Описание:

• Современная лабораторная система для исследования фотосинтетической эффективности растений
• Вариант M-PEA-1 для быстрого измерения флуоресценции и модулированного поглощения P700+
• Вариант M-PEA-2 аналогичен M-PEA-1 с дополнительными возможностями измерения задержанной флуоресценции (DF) и поглотительной способности листьев
• Сложный блок датчика со всеми оптическими излучателями и детекторами в надежном, закрытом корпусе
• Подключение к Windows ПК через USB
• Комплексная программное обеспечение под Windows для передачи и анализа данных

M-PEA (многофункциональный анализатор эффективности растений) сочетает высококачественные быстрые измерения кинетики флуоресценции и исследования поглощения P700+ с новаторскими измерениями задержанной флуоресценции (DF) и является одной из наиболее универсальных систем для исследования фотосинтетической активности имеющихся растений.

Лабораторная измерительная система M-PEA состоит из блока управления и сложного надежного блока датчиков, включающего все оптические излучатели и детекторы для всех элементов измерений.

Система управляется с помощью пакета комплексного программного обеспечения под Windows® (M-PEA+), который позволяет разрабатывать комплексные эксперименты, загружать и воспроизводить их с помощью оборудования M-PEA. Регистрируемые данные загружаются в программное обеспечение через USB соединение.

Блок управления имеет компактный размер с минимальными габаритами и позволяет проводить измерения в лабораториях, где свободное пространство ограничено и предъявляются высокие требования к размерам оборудования. Передняя панель состоит из выключателя, светодиодного индикатора, коннектора для оптического датчика и 4 строчного жидкокристаллического дисплея. Задняя панель содержит вход + 12 В для подключения источника питания и порт USB 2.0 для подключения ПК с программным обеспечением M-PEA+, работающим под Windows®.

Разработанный блок оптического датчика установлен в надежном корпусе и включает в себя сложную электронику, которая эффективно управляет всеми источниками света и детекторами. Датчик M-PEA-1 включает актинический источник красного света высокой интенсивности, источник света, отдаленный от красного, быстрый детектор флуоресценции и пару модулированных излучателя/детектора для измерения поглощения P700+. M-PEA-2 дополнительно включает высокочувствительный детектор задержанной флуоресценции и детектор для измерения поглотительной способности листьев.

 

 

Вся оптика расположена за кварцевым окном, которое закрывает блок датчиков, обеспечивая эффективную защиту для оптических сборок от пыли, грязи и влаги.

 

Программное обеспечение

Программное обеспечение M-PEA+

M-PEA Plus является специализированным программным пакетом под Windows®, созданным для экспериментального проектирования, развертывания и всестороннего анализа записанных данных.
M-PEA Plus содержит два основных элемента:

Редактор протоколов M-PEA Plus

Редактор протоколов позволяет программировать эксперименты для развертывания в системе M-PEA. Эксперименты могут варьироваться по сложности от простого 1 секундного быстрого измерения флуоресценции вплоть до повторения, нескольких вспышек измерений с использованием быстрой и задержанной флуоресценции, измерения поглощения P700+ и относительного поглощения для исследования активности PSI и PSII комплексов в рамках фотосинтетического аппарата.

 

Модули анализа данных

После того, как записанные данные с блока управления загружаются в программное обеспечение M-PEA Plus, ряд вкладок отображается в главном интерфейсе, каждая из вкладок по различному отображает загруженные данные. Эти инструменты состоят из множества графических и численных методов отображения данных, включая линейные графики записанных данных, диаграммы и полные табличные данные.

 

Общие параметры

Общие измеряемые параметры

Fo

Параметр Fo отражает эмиссию возбужденных молекул хлорофилла в сети структуры фотосистемы II. Истинный уровень Fo наблюдается только тогда, когда первый стабильный акцептор электронов фотосистемы II называемый Qa полностью окисляется. Это требует полной адаптации к темноте. Fo имеет место на нулевой отметке времени. Это мгновенный промежуток времени (наносекунды) нарастания до начального уровня флуоресценции хлорофилла во время облучения с применением хлорофилл флуориметра. В связи с ограничениями в электронных технологиях и скорости детектирования флуоресценции невозможно измерить истинное значение Fo. Однако, возможно вычислить уровень Fo с высокой степенью точности применяя математические алгоритмы. 
 

