הערכה של התנהגויות פוטוסינטתיים על ידי מדידות סימולטני של השתקפות עלה וניתוחים כלורופיל פלואורסצנטית
Summary
אנו מתארים גישה טכנית חדשה כדי ללמוד תגובות פוטוסינטתיים בצמחים גבוהים יותר מעורבים מדידות בו של כלורופיל מחזירי אור והשתקפות העלה באמצעות פאם ורדיומטר ספקטרלי לאיתור אותות מן אותו אזור עלה באראידאופזיס.
Abstract
כלורופיל a ניתוח פלואורסצנטית משמש רבות כדי למדוד התנהגויות פוטוסינתטית בצמחים שלמים, והביא לפיתוח של פרמטרים רבים, כי ביעילות למדוד הפוטוסינתזה. ניתוח השתקפות העלה מספק מדדים צמחייה באקולוגיה ובחקלאות, כולל מדד ההשתקפות הפוטוכימית (PRI), שניתן להשתמש בו כאינדיקטור לפליטת אנרגיה תרמית במהלך הפוטוסינתזה משום שהוא תואם שאינם כימיקלים פוטוכימיים (NPQ). עם זאת, מאחר ש-NPQ הוא פרמטר מורכב, האימות שלו נדרש כדי להבין את טבעו של הפרמטר PRI. כדי להשיג ראיות פיסיולוגיים עבור הערכה של הפרמטר PRI, אנו בו למדוד כלורופיל פלואורסצנט השתקפות העלה במחזור קסופיל פגום מוטציה (npq1) ו-פראי מסוג Arabidopsis צמחים. בנוסף, את הפרמטר qZ, אשר כנראה משקף את מחזור קסופיל, חולץ מן התוצאות של ניתוח כלורופיל פלואורסצנטית על ידי ניטור קינטיקה הרפיה של NPQ לאחר החלפת האור. מדידות אלה בוצעו באמצעות אפנון משרעת הדופק (פאם) כלורופיל פלואורומטרים ורדיומטר ספקטרלי. הבדיקות סיבים משני המכשירים היו ממוקמים קרוב זה לזה כדי לזהות אותות מאותו מיקום עלה. מקור אור חיצוני שימש להפעלת הפוטוסינתזה, ונוריות המדידה והאור הרווי סופקו מכלי פם. מערכת ניסויית זו אפשרה לנו לפקח על פרי תלוי האור במפעל שלם וגילה כי שינויים תלויים באור ב-PRI שונים באופן משמעותי בין סוג פראי ו npq1 מוטציות. יתר על כן, PRI היה בקורלציה מאוד עם qZ, כלומר qZ משקף את מחזור קסופיל. יחד, מדידות אלה הראו כי מדידה בו של השתקפות העלה ו-כלורופיל פלואורסצנטית היא גישה חוקית להערכת פרמטרים.
Introduction
השתקפות העלים משמשת לחוש מרחוק מדדי צמחייה המשקפים פוטוסינתזה או תכונות בצמחים1,2. מדד הצמחייה המנורמלת (ndvi), המבוסס על אותות השתקפות אינפרא-אדום, הוא אחד המדדים הידועים ביותר בתחום הצומח לאיתור מאפיינים הקשורים לכלורופיל, והוא משמש בתחום האקולוגיה והמדעים החקלאיים כ אינדיקציה לתגובות סביבתיות בעצים או ביבולים3. במחקרים בשטח, למרות פרמטרים רבים (למשל, כלורופיל index (CI), אינדקס מים (WI), וכו ‘) פותחו ושימשו, כמה וכמה מפורט של מה הפרמטרים הללו ישירות (או בעקיפין) לזהות בוצעו באמצעות מוטציות.
הדופק משרעת אפנון (פאם) ניתוח של כלורופיל פלואורסצנטית היא שיטה יעילה למדוד תגובות פוטוסינתטית ותהליכים המעורבים פוטוסינתטיים II (פסיב)4. כלורופיל הקרינה ניתן להבחין עם מצלמה משמש להקרנה מוטציות פוטוסינתזה5. עם זאת, זיהוי המצלמה של כלורופיל פלואורסצנטית דורש פרוטוקולים מורכבים כגון טיפול כהה או פעימות הרוויה באור, אשר קשה ליישם במחקרים שטח.
