引言

光合作用是植物和某些微生物利用光能将二氧化碳和水转化成有机物和氧气的过程。在自然界中，光合作用的过程中产生的能量可以被用于生物体的能量储存，也可以被耗散掉，避免能量过载，存在一些因素限制了这种能量的利用和耗散的能力。

光合作用速率：光合作用速率是影响能量利用和耗散的关键因素，在低光照条件下，光合作用速率受到限制，导致能量不能有效地用于生物体的能量储存，而在过高的光照条件下，光合作用速率过快，超过了生物体能够处理和利用的能力，导致能量过载和损耗。

植物光合作用对环境条件的快速波动的响应对于高效转换光能至关重要。这些响应在实验室条件下很难观察到，并且在野外环境中很难探测，采用一个开放科学方法来解决这个问题，该方法结合了对光合作用和环境条件的多方面测量，并采用了无监督的统计聚类方法。

在一组薄荷的数据中，展示了在快速光增加条件下线性电子流和非光化学猝灭的“光电位”在叶片中受到强烈抑制，这些叶片之前暴露在较低的光合有效辐射或较低的叶片温度下，这些因素可以独立地或合作地起作用。

进一步的分析使能够测试特定的机制，随着叶片温度或PAR的降低，高光波动时光合作用的限制从迅速诱导的NPQ转变为对细胞色素b6f复合体电子流的光合控制。

在较低的温度下，高光导致腔室酸化，但不诱导NPQ，导致还原的电子传递中间体的积累，可能导致光损伤，揭示了改进光合作用效率和稳健性的潜在目标，讨论了该方法对于理解和提高作物产量的开放科学努力的影响。

光合作用是维持生态系统中所有生物活动所需的能量来源，但它涉及高能中间产物，可能产生高度有毒的反应性氧自由基，从而损害依赖于光合作用提供的生物体。

光合作用的能量输入必须通过光保护机制进行严格调控，这些机制在光反应的几个关键步骤发挥作用，如何平衡和调节这种调控是改良作物的一个重要目标。

NPQ有几种不同的形式，它们在机制和激活和失活速率上有所不同。其中最快速的形式是qE，它是通过质子梯度来酸化类囊体腔使得非光化学猝灭激活的类囊体腔的，酸化激活了违反型叶黄素脱氧酶，从而将违反型叶黄素转化为蔓黄素和玉米黄质。

同时还导致PsbS蛋白质质子化，PsbS是一种与光抗体相关的蛋白质，是qE发挥作用所必需的，这两者似乎在调节qE的程度时具有合作作用，Vx转化为Ax和Zx的速度通常比PsbS的可逆质子化慢得多。

在没有qE的情况下，高水平的PCON会导致植物体内环喹醌醇，和PSII电子受体QA-的积累，这可能会加剧光损伤，这两个过程必须紧密协调，qE应该在类囊体腔的pH值略微弱酸性于PCON时被激活。

自然环境中的植物经常暴露于快速变化的环境条件，尤其是光照条件，其变化可以在不到一秒钟的时间内发生数倍的改变，光强度的迅速和不可预测的波动比逐渐的变化更容易造成损伤。

由于缺乏可部署的科学设备和野外探测这些过程的方法，对光合作用对真实环境波动的综合调节反应缺乏全面的调查，还不能评估这些过程现有的自然变异的机制基础、可能的优势或权衡，或者哪种变异对于改良作物产量最有用。

本研究旨在研究光合作用对光合活动辐射强度波动的快速响应的自然变异情况，特别关注电子传递和光保护两个方面，想了解这些变异程度以及它们与环境条件的依赖关系，希望了解导致光合作用对快速波动光线的实际野外环境响应的机制。

于是定义了“光势”这一术语，它表示植物对突然增加的PAR做出响应的能力，可以通过进行高效光合作用或上调光保护机制来实现，LP是光合作用对光限制消除的响应，引入了一种方法来同时测量和分析LP的变异情况。

这种方法可以有效地评估在野外条件下LP的变异范围，并测试特定的假设模型，从而建立了一个广泛、多参与者的开放科学方法，来探究不同物种、基因型和环境下的光合作用响应。

