叶绿素荧光原理及理论
叶绿素荧光实验报告
一、实验目的1. 了解叶绿素荧光的产生原理。
2. 掌握叶绿素荧光光谱的测定方法。
3. 分析叶绿素荧光光谱与植物光合作用的关系。
二、实验原理叶绿素荧光是指植物在吸收光能后，部分能量以荧光形式释放出来的现象。
叶绿素荧光的产生原理是：在光合作用过程中，叶绿素分子吸收光能后，电子从基态跃迁到激发态，当电子从激发态回到基态时，释放出光子，形成荧光。
叶绿素荧光光谱反映了叶绿素分子吸收、传递和转化光能的能力，是研究植物光合作用的重要手段。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：新鲜叶片（如菠菜、小麦等）2. 实验仪器：荧光分光光度计、剪刀、研钵、紫外灯、比色皿、水浴锅、移液器、超纯水等四、实验步骤1. 制备叶绿素提取液：取新鲜叶片，用剪刀剪碎，加入少量石英砂和碳酸钙粉，用研钵研磨成匀浆。
将匀浆转移至比色皿中，加入适量超纯水，搅拌均匀。
2. 荧光光谱测定：将制备好的叶绿素提取液置于荧光分光光度计中，设置激发波长为400nm，扫描范围为400-800nm，记录荧光光谱。
3. 比较不同处理叶片的荧光光谱：将叶片分为对照组和实验组，对照组置于正常光照条件下，实验组置于黑暗条件下处理一段时间。
处理完毕后，分别测定两组叶片的荧光光谱，比较其差异。
4. 分析荧光光谱：根据荧光光谱，分析叶绿素分子在吸收、传递和转化光能过程中的变化。
五、实验结果与分析1. 叶绿素荧光光谱特征通过荧光分光光度计测定，得到叶绿素荧光光谱。
结果表明，叶绿素荧光光谱具有以下特征：（1）叶绿素荧光光谱在450-650nm范围内有较强的荧光峰，这是由于叶绿素分子在吸收光能后，电子从基态跃迁到激发态，随后以荧光形式释放出来的能量。
（2）叶绿素荧光光谱在665nm附近存在一个较强的荧光峰，这是由于叶绿素分子在吸收光能后，部分能量通过能量传递过程传递给其他叶绿素分子，再以荧光形式释放出来的能量。
2. 不同处理叶片的荧光光谱比较对照组和实验组叶片的荧光光谱存在显著差异。
叶绿素荧光原理及理论
叶绿素荧光原理及理论
叶绿素荧光原理及理论
叶绿素荧光原理及理论
叶绿素荧光原理及理论
第二部分：脉冲调制荧光参数测定原理及意义
叶绿素荧光原理及理论
一：叶绿素荧光的五个基本参数
FO； FM； FS； FM’； FO’
叶绿素荧光原理及理论
FO ：最小荧光（或基础荧光等）；充分暗适应的光合机构全部 PS
● ФPSII（ Ф II）+ ФNPQ + Ф NO = 1 ФPSII：实际光化学效率
（光化学量子产额）
ФNPQ：包括天线耗散和反应
中心的失活
ФNO：非光诱导的淬灭
叶绿素荧光原理及理论
● 表示光合电子传递去向的荧光参数：
Je(PSII) =0.5 × α× ФPSⅡ × PFD；单位时间内通过PSII的全部电子流
1 荧光参数在文献中常见的出现形式
Sakamoto W, Takahashi Y. The Plant Cell, 2003(15), 2843-2855
叶绿素荧光原理及理论
●：33% ○：78% ▼：100%
图示：不同展开程度的大豆叶片荧光参数Fv/Fm的日变化
叶绿素荧光原理及理论
Jiang CD et al. EEB 2006
叶绿素荧光原理及理论
5 盐击过程中电子传递过程的研究
盐击
21% O2
▲: 净光合速率 ■: PSII实际光
化学效率
2% O2
盐击
盐击过程中光合速率（Pn， ▲）和PSII光量子效率（ΦPSII，■）的变化
叶绿素荧光原理及理论
◆ ：21% O2 ■ ：2％ O2
A: 气孔导度（Gs） B：光化学猝灭系数（qP） C：光能捕获效率（Fv’/Fm’） D: 非光化学猝灭系数（NPQ）
叶绿素荧光理论概述
.55
.50
.45 .6 (C) .5
.4
.3
.2
.1 0 100 200 300
NaCl (mmol/L)
Ca2+ 对NaCl胁迫下杂交酸模 叶片PSII光化学反应的影响