העלה נספג אנרגיה סולארית אור נצרך בעיקר על ידי תגובות פוטוסינתטית. לעומת זאת, ספיגת אנרגיית אור עודפת יכולה ליצור מינים של חמצן תגובתי, הגורמת נזק למולקולות פוטוסינטתיים. אנרגיה עודפת עודף חייב להיות מתפזר כחום באמצעות שאינם פוטוכימיקלים (NPQ) מנגנונים6. מדד ההשתקפות של פוטוכימיה (PRI), המשקף שינויים תלויי-אור בפרמטרים של השתקפות העלה, נגזר מההשתקפות של הפס הצר ב-531 ו-570 nm (אורך הגל ההפניה)7,8. הוא דיווח לתאם עם NPQ בניתוח כלורופיל פלואורסצנטית9. עם זאת, מאז NPQ הוא פרמטר מורכב הכולל את המחזור קסופיל, מסורת המדינה, ו-photoinhibition, אימות מפורט נדרש כדי להבין מה הפרמטר PRI מודד. התמקדנו במחזור קסופיל, מערכת פיזור תרמית המערבת את דה-אפוקסי של פיגמנטים מבוססי קסופיל (ויאקאנדק לאנתרמיה וזקסנדק) ומרכיב עיקרי של NPQ משום שקשרים בין פרי והמרה של אלה פיגמנטים דווחו במחקרים קודמים8.
מוטציות רבות הקשורות לפוטוסינתזה מבודדות וזוהו בarabidopsis. Npq1 מוטציה אינו מצטבר וזקסנדק משום שהוא נושא מוטציה ב-de-אפוקסי דה-אפוקסידל (vde), אשר מזרז את ההמרה של ויואקאנדק לווזקסנדק10. כדי לקבוע אם פרי רק מזהה שינויים בפיגמנטים קסופיל, אנו בו נמדד PRI ו כלורופיל פלואורסצנטית באותו אזור עלה ב npq1 ואת הפראי סוג ולאחר מכן גזור NPQ בסולמות זמן שונים של הרפיה כהה כדי לחלץ מרכיב ה-קסנפיזיל הקשור11. המידות הסימולטניות מספקות טכניקה בעלת ערך להקצאה של מדדי צמחייה. יתרה מזאת, מכיוון שפרי התואם לפרודוקטיביות הראשונית הגסה (GPP), היכולת להקצות את PRI בדיוק לרכיב אחד יש יישומים חשובים באקולוגיה12.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר זה, הצלחנו להשיג ראיות נוספות כדי להראות כי פרי מייצג פיגמנטים קסטאים על ידי במקביל מדידת כלורופיל פלואורסצנטית והשתקפות העלה.
אור הלוגן, שבו יש אורכי גל דומים לאור השמש, הותאם לשימוש כמקור אור אקמית להפעלת הפוטוסינתזה. השתמשנו בתחילה מקור אור LED לבן כדי למנוע נזק תרמי…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו אסירי תודה ד ר Kouki Hikosaka אוניברסיטת Tohoku) לעירור דיונים, סיוע במרחב עבודה, ומכשירים לניסויים. העבודה נתמכת בחלקו על ידי KAKENHI [מספרים 18K05592 18, 18K05592] והקרן Naito.
Materials
| Halogen light source | OptoSigma | SHLA-150 | |
| Light quantum meter | LI-COR | LI-1000 | |
| PAM chlorophyll fluorometer | Walz | JUNIOR-PAM | |
| PAM controliing software | Walz | WinControl-3.27 | |
| Reflectance standard | Labsphere, Inc. | SRT-99-050 | |
| Spectral radiometer | ADS Inc. | Field Spec3 | |
| Spectral radiometer controlling software | ADS Inc. | RS3 |
Referenzen
- Xue, J., Su, B. Significant remote sensing vegetation indices: A review of developments and applications. Journal of Sensors. 1353691, (2017).
