4 IRODALMI ÁTTEKINTÉS
4.7 A stressz hatásának mérése ökofiziológiai módszerekkel
4.7.2 A stressz és a klorofill fluoreszcencia kapcsolata
A levelekben a fényenergiát a klorofill molekulák abszorbeálják, amely energiának egy bizonyos részét a fotoszintézis használja fel CO2 asszimilációhoz, másik része vagy hő formájában távozik a rendszerből vagy klorofill fluoreszcencia formájában. Ez a három folyamat verseng egymással: ha az egyik hatékonysága nő, akkor a másik kettő hatásfokában csökkenés következik be. Ezért a klorofill fluoreszcencia hatásfokának mérésével információt lehet kapni a fotokémiai rendszer hatásfokáról és a hőleadás nagyságáról is. A klorofill fluoreszcencia teljes mennyisége nagyon alacsony, a teljes elnyelt fény 1-2%-a. A mérése meglehetősen egyszerű, hiszen a fluoreszcencia spektruma különbözik az elnyelt fény spektrumától, mert a fluoreszcencia kibocsátás csúcsa nagyobb hullámhosszú, mint az elnyelt fényé. A klorofill fluoreszcencia hozamát úgy lehet számszerűsíteni, hogy a levelekre meghatározott hullámhosszú fényt bocsátunk és a visszasugárzott, nagyobb hullámhosszú fény mennyiségét mérjük. Fontos megjegyezni, hogy ez a mérés csak viszonylagos, mert a fény egy része elkerülhetetlenül elvész. Éppen emiatt 1984-ben Quick és Horton forradalmasította a klorofill fluoreszcencia alkalmazást egy technikai újítással, mégpedig azzal, hogy bevezették a modulált mérőrendszert. Az ilyen rendszerekben a fényforrást a fluoreszcencia mérésére modulálják (ki- és bekapcsolják magas frekvencián) és a detektor csak a mérési fény által gerjesztett fluoreszcenciát érzékeli. Ezért már a fluoreszcencia hatékonysága háttérfény jelenlétében, de ami még lényegesebb, hogy mezőn, teljes napfényben is mérhető. A legtöbb modern flouriméter már a modulált mérőrendszert használja (Maxwell és Johnson, 2000).
A klorofill fluoreszcencia kutatások alkalmazásaiban az hozta meg az áttörést, amikor Genty et al. 1989-ben felfedezte a kapcsolatot az elektron transzport fotokémiai hatásfoka és a
fluoreszcencia hatásfoka között, fényben történő mérésnél. Manapság a klorofill fluoreszcencia mérések lehetővé teszik a fotokémiai hatásfok mérését közvetlenül fényben, előzetes sötétadaptáció nélkül.
A növény fotoszintetikus apparátusa érzékeny az antropogén és a természeti tényezők által okozott stresszre (Renger és Schreiber, 1986; Rubin et al., 1986). A fotoszintetikus apparátus érzékeny eleme a második fotokémiai rendszer (PSII), amelyre átmenetileg hat a környezeti stressz, mielőtt visszafordíthatatlan strukturális kár lenne megfigyelhető (Schreiber és Bilger, 1987). A későbbi változások a klorofill a fluoreszcens kibocsátásában elsősorban a PSII-ből származnak, ezért a klorofill fluoreszcencia tájékoztatást nyújt szinte minden szempontból a fotoszintézis és a növény környezeti tényezőinek kapcsolatáról, mint például a stresszről és a rendelkezésre álló tápanyagról (Björkman és Demmig, 1987; Méthy és Trabaud, 1990; Krause és Weis, 1991; Ali Dib et al., 1994; Méthy et al., 1997; Makarova et al., 1998). A klorofill fluoreszcencia a fotoszintézis elvén működik. A fotoszintézist alkalmasnak tartják a növények egészségének és vitalitásának meghatározására, az aktuális fiziológiai aktivitás monitorozására (Clark et al., 2000). A fotoszintetikus folyamatok által indukált klorofill fluoreszcencia biztosítja a gyors és pontos technikát a növényi stressz-tolerancia számszerűsítésére (Percival és Sheriffs, 2002).
Az impulzus-amplitúdó-moduláció elvén működő in vivo használható klorofill fluoreszcencia mérés egyszerűsége és gyorsasága, valamint a hordozható és felhasználóbarát eszközöknek a kereskedelmi hozzáférhetősége ezt a technikát nagyon népszerűvé tette a növényélettanosok és az ökofiziológusok között (Karageorgou et al., 2007). Ez az eszköz a fák szabadban történő monitorozására is felhasználható (Lichtenthaler ,1988). Az impulzus-amplitúdó-moduláció klorofill fluoreszcencia (Schreiber et al., 1986) alkalmas technika a fotoszintetikus apparátus környezeti kényszerekkel szemben mutatott toleranciájának meghatározására, mivel lehetővé teszi a PSII nem-invazív vizsgálatát és az elnyelt energia fotokémiai és nem-fotokémiai folyamatokban való eloszlását.
