全 文 ：第 17卷 第 4 期 量 子 电 子 学 报
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红背桂叶片的延迟发光研究
王维江 ` 邢 达 2 谭石慈 “ 韩俊英
( 1 广东工业大学应用物理系 广州 5 10 0 90
( 2 华南师范大学激光生命科学研究所 广州
( 3 中山医科大学医学遗传学教研室 广州
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摘 要 采用超弱发光图像探测系统对红背桂叶片及其它一些植物样品进行了延迟发光图像探
测 . 结果表明 , 延迟发光与生物样品的种类及所处的代谢阶段有关 , 可提供植物光合作用 、 细胞分裂
和能量转换的重要信息 . 叶绿素在植物延迟发光中起重要作用 , 但细胞分裂对延迟发光也有影响 .
植物经白光诱导后的发光衰减接近双曲线规律 , 与生物光子的相干理论相吻合 . 另外 , 实验结果也
能较好地用双指数曲线拟合 , 表明延迟发光可能来源于植物细胞内两个不同的随机发光系统 .
关键 词 延迟发光 , 红背桂 , 叶绿素 , 像增强器
1 引 言
生物超弱发光包含自发的和外因诱导的发光两大部分 , 其中光诱导的超弱发光称为延迟发
光 (de lay ed hi m i n es c e n c e , D L ) 。 生物 (特别是植物 ) 受光照作用后 , 其发光强度远远大于 自发
发光的强度 , 利用超弱发光图像探测装置可以直观地 、 实时地监测生物不同部位 、 不同代谢阶
段或受不同环境影响时的发光及其变化情况 . 为研究光合作用 、 细胞分裂 、 生长调控 、 信息传
递 、 癌变 、 衰老 、 死亡及环境监测提供了有力的工具 。 本文实验对红背桂叶片的 D L 进行了连
续的图像探测 , 并与其它一些植物的 D L 进行了对比和讨论 .
2 实验装置和方法
图 1 是超弱发光图像探测系统结构简图 。 该系统是以微通道板像增强器为核心的超高灵
敏度成像系统 。 可实时提供被测样品的二维光强分布信息和图像 【`一 3 ] 。 光阴极的光敏波长在
35 0一 85 0 n m 范围内 , 像增强器增益可调节 (在 1沪一 10“ 范围内) , 致冷 C C D 在 一 50 ℃时暗计
数率为每像素每秒 0 . 5 个计数 , 数据经控制器采集到计算机里 , 配合信号图像增益修正和背景
噪声扣除等技术 , 由计算机对图像进行显示及分析 .
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收稿日期 : 19 9于 1 1一 24 ; 修改日期: 2 0 0 0 一 0 1一 2 3
第 4期 王维江等 :红背桂叶片的延迟发光研究
3延迟发光的图像探测与数据处理
3
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1图像探测
取自然状态下生长的红背桂 ( E cx o ec ar ia co cl i n cl il le ls is L ou r )同一枝上的两个叶片 , 如
图 2 二 所示 , 左边为趋于成熟的叶片 , 右边为尚未展开的幼叶 . 图 2 中 a 、 b 、 c 、 d 分别是
红背桂叶片受 白光照射 ( 1 0 1 1101 >l o t o n s m 一 2 5一 ` ) 2分钟后放入暗室中延迟 70 秒 、 8 2 秒 、 9 4
秒 、 10 6 秒的 D L 灰度图像 , 每幅采集时间 10 秒 . 另外 , 取自然状态下生长的一品红 (uE p h o r ib 、
p 。 clI le r dl n a w 讯d . ) 不同叶片两个 , 如图 3 所示 , A 图为经裁剪后的两叶片外形图 , 其中左边
( l) 为红色叶片 , 右边 (2 ) 为绿色叶片 。 B 图为它们受光照后延迟 10 秒的 D L 图像 ; 其中红色
叶片的 D L 儿乎观测不到 , 但绿色叶片的 D L 图像却很明显 。
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.3 2 数据处理
图 4 为同一株上红背桂上不同发展阶段的叶片所对应的 D L 相对强度图 。 对红背桂叶片
D L 的实验数据 (不同延迟时间 `所测得的光子计数值 I) 分别选用双曲线 、 指数曲线和双指数
曲线进行拟合 。
用双曲线对实验数据进行拟合 (图 5 ) , 回归方程为
I = 85
.
0 + 3 78 7
.
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.
曲线的标准偏差 二 , = 7 . 2 。
3 12 量 子 电 子 学 报 17卷
用指数曲线对实验数据进行拟合 (图 6 ), 回归方程为
I = 10 8
.
0 + 10 4
.
9。 一 0 2 0 8 t
曲线的标准偏差 , , = 2 4 . 1 。
用双指数曲线对实验数据进行拟合 (图 7 ) , 回归方程为
I = 5 1 0
.