- Cotrozzi, L., Townsend, P. A., Pellegrini, E., Nali, C., Couture, J. J. Reflectance spectroscopy: a novel approach to better understand and monitor the impact of air pollution on Mediterranean plants. Environmental Science and Pollution Research. 25 (9), 8249-8267 (2018).
- Han, L., Yang, G., Yang, H., Xu, B., Li, Z., Yang, X. Clustering Field-Based Maize Phenotyping of Plant-Height Growth and Canopy Spectral Dynamics Using a UAV Remote-Sensing Approach. Frontiers in Plant Science. 9, 1638 (2018).
- Baker, N. R. Chlorophyll Fluorescence: A Probe of Photosynthesis In. Vivo. Annual Review of Plant Biology. 59 (1), 89-113 (2008).
- Cruz, J. A., et al. Dynamic Environmental Photosynthetic Imaging Reveals Emergent Phenotypes. Cell Systems. 2 (6), 365-377 (2016).
- Ruban, A. V. Quantifying the efficiency of photoprotection. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 372 (1730), 20160393 (2017).
- Gamon, J. A., et al. Remote sensing of the xanthophyll cycle and chlorophyll fluorescence in sunflower leaves and canopies. Oecologia. 85 (1), 1-7 (1990).
- Gamon, J. A., Peñuelas, J., Field, C. B. A narrow-waveband spectral index that tracks diurnal changes in photosynthetic efficiency. Remote Sensing of Environment. 41 (1), 35-44 (1992).
- Rahimzadeh-Bajgiran, P., Munehiro, M., Omasa, K. Relationships between the photochemical reflectance index (PRI) and chlorophyll fluorescence parameters and plant pigment indices at different leaf growth stages. Photosynthesis Research. 113 (1-3), 261-271 (2012).
- Niyogi, K. K., Grossman, A. R., Björkman, O. Arabidopsis mutants define a central role for the xanthophyll cycle in the regulation of photosynthetic energy conversion. Plant Cell. 10 (7), 1121-1134 (1998).
- Kohzuma, K., Hikosaka, K. Physiological validation of photochemical reflectance index (PRI) as a photosynthetic parameter using Arabidopsis thaliana mutants. Biochemical and Biophysical Research Communications. 498, 52-57 (2018).
- Hikosaka, K., Noda, H. M. Modeling leaf CO2 assimilation and Photosystem II photochemistry from chlorophyll fluorescence and the photochemical reflectance index. Plant, Cell and Environment. 42 (2), 730-739 (2019).
- Brooks, M. D., Sylak-Glassman, E. J., Fleming, G. R., Niyogi, K. K. A thioredoxin-like/β-propeller protein maintains the efficiency of light harvesting in Arabidopsis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (29), E2733-E2740 (2013).
- Nilkens, M., et al. Identification of a slowly inducible zeaxanthin-dependent component of non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence generated under steady-state conditions in Arabidopsis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. 1797 (4), 466-475 (2010).
- Davis, G. A., et al. Limitations to photosynthesis by proton motive force-induced photosystem II photodamage. Elife. 5, 16921 (2016).
- Wong, C. Y. S., Gamon, J. A. The photochemical reflectance index provides an optical indicator of spring photosynthetic activation in evergreen conifers. New Phytologist. 206 (1), 196-208 (2015).
- Miyake, C., Amako, K., Shiraishi, N., Sugimoto, T. Acclimation of Tobacco Leaves to High Light Intensity Drives the Plastoquinone Oxidation System—Relationship Among the Fraction of Open PSII Centers, Non-Photochemical Quenching of Chl Fluorescence and the Maximum Quantum Yield of PSII in the Dark. Plant and Cell Physiology. 50 (4), 730-743 (2009).
- Munekage, Y., et al. Cyclic electron flow around photosystem I is essential for photosynthesis. Nature. 429 (6991), 579-582 (2004).
- Tubuxin, B., Rahimzadeh-Bajgiran, P., Ginnan, Y., Hosoi, F., Omasa, K. Estimating chlorophyll content and photochemical yield of photosystem II (ΦPSII) using solar-induced chlorophyll fluorescence measurements at different growing stages of attached leaves. Journal of Experimental Botany. 66 (18), 5595-5603 (2015).