A stressz csökkenti a fotoszintézis hatékonyságát és a változó fluoreszcenciát. Az Fv/Fm arány, vagyis az optimális kvantumhatásfok is csökken a stressz növekvő jelenlétével.
Az Fv/Fm érték változása ténylegesen tükrözi a fák élettani állapotát. Az Fv/Fm érték sikeresen értékeli a növények élettani állapotát a városi ökoszisztémában (Makarova et al., 1998).
A klorofill a fluoreszcencia ma már széles körben használt, mint egy nem-invazív és gyors technika, amely a növények fotoszintetikus teljesítményének meghatározására szolgál.
Talán az egyik leghasznosabb fluoreszcencia paraméter a ΔF/Fm', amely a PSII aktuális
kvantumhatékonyságát (ΦPSII) adja meg (Oxborough és Baker, 1997; Genty et al., 1989).
A klorofill a fluoreszcencia lehetővé teszi a stressz időbeli felismerését, mielőtt maradandó károsodást okozna és a korai korrekciós intézkedésekkel megelőzhető az, hogy a fák közveszélyt jelentsenek (Percival és Sheriffs, 2002).
Greaves és Wilson (1987) az elsők között volt, akik kimutatták, hogy a klorofill fluoreszcencia képes megkülönböztetni a fagytűrés mértékét a vad és a termesztett burgonya és a rizs genotípusai között és mennyiségileg meghatározni a fagyérzékenységet. A fekete ribiszkében a tavaszi fagy tűrését vizsgálta Brennan és Jefferies (1990). Smillie és Hetherington (1983) bab, uborka, káposzta, grapefruit, citrom levelének fagytűrését vizsgálta, miközben Japánban Yamada et al. (1996) sikeresen használta fel a klorofill fluoreszcenciát a hőségtolerancia kifejezésére leszakított levelek vizsgálatával. Hakam et al. (2000) a klorofill fluoreszcenciát használták rózsák fagyérzékenységének gyors vizsgálatára. Percival és Sheriffs (2002) meghatározták a növények dehidratációs toleranciáját szárazság stressz alkalmazásával, miközben figyelemmel kísérték a klorofill fluoreszcencia paraméterének csökkenését is.
A klorofill fluoreszcenciát erdők állapotának vizsgálatára is felhasználták már, többek között a klorofill tartalom változására és annak hatásaira irányultak Saito et al. (2000), Gitelson et al (1999), Rosenthal és Camm (1997) vizsgálatai, a hőség káros hatásait és vagy toleranciáját vizsgálta Kitao et al. (2000), Hamerlynck és Knapp (1996), Shavnin et al.
(1995), a szezonális változásokat Solhang és Haugen (1998), Garcia-Plazaola et al. (1997), Rosenthal és Camm (1997), a vízhiány hatásait pedig többek között Kitao et al. (2000), Mena-Petite et al. (2000), és Smith és Mohammed (1997) dolgozta fel a rezgő nyár (Populus tremula), a paratölgy (Quercus suber), a Pinus radiata példája során.
Hazánkban Bencze (2006) több, magyar nemesítésű őszi búza stressz érzékenységét vizsgálta PAM-2000 fluorométerrel fényben, de növénynevelő egységben. Bacsó (2009) szintén mérte a ΦPSII paraméter alakulását Arabidopsis modellnövényen FMS2 műszerrel laboratóriumi körülmények között, akárcsak Gáspár (2008). Kósa (2009) kukorica stressz érzékenységével foglalkozott, ugyancsak laboratóriumi (fitotron) körülmények között. Bajkán (2011) a fekete csucsor kettes fotokémiai rendszer energia-hasznosítását vizsgálta szintén laboratóriumban. Majláth (2012) őszi és tavaszi búzanövények (Triticum aestivum L.), valamint Arabidopsis thaliana vizsgálatait folytatta le növénynevelő kamrában. Zsófi (2009) nem laboratóriumi körülmények között, hanem ültetvényben eltelepített Kékfrankos szőlőfajtát (Vitis vinifera L.) vizsgált PAM 101-103 és PAM 2000 fluorométerekkel.
Határozottan megnövekedett a klorofill fluoreszcencia használata az erdészek és az
ökofiziológusok körében az elmúlt évtizedekben, köszönhetően annak, hogy a technika roncsolásmentes, érzékeli a stressz hatásokat és hordozható. Általánosan használt eszköz laboratóriumokban és a terepen mind alap és mind alkalmazott kutatások során. A klorofill fluoreszcencia kiválóan alkalmas még a stressz jeleinek megjelenése előtti felismerésre és kiegészítő fiziológiai technikája a tradicionális gázcsere becslésnek, a víz viszonyoknak és a biokémiai analízisnek. Számos Kautsky kutatásain alapuló technika hatásosan mutatja ki a stresszt, de talán a Fv/Fm és a ΔF/Fm’ a legelterjedtebb és legelfogadottabb paraméter, amely a fiziológiai változások nyomon követésére kiválóan alkalmas (Mohammed et al., 2003).