●： ck ○： 8 mmol/L Ca2+
Ca2+ 对不同浓度NaCl胁迫 下杂交酸模叶片光化学猝灭 （qP），PSII反应中心光 能捕获效率（Fv’/Fm’）和 PSII光量子效率(ΦPSII, ) 的影响
荧光随时间变化的曲线称为 叶绿素荧光诱导动力学曲线
Fluorescence intensity Fluorescence intensity
5000 P
4000
3000
2000
1000 O
0 0
100
200
Time (s)
5000
A
B
P
4000
3000
T O
2000 T
1000
0 300 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103
用连线激发式荧光仪测定的荧光诱导曲线
Relative fluorescence intensity
1.2
O
KJ I
P
1.0
c
.8
a()
.6
c'
b
.4
.2
b'
0.0 100 101 102 103 104 105 106 107
Time (s)
连续激发式荧光仪有：Handy PEA， PEA，Pocket PEA， PEA Senior, M-PEA 等
叶绿素荧光研究技术
叶绿素荧光研究技术叶绿素荧光是研究光合作用和植物生理过程的一个重要手段。
叶绿素荧光是叶绿素分子受到光照激发后，发射出的荧光信号。
该技术能够监测光合能力和光合调节机制，了解植物正常或异常生长状况，研究非光合组织如果实和种子的生理过程，评估植物生长环境的适应性等。
一、叶绿素荧光测量原理叶绿素分子吸收光能后，能量被转移给氧化还原反应中心。
当光强过大或光能无法被消耗时，多余的光能会被氧化还原反应中心转化为热量，导致光合系统的损伤。
而当光合系统接受的光能较少时，荧光的发射会增加。
因此，测量叶绿素荧光的强度和特性可以反映光合系统工作的性能。
二、叶绿素荧光参数1.Fv/Fm：最大光化学效率，反映PSII反应中心的状态，值接近0.8时表明植物处于良好的生长状态；2.Fv/Fo：PSII光化学效率，反映感光物质的活性；3.Fm/Fo：光合色素电子传递量，反映光合色素的电子传递能力；4.ETR：PSII电子传递速率，根据荧光叶片的调制的能量进行计算；5.NPQ：非光化学淬灭，表征过量光能和植物应激状态的多巴胺合成。
三、叶绿素荧光测量方法1.便携式叶绿素荧光仪（PAM）：PAM技术适用于野外生态学、环境评估和植物生理等领域研究。
优点是操作简单，适用范围广，可以直接用于测量植物的光合效率、叶片蒸腾等。
2.受控环境下的叶绿素荧光分析仪：此类仪器通常配备一个收集样本荧光的光电探测器和一个稳定的光源。
与PAM相比，仪器的体积较大，需要受控环境条件下进行测量，但有更高的精度和稳定性。
3.瞬态叶绿素荧光测量：瞬态叶绿素荧光测量方法能够提供叶绿素荧光曲线的全面信息。
它利用激光闪光对植物进行刺激，然后通过检测荧光信号的时间和强度来得到更准确的数据，并推断光合电子传递的很多参数。
四、叶绿素荧光研究应用1.光合调节机制研究：通过测量叶绿素荧光参数，可以识别植物光合调节机制的不同特征，对了解光合作用的调控机制具有重要意义。
2.植物逆境胁迫研究：叶绿素荧光参数能够反映植物受到逆境胁迫时的生理和生化变化，如光强强度、干旱和高温等环境条件下的光合能力和耐受性。
叶绿素荧光遥感的原理
叶绿素荧光遥感的原理叶绿素荧光遥感的原理主要基于植物叶片吸收光辐射后，叶绿色分子将其转化为荧光的过程。
这种荧光现象与植物的光合作用密切相关，因此可用于检测植被状况和估算总初级生产力，即植物通过光合作用固定的碳总量。
当植物受到光照时，大部分能量用于进行光合作用，而一部分能量则转化为热量耗散掉。
很少一部分能量转化为波长更长的光，即叶绿素荧光。
这种荧光现象本身并不是新发现，早在几十年前，植物学家就已经认识到它是有效监测植物生理状态变化的直接无损方法。
叶绿素荧光的强度和光谱特征可以反映植物的光合作用能力和健康状况。