在薄荷中意外的叶片温度依赖性限制了NPQ的快速形成，导致还原型PSII电子受体QA的积累和高丘膜质子动力势，这些条件可能促进了ROS的生成。

材料和方法

植物和叶片采样 测量是在一群已在密歇根州立大学园艺花园，维持了至少10年的薄荷属植物中进行的。

所有测量的GPS位置信息都包含在在线数据集中虽然无法完全捕获植物的整个生命周期，但实验策略选择了广泛的条件样本，以便在响应行为和环境参数之间出现明显的规律。

实验持续了9天，时间为2019年7月21日至8月2日，在当地时间早上5点30分至下午6点40分之间进行多个时间段的采样，包括温度等，测量是在早晨到下午晚些时候进行的，以及每天在多个地点，交替对高、中、低冠层层级的位置进行。

植物高度最高可达1米，本实验未测量叶面积指数，有关天气数据，在实验的第一阶段MultispeQ被编程为持续地测量光合活动辐射并使用红色激活LED照射叶片的腹面，以重现这些PAR水平。

激活光被增加到近乎全日照光持续10秒，之后再次重复光合测量，得到LEFhigh、NPQhigh等的测量结果，选择全日照光，而不是人工强烈的超饱和光，来估计在田间可能出现的LP，而不是绝对最大值，并避免非生理学或光抑制效应。

各个光合过程的LP会在PARamb接近全日照光时受到限制，在实验的第三阶段，激活光被关闭，然后打开弱的远红光持续10秒，之后再次进行测量以评估松弛后的非光化学淬灭程度，环境参数，包括PAR、温度、湿度、叶片温度、叶片角度和GPS位置，在生理学测量之前或之后进行测量。

在饱和脉冲之前，记录了大约300毫秒的暗间隔弛豫动力学，这与约520纳米附近的吸收变化与电色移位有关，将ECS信号拟合为指数衰减曲线可以估计丘膜质子动力势的光–暗差异和叶绿体ATP合酶的质子导电率。

为了考虑不同叶片厚度、光线透过路径或叶绿体数量的差异，ECSt值被归一化为估计的SPAD参数所估计的相对叶绿素含量，该参数在实验结束时测量，在光照条件下，通过使用峰值发射波长约810纳米的LED测量脉冲，估计了P700的氧化程度。

该仪器的叶夹具有两个特点，可以提供向外部的自由空气流动，从而在测量过程中防止CO2的耗竭，在叶片表面和光导管之间有一个约3毫米的空间，允许侧向空气流动，该缝隙通过光导管两侧的一对长方形的空气流动导管与外部环境相连接，导向仪器外壳，而该外壳的后部是向空气敞开的。

不希望在叶片表面有任何明显的CO2扩散限制，为了验证这一点，对比了使用未修改的仪器进行的10片薄荷叶片的测量和使用额外的空气泵进行的10片叶片的测量，额外的空气泵提供约300毫升每分钟的叶夹具内空气交换。

观察到在环境光或高光下测量的LEF值之间没有显著差异，这表明仪器中的空气流动足以防止叶片上CO2的明显限制。

光合潜能测量期间的环境条件

测量中的环境因素的分布，MultispeQ传感器由用户放置在与叶片表面平行的位置，因此经过余弦校正的光合活动辐射传感器应有效地估计叶片在其冠层内吸收的PAR，并且环境PAR的值取决于时间和叶片角度。

环境温度和叶片温度取决于时间，明显受天气相关波动的影响，选择将结果进行比较，而不是环境温度，以更好地反映对叶片光合作用过程的影响，注意到之前的研究结果。

冠层位置和光合参数之间也可能存在显著的相互作用，尽管当前的实验并没有明确记录这些位置，而是按照材料和方法中描述的方式进行采样。

数据计算和清理

从平台获取的数据经过重新处理和清理，以提高ECS和近红外吸收变化的衰减常数估计，和任何野外实验一样，有些结果发现存在明显的错误或超出可接受范围，并被从分析中删除，所有原始数据都保留在在线平台上，使读者可以探索和重新分析数据清理程序的影响。

数据标记的规则和代码在笔记本中定义，在1346个原始测量中，共有292个数据点被标记，标记的大部分测量是由于设备存在缺陷，其余的113个标记数据点可以归因于用户错误或信噪比较差，导致参数值超出理论范围。

总结

在整个数据集上应用简单的线性效应模型显示LEFamb与PARamb和Tleaf之间存在强烈的相关性，暗示着这两个环境因素控制着LEFamb，这样的相关性可能是巧合的，因为PAR和Tleaf都预期受天气或一天中的时间的影响，从PAR和Tleaf之间的强统计相关性可以明显看出。

这些效应可能是相互依赖的，在低PARamb条件下，LEFamb应受到光限制，因此对Tleaf的依赖性很小，但在较高的PARamb条件下，LEFamb可能更受温度相关的过程控制。