 

Fm
Fm – максимальное значение флуоресценции хлорофилла, получаемое при продолжительном облучении светом высокой интенсивности. Этот параметр может быть определен как максимальная флуоресценция только, если интенсивность света, создаваемого хлорофилл-флуориметром, насыщает растение и акцептор электронов полностью блокируется. Если интенсивность света, используемая при регистрации недостаточна, растение не будет насыщено при любых условиях. Пиковый уровень флуоресценции (Fp) достигаемый при этих условиях не будет максимальным и не может быть использован как Fm. В следствие этого отношение Fv/Fm не будет корректным и отношение Fv/Fp будет ниже. Этот случай описывает использование старых хлорофилл флуориметров с низкой максимальной интенсивностью возбуждающего света из-за ограничений в технологиях.

Быстрый прогресс в области светодиодных технологий позволяет современным аналитическим приборам включать в себя светодиоды высокой яркости, обеспечивающие интенсивности света для полного насыщения в малых  более управляемых приборах, таких как флуориметры Handy PEA, Pocket PEA и M-PEA.

Fv
Параметр Fv указывает на переменную составляющую записи и относится к максимальной способности для фотохимической реакции. Он вычисляется как разница параметров Fm и Fo.

Fv/Fm
Fv/Fm – параметр, который широко применяется для индикации максимальной квантовой эффективности фотосистемы II. Этот параметр является чувствительным показателем фотосинтетической эффективности растений, для здоровых образцов максимальный коэффициент Fv/Fm обычно достигает значения 0,85. Значения ниже этого могут быть получены, если растения были подвержены каким-либо биологическим или небиологическим стрессовым факторам, которые снижают способность к фотохимическому гашению энергии в PSII. Fv/Fm представлен как отношение переменной флуоресценции к максимальному значению флуоресценции.

Tfm
Tfm – параметр, который указывает на время достижения максимального значения флуоресценции (Fm). Этот параметр может быть использован для индикации стресса образца, который вызывает достижения Fm намного раньше, чем ожидается.

Area
Область выше кривой флуоресценции между Fo и Fm пропорциональна размеру пула акцептора электронов Qa на восстановительной стороне фотосистемы II. Если перенос электронов от реакционных центров в пул хинонов заблокирован, как при действии фотосинтетически активного гербицида DCMU эта область будет резко снижена.

Area очень полезный параметр, так как он отражает любые изменения в форме кинетики индукции между Fo и Fm, что, не очевидно исходя из других параметров таких как Fo, Fm, Fv/Fm, которые лишь выражают изменения амплитуды крайних значений Fo и Fm. Примером ее использования будет определение временной зависимости проникновения гербицида в лист через определение изменений в кинетике индукции во времени.

 

OJIP-параметры

Временные параметры

Программное обеспечение The PEA Plus и M-PEA извлекает значения флуоресценции хлорофилла из записанных хлорофилл-флуориметрами Handy PEA, Pocket PEA и M-PEA данных и предопределяет 5 временных отметок:

T1 = 50 мкс
T2 = 100 мкс
T3 = (K step) 300 мкс
T4 = (J step) 2 мс
T5 = (I step) 30 мс

Значения флуоресценции хлорофилла на этих временных отметках используются для дальнейшего вывода ряда биофизических параметров, относящихся к нулевой отметке времени (начало индукции флуоресценции), что количественно отражает поведение фотосистемы II для (А) удельных потоков энергии (в реакционном центре) для:

•  Поглощения
•  Захвата
•  Рассеивания
•  Электронного транспорта

и (В) отношения потоков или выходов:

Максимальный выход первичной фотохимии

Эффективность с помощью которого захваченный экситон может перемещать электрон в цепи переноса электронов дальше чем QA-

Квантовый выход электронного транспорта

Также вычисляется концентрация активных реакционных центров PSII в возбужденном поперечном сечении ().

 

Параметры индекса производительности (OJIP Анализ)

Индекс производительности (PI) по сути является показателем жизнеспособности образца. Это общее выражение, указывающее на вид внутренних сил образца, чтобы противостоять влияниям извне. Именно PI является значением силы, при использовании логарифмической шкалы. Поэтому можно утверждать:
PI или индекс производительности вычисляется по уравнению Нернста. Это уравнение, которое описывает силу окислительно-восстановительных реакций и в общем движений свободной энергии Гиббса в биохимических системах.

 

P700+
Модулированные измерения поглощения P700+

 

 

Фотосинтетическая цепь переноса электронов состоит из 3 больших белковых комплексов фотосистемы II (PSII), цитохром (cyt b6/f), фотосистемы I (PSI). Р700 это термин, используемый для описания хлорофилла в реакционном центре PSI, так как это длина волны света, к которому фотосистема является наиболее реактивной. При освещении с помощью сильного источника света, фотосинтетический перенос электронов почти полностью прекращается.

Электроны из этого сокращения в свою очередь активируют фермент редуктазы ферредоксин-NADP+, что приводит в конечном итоге к уменьшению NADP и фиксации СО2. Этот начальный процесс восстановления представлен в шагах O-J-I-P индукционной кривой Каутского во время быстрых измерений флуоресценции.