当植物受到胁迫或环境变化的影响时，其叶绿素荧光特性会发生变化，因此可以作为植被状况的敏感指示器。
遥感技术则利用卫星或飞机搭载的传感器来探测地球表面的信息，包括叶绿素荧光信号。
通过测量不同地点的叶绿素荧光强度和光谱特征，可以反演植物的光合作用能力和健康状况，进而估算区域或全球尺度的植被生产力、碳汇等参数。
这种方法的优点是能够快速获取大范围的数据，并可以对植物生长状况进行长期监测。
在叶绿素荧光遥感中，红边区和蓝边区是两个关键的光谱区域。
叶绿素在红边区（约680-750纳米）和蓝边区（约450-490纳米）有较强的吸收峰，因此在这两个区域测量到的荧光信号可以反映叶绿素的状态和含量。
同时，由于叶绿素荧光与光合作用的直接关系，测量到的荧光信号也可以反映植物的光合作用能力。
此外，PRI（Photochemical Reflectance Index）是一种常用的植被指数，用于估算叶绿素荧光和光合作用效率。
其原理在于，当植物接收到超过本身碳同化的能量时，就要耗散掉过剩光能以避免“光氧化”或“光抑制”。
一种方式是叶绿素a的PSII以荧光的形式向外发出，另一种方式是热耗散。
PRI可以通过测量叶片在531纳米和570纳米两个波长处的反射率来计算，其公式为PRI=（R531−R570）/（R531+R570）。
PRI与叶黄素循环脱环氧化状态有关，可以反映叶绿素荧光的非光化学淬灭动态变化。
叶绿素荧光技术在环境污染监测中的应用
叶绿素荧光技术在环境污染监测中的应用叶绿素是一种重要的植物色素，它不仅是进行光合作用的关键物质，也是水生及陆生生物生态系统中的一个指示性测量参数。
叶绿素荧光则作为一种非常有效的分析方法广泛应用于环境污染监测中，为科学家们提供了一种新的视角来观测生态系统的变化。
叶绿素荧光技术的原理叶绿素荧光是叶绿素在光照条件下发出的一种微弱荧光。
光合反应链中的光能起到激发叶绿素分子的作用，激发后的叶绿素通过一系列光合作用反应链将光能转化为化学能，并且向氧化还原电位较高的物质传递。
在某些状况下，氧化还原过程被阻碍，电能产生积累，而此时就会发生光能自发的发光，这种光即为叶绿素荧光。
在叶绿素荧光技术中，使用荧光仪激光来激发植物叶片产生荧光，并通过检测荧光的强度来分析叶片中叶绿素的含量等关键参数。
这种荧光强度通常用FP值来表示，因此叶绿素荧光可以被用于检测植物的光合作用强度、重金属污染、突变等方面。
叶绿素荧光在环境污染监测中的应用叶绿素荧光技术被广泛地应用于环境污染监测中。
在监测水体污染方面，通过检测水中的原生质或藻类叶绿素荧光，人们能够了解当前水体中的营养物浓度和藻类生物群落的状况。
几乎所有光合生物植物都含有叶绿素，它们之间的叶绿素含量差别可以用来检测植物在污染环境下的适应性变化。
因此，这种技术在监测工业或农业污染排放中具有重要作用。
叶绿素荧光技术在农业方面的应用也逐渐涉及到了环境污染控制。
植物生长环境中的化学物质和其他污染因素可以对叶绿素产生影响，因此科学家可以通过对叶绿素荧光的分析来了解到植物生长环境的重要参数，例如温度、光照和水分等。
通过利用这些数据来对植物种植环境进行改善，可以提高植物的生产效率和减少对环境的负面影响。
未来展望虽然叶绿素荧光技术已经被广泛地应用于环境污染监测和植物生长环境控制方面，但是随着相关技术的不断发展和科学家对其作用的深入研究，叶绿素荧光技术在环境科学领域中的应用前景仍然十分广阔。
未来，此技术可能成为环境污染监测和生态保护的主要方法之一，其在工业生产和农业领域中的应用也将不断扩大。
植物日光诱导叶绿素荧光的遥感原理及研究进展
植物日光诱导叶绿素荧光的遥感原理及研究进展一、本文概述植物叶绿素荧光作为一种非侵入性的生物光学现象，已经成为遥感科学领域的研究热点。
叶绿素荧光主要来源于植物在吸收阳光能量后，经过一系列光化学反应产生的能量释放。
这一过程不仅能够反映植物的光合作用活性，还能提供关于植物生理状态、环境胁迫和生态系统功能的重要信息。
本文旨在深入探讨植物日光诱导叶绿素荧光的遥感原理，总结并分析近年来该领域的研究进展，以期为叶绿素荧光遥感技术的发展和应用提供理论支撑和实践指导。
