是用新技术测量得到的CO2同化速率,红色是传统方法测量得到的CO2同化速率,可以明显的看到,这个新技术回到稳定状态更快。最右边这张图就是画圈部分的放大图,传统方法滞后约20-30s。

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另外,这项新技术也能用于光响应曲线(A-Q Curve)的测量。由于植物响应光强变化要慢于CO2的变化,使用这项新技术做光响应曲线测量时,光强的Ramp rate不能太快,因此完成光响应曲线所需要的时间与传统的常规方法是接近的。新技术的优点是数据点多,有助于更准确的曲线拟合。

总结一下,Dynamic AssimilationTM(动态吸收测量技术)在三种重要的测量类型中,都可以应用,尤其是在A-Ci曲线测量和调查类测量中,新技术显著提高了测量速度,密集的数据点有助于曲线拟合;在光响应曲线(A-Q Curve)的测量中,优势体现在密集的数据采样上。 

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这项新技术是由LI-COR的两位科学家Aaron J Saathoff和Jon Welles共同开发,并成功整合应用到了LI-6800里面。关于这项新技术的文章,两个月前发表在Plant Cell& Environment杂志上,题目是Gas exchange measurements in the unsteady state(doi.org/10.1111/pce.14178)。这篇文章是Open Access的,大家感兴趣的可以找来读一下。好,今天我的报告就到这里,谢谢大家。

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