Окисление P700 приводит к увеличению поглощения при длине волны падающего излучения в 800 - 850 нм диапазоне. М-PEA измеряет передачу Р700 с использованием модулированного светодиода с пиком излучения на длине волны 820 нм и высокочувствительного фотодиода для контроля за абсорбцией PSI комплекса при быстрых измерениях флуоресценции.
Поскольку светодиод 820 нм не актинический, M-PEA может использовать свет высокой интенсивности, не нарушая PSII комплекс. Таким образом, M-PEA представляет собой удобный, надежный способ измерения флуоресценции хлорофилла и передачи на 820 нм одновременно, что позволяет изучать процесс переноса электронов во время индукции Каутского в обоих концах фотосинтетической системы транспорта электронов.

М-PEA также оснащен источником дальнего красного света, который может быть использован для преимущественного возбуждения PSI комплекса. Повторное восстановление происходит через цепь межсистемного переноса электронов и активность PSII, с электронами, возникающими в результате гидролиза.

M-PEA использует оптически отфильтрованное модулированное светодиодное излучение длинной волны 820 нм для высококачественных измерений поглощения P700+. Активность P700+ записывается с использованием оптимизированного малошумящего PIN-фотодиода с быстрым откликом и 16 битным аналого-цифровым преобразователем, обеспечивающим отличное соотношение сигнал-шум. Измерения быстрой флуоресценции и Р700+ наносятся на одни и тех же оси в программном обеспечении M-PEA +.

 

DF
Измерения задержанной флуоресценции
 

 

Задержанная флуоресценция (DF) имеет много общего с быстрой флуоресценцией (PF), потому что происходит из тех же молекул хлорофилла антенных комплексов фотосистемы II. DF, по существу, свет, который излучается из зеленых растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий в течение короткого времени после того, как они подверглись воздействию света, но после того, как быстрое флуоресцентное излучение ослабло. Задержанная флуоресценция происходит в красно-инфракрасной области спектра (так же, как быстрая флуоресценция хлорофилла). Тем не менее, интенсивность задержанной флуоресценции ниже, чем у быстрой флуоресценции по крайней мере, на два порядка величины, следовательно, требуется аппаратура чрезвычайно высокой чувствительности для измерения сигнала.

Как и PF, свойства DF излучения очень чувствительны к функциональному состоянию фотосистемы II и фотосинтетической цепи реакций в целом. Теоретически, DF несет еще больше информации о процессах фотосинтеза, чем PF. Тем не менее, прибор для измерения флуоресценции можно найти практически во всех растительных научно-исследовательских лабораториях, в то время как DF не получил большую популярность в качестве практического метода для изучения фотосинтезирующих организмов. Одной из причин такой несправедливости является то, что DF регистрировать сложнее, чем PF. Но самая большая трудность в использовании DF является  в его интерпретации, или извлечении ценной информации из этого крайне сложного сигнала.

К счастью, в последние годы мы стали свидетелями значительных успехов как в развитии электронной техники, так и в теории измерений DF. Мы получаем все больше и больше возможностей использовать DF для практических научных исследований. Именно сочетание этих 2-х факторов, привело к развитию M-PEA.

Задержанное флуоресцентное излучение, естественное для всех зеленых растений, было известно ученым на протяжении более пятидесяти лет. Впервые оно было обнаружено Стрелером и Арнольдом (1951), когда они пытались использовать люминесценцию светлячка для измерения светоиндуцированного накопления АТФ в зеленой водоросли Chlorella. Они обнаружили, что даже без добавления люциферазы и люциферина, при освещении в темноте возникало долгоживущее свечение водорослевых клеток и хлоропластов.

Наблюдаемая задержанная флуоресценция была характерна для различных используемых образцов фотосинтезирующих листьев (Стрелер и Арнольд 1951), хлоропластов и фотосинтезирующих бактерий (Арнольд и Томсон 1956). Стрелер и Арнольд предположили, что это на самом деле была хемилюминесценция хлорофилла, вызванная реверсированием фотосинтезирующих реакций. Тесная связь между DF и фотосинтетическими реакциями была несомненно подтверждена во многих исследованиях, а иногда DF была определена как более чувствительная, чем быстрая флуоресценция (Kramer и Crofts, 1996).

 

Варианты

Сравнительная таблица вариантов исполнения M-PEA

M-PEA-1	M-PEA-2
Быстрая флуоресценция - да	Быстрая флуоресценция - да
Поглощение Р700+  - да	Поглощение P700+ - да
Задержанная флуоресценция - нет	Задержанная флуоресценция - да
Относительная поглотительная способность - нет	Относительная поглотительная способность - да