文章首先将对植物叶绿素荧光的产生机制进行详细阐述，包括其光化学过程和影响因素。
在此基础上，进一步介绍叶绿素荧光遥感的基本原理和技术方法，包括荧光信号的获取、传输和处理等关键环节。
接着，文章将重点综述近年来植物叶绿素荧光遥感在生态系统监测、环境胁迫评估、作物生理状态诊断等方面的应用实例和研究成果。
文章还将对叶绿素荧光遥感面临的挑战和未来发展趋势进行探讨，以期为相关领域的研究者和技术人员提供有益的参考和启示。
二、植物叶绿素荧光的产生机制植物叶绿素荧光，作为一种光化学反应的产物，其产生机制涉及到光合作用过程中的能量转换和光保护机制。
叶绿素作为植物光合作用的核心色素，主要吸收光能并将其转换为化学能，驱动植物的生长和发育。
然而，当植物吸收的光能超过其光合作用系统所能利用的范围时，就会发生光抑制现象，导致叶绿素荧光的产生。
在光合作用的光反应阶段，植物通过叶绿素吸收光能，将水分解为氧气和电子，同时生成高能磷酸键，为暗反应提供能量。
然而，当光能过剩时，叶绿体内的反应中心会受到损伤，导致电子传递链受阻，从而产生荧光。
这种荧光是叶绿素分子在受到激发后，从高能级向低能级跃迁时释放的能量。
叶绿素荧光的产生与植物的光保护机制密切相关。
为了应对光能过剩带来的压力，植物会启动一系列光保护策略，包括非光化学猝灭（NPQ）和光呼吸等。
非光化学猝灭是一种通过热能形式耗散过剩光能的机制，而光呼吸则是在光合作用暗反应阶段通过消耗氧气和还原力来减轻光抑制。
叶绿素荧光原理与应用
(Fm’-Fs)/Fm’―作用光存在时PSII的实际的 量子效率(φPSII)，即PSII反应中心电荷分离的 实际的量子效率。
Fs是稳态荧光水平，Fm’是在作用光存在 时一个饱和光脉冲激发的荧光水平。计算这个 参数不需要准确测定Fo，不受Fo变化的影响。 PSII 实 际 的 电 子 传 递 的 量 子 效 率 这 个 参 数 [φPSII=(Fm’-Fs)/Fm’]不仅与碳同化有关，也与 光呼吸及依赖O2的电子流有关。
Fi―荧光诱导动力学曲线O-I-D-F-T中I水平的荧光强度 Fp―荧光诱导动力学曲线O-I-D-P-T中P水平的荧光强度 Fs―荧光诱导动力学曲线O-I-D-P-T中T水平的荧光强度 Fm―黑暗中最大（maximum）荧光，它是已经暗适应 的光合机构全部PSII中心都关闭时的荧光强度，qP=0。 这时所有的非光化学过程都最小，qN=0，这是标准的最 大荧光。
Fv/Fo－ 是 Fv/Fm 的 另 一 种 表 达 方 式 ， Fv/Fo=(Fv/Fm)/(1-Fv/Fm)。Fv/Fo不是一个直接的效率指 标，但是它对效率的变化很敏感，一些处理引起的 Fv/Fo 变 化 的 幅 度 比 Fv/Fm 变 化 的 幅 度 大 得 多 ， 所 以 Fv/Fo在一些情况下是表达资料的好形式。
植物体内光合量子效率调节的一个重要方面。
非光化学猝灭涉及三个不同的机理： qE——依赖类囊体膜内外的质子浓度差 ，暗弛豫的半时间 t1/2<1min，快相。 qT——依赖状态1向状态2的转换，PS II的捕光复合体磷酸化 ，脱离PS II，从类囊体的基粒区迁移到间质片层区，从而减 少 激 发 能 向 PS II 的 分 配 ， 增 加 激 发 能 向 PS I 的 分 配 ， t1/2=8min，中间相。它比qE和qI小得多，强光下qE和qI增加， 而qT受抑制。 qI——与光合作用的光抑制有关，可变荧光与最大荧光比值 的降低，t1/2=40min，慢相。关于这后一种非光化学猝灭，有 三种假说。假说一：这种非光化学荧光猝灭起源于PS II的反 应中心，部分PS II中心发生变化，虽然还能捕捉激发能，但 不能进行光化学反应，而把能量变成热。假说二：这种非光化 学荧光猝灭起源于PS II的天线色素，它通过非辐射能量耗散 消耗激发能，与叶黄素循环过程中生成的玉米黄素有关。假说 三：这种非光化学荧光猝灭与D1蛋白的失活和降解有关
