叶绿素荧光在植物胁迫检测中的应用近十年研究进展与展望

近期，江南大学郭亚教授团队及其合作者在《Photosynthetica》上发表了题为“Recent advances in plant stress analysis using chlorophyll a fluorescence”的综述性论文（https://doi.org/10.32615/ps.2025.037）。该文首先通过文献计量学方法描绘出清晰的知识图谱，指出该领域近10年六大核心研究热点，并前瞻性地探讨了技术应用的瓶颈与未来研究方向。本文将深度解读这篇综述，全面带领读者了解叶绿素荧光检测的研究进展。

一、ChlF 技术原理

ChlF 技术的核心优势源于其与光合作用的内在耦合关系，叶绿素分子吸收光能后，能量会通过三条途径消散：驱动光化学反应（光合作用核心）、以热能形式散失、以荧光形式发射。当植物遭遇胁迫时，光合效率改变，光能耗散的三个途径分配比例也发生改变。通过测量一系列关键叶绿素荧光参数，可无创获取植物光合系统的核心生理信息及胁迫信息。相较于传统监测技术，这项技术的魅力在于其无损、快速、高灵敏和跨时空分辨率的特性。它允许对不同尺度植物进行长期反复监测，捕捉胁迫出现前的生理状况，并可在自然条件下进行原位测量，获得生理状态信息。

二、叶绿素荧光技术近十年研究趋势

图1. 叶绿素荧光应用相关的关键词聚类（2005-2015年）

图2. 叶绿素荧光应用相关的关键词聚类（2015-2025年）

三、六大核心领域

（一）干旱胁迫

干旱是全球影响最广泛的非生物胁迫，核心危害是导致植物气孔关闭、光合机构损伤。大量研究证实，Fᵥ/Fₘ与 PI_abs是反映干旱胁迫强度的核心参数，在小麦、野生大麦、绿豆等多种作物中，其下降幅度与最终粮食产量损失呈直接正相关。同时，叶绿素荧光成像（CFI）技术将 “单点测量” 扩展为 “区域成像”，能捕捉光合效率时空异质性。此外，C₄植物（如玉米）凭借独特 CO₂机制，耐旱性强于 C₃植物（如向日葵），需建立物种特异性ChlF阈值标准。

（二）温度胁迫

温度胁迫分为低温与高温，PSII是两者最敏感的靶标。在低温胁迫研究中，不同荧光参数敏感性存在差异：罗勒幼苗的 Fᵥ/F₀对低温的敏感性高于常用的 Fᵥ/Fₘ，多参数联合分析更利于全面评估；地衣对冷冻温度的光合响应呈 “S” 形曲线，且临界温度阈值存在物种特异性，拓展了非作物植物冻害适应机制的认知。高温胁迫的核心危害是破坏 PSII 结构、抑制电子传递并引发活性氧（ROS）爆发。更具突破性的是，ChlF 技术实现了 “生理 - 遗传” 跨尺度整合。对小麦研究中发现 OJIP 曲线 O-J 相变化与 PI 参数能有效筛选光合功能稳定的耐热基因型；水稻研究中，通过全基因组关联分析（GWAS），将 Fᵥ/Fₘ与每穗粒数（GNPP）结合，成功定位 3 个耐热相关QTL 与候选基因，筛选出优异耐热种质。

（三）盐胁迫

土壤盐渍化严重抑制光合作用。传统观点认为盐胁迫下光合下降主要由于气孔关闭，但 ChlF 与气体交换联合监测结果表明，其主要原因在于 PSII 活性降低，实现了从“气孔限制”到“非气孔限制”的认知转变。此外，盐胁迫对光合系统的损伤具有“剂量效应”与“全链影响”。例如在番茄中，当 NaCl 浓度达到一定水平时，OJIP 曲线改变，能量吸收与电子传递能力下降，活性反应中心减少。研究表明，抑制不仅发生在 PSII 供体侧，也延伸至 PSI 受体侧，导致整体电子传递链受到系统性抑制。在耐盐筛选与缓解方面，ChlF 技术具有重要价值。耐盐作物可通过维持反应中心密度与电子传递效率补偿光合色素损失。不同品种的耐盐性差异可通过荧光参数有效区分 。

（四）水胁迫

涝害会引发根际缺氧，并快速传导至叶片，损伤光合机构。核心荧光参数 Fᵥ/Fₘ与 Y(II) 对涝害高度敏感，且长期涝害会导致二者及电子传递能流（ET/CS）显著下降，反映PSII反应中心损伤与线性电子传递受抑制。但PSII反应中心损伤并不是线性，短期涝害可能因水状况改善而轻微促进光合，持续胁迫则转为抑制，说明需严格考虑胁迫的“时间窗口”。同时，植物对涝害的响应具有空间异质性及生长阶段依赖性。例如完全淹没叶片 Y(II) 大幅下降，而上部暴露叶片影响较小；CFI 技术能捕捉叶片不同区段的敏感性差异。不同生育期对涝害的反应也不同，如冬小麦分蘖期受害严重，灌浆期轻度涝害反而可能提升光合能力。

（五）毒性胁迫

重金属、纳米颗粒、有机污染物等毒性胁迫可通过损伤类囊体膜、抑制 PSII 活性等方式破坏光合作用。不同毒性因子对光合系统的干扰具有独特的“荧光指纹”，为污染类型诊断提供可能。例如镉（Cd）主要抑制 PSII 能量转换效率，锌（Zn）则更显著损害电子传递链完整性；铜（Cu）对浮萍光合作用的影响呈双相性，低浓度可刺激光合效率，高浓度则导致 PSII 不可逆损伤。在有机污染物监测中，叶绿素荧光（ChlF）技术也显示出较高灵敏度。例如基于 OJIP 曲线构建的新型光合响应指数对三嗪类除草剂的检测灵敏度优于传统参数，并能区分不同毒性等级。

（六）氮胁迫

叶绿素荧光技术可用于量化氮胁迫下光合系统的功能变化。值得注意的是，不同植物对氮胁迫的适应策略存在差异。水稻耐低氮品种如CR Dhan 311能通过调节qP与NPQ维持较高光合效率；耐低氮品种济粳88在胁迫恢复中Y(II)、Fᵥ'/Fₘ'、ETR等参数波动小、恢复能力强。大豆则表现出独特策略：氮胁迫下Fᵥ/Fₘ、Y(II)等参数变化不显著，其通过调整能量分配，优先保证生殖生长，提示仅靠“状态参数”如Fᵥ/Fₘ可能不足以全面反映适应机制，需结合“通量参数”及光保护分析。

四、总结与讨论

叶绿素荧光技术已从一种卓越的植物生理“听诊器”，演进为能够解析胁迫机制、筛选抗逆种质、评估调控方案的多功能平台。其无损、灵敏、动态的本质优势使其在植物、生态和农业应用中不可替代。尽管成果丰硕，当前研究仍面临两大核心瓶颈：基础认知上，对复合胁迫下植物内在响应机制的解析尚不充分；技术应用上，实验室精密测量与田间复杂环境的鸿沟亟待跨越。

展望未来，随着人工智能、高通量表型和多组学分析的强力赋能，ChlF技术正朝着智能化、系统化、实用化的方向飞跃。它有望成为未来智能农业的“核心导航仪”，不仅在基础科学上更深入地揭示植物与环境对话的奥秘，更将在实践中引领一场以植物内在生理状态实时感知为基础的精准农业革命，为全球粮食安全保障与生态可持续发展的挑战提供强大的解决方案。