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4 讨 论
植物的 D L 图像能够提供很多有用的生理学信息 , 在光诱导条件相等的情况下 , 不同植物
或同一植物样品不同部位的 D L 是不同的 . 由图 2 可看出红背桂不同部位的 D L 及衰减程度是
不同的 . 图 4 表明 , 同一株上不同发展阶段的红背桂叶片 D L 强度是不同的 。 幼叶的 D L 较弱 ,
随着叶片的生长和成熟 , 其 D L 也逐渐增强 , 成熟叶片的 D L 最强 . 其后 , 随着叶片的衰老 ,
它们的 D L 又逐渐减弱 , 完全枯黄的叶片其 D L 接近本底 . 叶片是植物进行光合作用的主要器
官 , 成熟叶片的光合作用较强 , 而幼叶和茎部的光合作用较弱 . 据我们前期的研究 以 ” ] , 植物的
D L 与植物体内的叶绿体含量有关 , 叶绿素在其中起重要作用 , 这说明植物的 D L 可能主要来 自
于叶绿体类囊体膜上进行的光合作用过程 。 图 3也形象地反映了叶绿素 (或叶绿体 )在植物 D L
中的重要作用 . 同是一枝一品红上的叶子 , 绿色叶片的 D L 较强 , 而不含叶绿素的红色叶片则
第 4期 王维江等 :红背桂叶片的延迟发光研究
几乎没有 D L.叶绿素是叶绿体内的一种主要的光敏化剂 , 有理论认为 叫 叶绿素吸收光能后跃
迁到激发单线态 , 再通过系间穿越布居到寿命较长的三线激发态 . 在有氧情况下 , 三线态叶绿
素分子将能量传递给氧 , 使 O : 转化为单线态氧 ` 0 2 , 其它活性氧之间的转化也能形成 ` 0 2 。 而
三线态叶绿素分子又复原成基态叶绿素分子 , 当 1 0 : 的激发电子回复到基态时即有光子产生 .
此外 , 三线态叶绿素也能与膜脂不饱和脂肪酸作用 , 生成脂质自由基 , 并由此导致膜脂的过氧
化链锁反应 。 过氧化自由基复合时能形成处于激发态的过氧化物 , 其退激时也可发出光子 。
另外 , 实验中还发现翠菊 (C al ist eP h us C il le sn is N e s . ) 花冠中心处的花瓣 (不含叶绿素)
的 D L 较强 , 而外围花瓣的 D L 则很弱 . 提示植物的 D L 不完全取决于叶绿素 (或叶绿体 ) , 还与
有丝分裂或生长代谢有关 , 是植物各种生理活动的综合反映 .
红背桂叶片的 D L 实验数据的曲线回归 (如图 5 、 6 所示 ) 说明 , 用双 曲线拟合明显优于
指数拟合 , 尤其当衰减时间小于 13。秒时 。 双曲线衰减规律说明生物系统内各个激发态分子之
间是相互偶联的 , 它们可能通过生物系统 内存在的电磁场相互联系 , 这一点与生物光子的相干
理论 s[] 是一致的 。 另一方面 , 实验数据也能较好地用双指数曲线 (如 图 7 所示 ) 加以拟合 , 说
明植物的 D L 可能来自于植物体内两个具有不同衰减速率的发光系统 , 实验中所测的光子计数
为两个发光系统随机发光的非相干叠加 , 而且两个发光系统在不同的衰减时间对 D L 的贡献也
是不同的 。 有实验 01[ 表明植物的 D L 主要与光系统 n 有关 , 光系统 I 对发光则有较小的贡献 ,
而且认为光系统 I 的发光来自于对光系统 1 发光的重吸收 。 另外 , 实验中发现 , 当衰减时间超
过 130 秒后 , D L 的光子计数表现出涨落现象 (如图 8 所示 ) 。 这种现象除了光子计数本身的统
计涨落外 , 还可能反映了植物体内质醒的氧化还原状态及 AT P 和 N A D P H 比例的平衡受到破
坏以及重新达到平衡的调整过程 v[] 。
植物 D L 包括 “ 瞬时 ” 荧光 、 磷光 、 延迟荧光和化学发光等 . 就物理机制来看 , “ 瞬时 ”
荧光 、 磷光是由光能直接激发的 , 它们的寿命较短 , 而延迟荧光的衰减比同种分子 “ 瞬时 ” 荧
光的衰减要慢得多 . 化学发光的激发能是化学反应过程中释放出的化学能 , 常伴有氧化还原反
应 . 植物的延迟荧光可用三线态 一 三线态湮灭假说 s[] 加以较好地解释 。 而 D N A 分子的受激存
储假设和分化模型 叭 ` “ 】可对某些与叶绿素无关的 D L 给予一定的解释 .
综上所述 , 植物的 D L 主要与光合作用有关 , 也与氧化代谢 、 细胞分裂和死亡 、 生长调控
等各种生命活动有密切关系 。 D L 作为植物生命活动的一项综合指标 , 所包含的信息是多方面
的 。 植物不同的生理活动可能导致相同或相近的 D L , 说明植物体内各项生理活动之间是相互关
联的 . 因此 , 可通过对植物 D L 的研究来揭示植物的光合作用 、 细胞分裂及能量转换之间的内
在联系 .
进一步的研究包括 : 上 从光谱学角度探讨生物 D L 的本质及应用 ; 2 . 植物或动物受各种
逆境胁迫时的超弱发光情况 。
致谢 : 感谢华南师范大学激光生命科学研究所何永红博士给予的帮助 。
参 考 文 献
谭石慈 , 邢 达 . 生物超弱发光图像的观测 . 科学通报 , 4 2 (6 ) : 6 4 4 、 6 4 6
王维江 , 邢 达 , 谭石慈等 · 生物样品超弱发光图像的探测与分析 . 生物物理学报 , 1 9 9 7 , 1 3 (4 ) : 6 7 ~ 6 8 2
李德红 , 邢 达 , 谭石慈等 · 绿豆和花生的超弱发光 . 植物生理学报 , 1 9 9 8 , 2 4 ( 2 ) : 17 7 、 18 2
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王维江 男 , 1 9 6 d 年 9 月生 , 讲师 , 1 9 9 7 年毕业于华南师范大学激光生命科学研究所 , 获理学硕士学位 , 至今
一直从事教学和生物光子学方面的研究工作 , 发表相关论文 6 篇 .