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Dong H , Wan JM, etc, Plant Physiol. 2013 162: 1867-1880
叶绿素荧光原理及理论
2 Fv/Fm 的应用
Shahbazi M, Kuntz M. Plant Physiology, 2007(145), 691-702
叶绿素荧光原理及理论
2.1 Fv/Fm 常用来表示光系统II（PSII）的活性
FV/FM: 暗适应下PSII的最大光化学效率，也被称为开放的PSII
反应中心的能量捕捉效率 。
FV/FM= (FM-FO)/FM
FV：最大可变荧光； FV= FM-FO
FV/FO， FM/FO 是 FV/FM 的另外两种表现方式，不是一个直接的效率指 标，但是它对效率的变化更敏感。因此在特定情况下也是一种好的表 达方式，最近的文献很少有该类参数的出现。
PFD ： 光通量密度，单位(μmol·m-2·s-1), α： 叶片吸光系数，一般为0.84
ห้องสมุดไป่ตู้叶绿素荧光原理及理论
三：荧光淬灭参数
qP; qNP; NPQ
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qP : 光化学淬灭系数，反 映总PSⅡ的反应中心开放反应中心
所占的比例。1-qP则表示关闭反应中心所占的比例。
qP = (FM’-FS)/(FM’-FO’)
qNP : 非光化学淬灭系数。
qNP = (FM’-FO’)/(FM-FO)
NPQ : 非光化学淬灭；反映热耗散的变化。
NPQ = FM/ FM’ - 1
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四：其他荧光参数
● 区分过剩光能耗散不同方式的荧光参数：
qE：高能态荧光淬灭（依赖于跨膜质子梯度）
qT：与状态转换相关的荧光淬灭（捕光色素复合体与PSII分离） qI： 与光抑制相关的荧光淬叶绿灭素（荧由光于原理产及生理光论抑制引起的荧光淬灭）
● ФPSII（ Ф II）+ ФNPQ + Ф NO = 1 ФPSII：实际光化学效率
（光化学量子产额）
ФNPQ：包括天线耗散和反应
中心的失活
ФNO：非光诱导的淬灭
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● 表示光合电子传递去向的荧光参数：
Je(PSII) =0.5 × α× ФPSⅡ × PFD；单位时间内通过PSII的全部电子流
●：33% ○：78% ▼：100%
第一部分：叶绿素荧光仪的原理 第二部分：脉冲调制荧光参数测定原理及意义 第三部分：荧光数据在光合研究中的应用
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第一部分：叶绿素荧光仪的原理
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一 叶绿素荧光的分类：
瞬时荧光(PF)
按照荧光发生的时间分类：
延迟荧光(DF)
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按照荧光测定方式分类：
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叶绿素荧光原理及理论
第二部分：脉冲调制荧光参数测定原理及意义
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一：叶绿素荧光的五个基本参数
FO； FM； FS； FM’； FO’
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FO ：最小荧光（或基础荧光等）；充分暗适应的光合机构全部 PS
瞬时荧光
脉冲调制式荧光 连续激发式荧光
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二 叶绿素荧光仪的分类：
基于脉冲调制式荧光理论的荧光仪： 脉冲调制式荧光仪；双调制式荧光仪；荧光成像荧光仪
基于连续激发式荧光理论的荧光仪： 植物效率分析仪；多功能植物效率分析仪
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三 脉冲调制式荧光仪：
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α = 4 ×(A+Rd)/(PFD × φPSII)
Je(PCR) = 4 (A+Rd)/(1-pO2/(2 ×Sr × CC)) ; 用于碳同化的电子流
Je(PCO) = 4 (Vc ×pO2)/(Sr ×CC) ; 用于光呼吸的电子流 Ja = Je(PSII) - Je(PCR) - Je(PCO); 用于PCR和PCO以外途径的电子流
FM’：光下最大荧光；光适应状态下全部PSII中心都关闭时的荧光
强度 。
FS（FS’）：稳态荧光；稳定光强下，全部PSII反应中心开发关
闭处于平衡状态下的荧光。
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二：表示PSII光化学效率的荧光参数
FV/FM； ФPSⅡ ； ETR（或 J）； FV’/FM’;
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1 荧光参数在文献中常见的出现形式
Sakamoto W, Takahashi Y. The Plant Cell, 2003(15), 2843-2855
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●：33% ○：78% ▼：100%
图示：不同展开程度的大豆叶片荧光参数Fv/Fm的日变化
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Jiang CD et al. EEB 2006
II 中心都开放时的荧光强度 。 一般认为是FO来自天线色素（Chla）。因此一般用 FO的升高来表示反 应中心和天线色素的解离。
FM：最大荧光；充分暗适应的光合机构全部 PS II 中心都关闭时
的荧光强度 。
叶绿素荧光原理及理论
FO’：光下最小荧光；光适应状态下全部PSII中心都开放时的荧光
强度 。
Sakamoto W, Takahashi Y. The Plant Cell, 2003(15), 2843-2855
叶绿素荧光原理及理论
Wingler A, Delatte TL, etc, Plant Physiol. 2012 158: 1241-1251.
叶绿素荧光原理及理论
2.2 Fv/Fm 常用来研究光抑制的程度
FV’/FM’: 开放的PSII反应中心的激发能捕获效率，也称为最大天线
转化效率 。
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ФPSⅡ : PSⅡ实际光化学效率，反 映在照光下PSⅡ反应中心部
分关闭的情况下的实际光化学效率。(△F/Fm’)
ФPSⅡ = (FM’-FS)/FM’
ETR : 电子传递速率（一般指通过光系统的非环式电子传递）。 ETR = ФPSⅡ× PFD ×0.5 ×α
Ja (2% O2) = Je(PSII (2% O2) ) - Je(PCR (2% O2) ) - Je(PCO (2% O2) ); 用于氮同化途径的电子流 Ja (21% O2)-Ja (2% O2)；用于Mehler反应的电子流
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第三部分：荧光数据在光合研究中的应用
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