Evaluatie van fotosynthetisch gedrag door gelijktijdige metingen van blad reflectantie en Chlorofylfluorescentie analyses
Summary
We beschrijven een nieuwe technische benadering voor het bestuderen van fotosynthetische responsen in hogere planten waarbij gelijktijdige metingen van chlorofyl een fluorescentie-en blad reflectie met behulp van een pam en een spectrale Radiometer voor de detectie van signalen van de zelfde blad gebied in Arabidopsis.
Abstract
Chlorofyl een fluorescentie analyse wordt veel gebruikt om fotosynthetisch gedrag in intacte planten te meten, en heeft geresulteerd in de ontwikkeling van vele parameters die de fotosynthese efficiënt meten. Blad reflectie analyse biedt verschillende vegetatie indices in ecologie en landbouw, met inbegrip van de fotochemische reflectie index (PRI), die kan worden gebruikt als een indicator van thermische energie dissipatie tijdens fotosynthese, omdat het correleert met niet-fotochemische afschrikken (NPQ). Omdat NPQ echter een samengestelde parameter is, is de validatie ervan vereist om de aard van de PRI-parameter te begrijpen. Om fysiologisch bewijs te verkrijgen voor de evaluatie van de pri-parameter, meten we gelijktijdig chlorofylfluorescentie en blad reflectie in de Xantofyl-cyclus van defecte Mutant (npq1) en wild-type Arabidopsis-planten. Bovendien werd de QZ-parameter, die waarschijnlijk de Xantofyl-cyclus weerspiegelt, geëxtraheerd uit de resultaten van chlorofylfluorescentie analyse door het monitoren van de ontspannings kinetiek van npq na het overschakelen van het licht uit. Deze gelijktijdige metingen werden uitgevoerd met behulp van een puls-amplitudemodulatie (PAM) chlorofyl fluorometer en een spectrale Radiometer. De vezel sondes van beide instrumenten werden dicht bij elkaar geplaatst om signalen van dezelfde bladpositie te detecteren. Een externe lichtbron werd gebruikt om de fotosynthese te activeren, en de meet lampjes en het verzadigde licht werden geleverd vanuit het PAM-instrument. Dit experimentele systeem stelde ons in staat om licht afhankelijke PRI in de intacte fabriek te monitoren en toonde aan dat licht afhankelijke veranderingen in PRI significant verschillen tussen het wild type en npq1 mutant. Bovendien was pri sterk gecorreleerd met QZ, wat betekent dat QZ de Xantofyl-cyclus weerspiegelt. Samen toonden deze metingen aan dat gelijktijdige meting van blad reflectantie en chlorofylfluorescentie een geldige benadering is voor parameter evaluatie.
Introduction
Blad reflectie wordt gebruikt om op afstand te voelen vegetatie indices die fotosynthese of eigenschappen in planten1,2weerspiegelen. De genormaliseerde verschil vegetatie index (NDVI), die is gebaseerd op Infrarood reflectie signalen, is een van de meest bekende vegetatie indices voor de detectie van chlorofyl-gerelateerde eigenschappen, en wordt gebruikt in de ecologie en agrarische wetenschappen als een indicator van milieu reacties in bomen of gewassen3. Hoewel er in veldstudies veel parameters (bijv. chlorofyl index (CI), water index (WI), etc.) zijn ontwikkeld en gebruikt, zijn er weinig gedetailleerde verificaties uitgevoerd van wat deze parameters direct (of indirect) detecteren met behulp van mutanten.
Pulse-amplitudemodulatie (PAM) analyse van chlorofylfluorescentie is een effectieve methode voor het meten van fotosynthetische reacties en processen die betrokken zijn bij photosystem II (PSII)4. Chlorofylfluorescentie kan worden gedetecteerd met een camera en gebruikt voor het screenen van fotosynthese mutanten5. Camera detectie van chlorofylfluorescentie vereist echter complexe protocollen zoals donkere behandeling of licht saturatie pulsen, die moeilijk te implementeren zijn in veldstudies.
De door het blad geabsorbeerde zonnelicht energie wordt voornamelijk verbruikt door fotosynthetische reacties. Daarentegen kan de absorptie van overtollige lichtenergie reactieve zuurstof soorten genereren, wat schade aan fotosynthetische moleculen veroorzaakt. De overtollige lichtenergie moet worden afgevoerd als warmte door niet-fotochemische afschrikken (NPQ) mechanismen6. De fotochemische reflectantie index (PRI), die licht afhankelijke veranderingen in de parameters van de blad reflectie reflecteert, is afgeleid van smalbandreflectantie op 531 en 570 nm (referentie golflengte)7,8. Het is gemeld om te correleren met NPQ in chlorofylfluorescentie analyse9. Aangezien npq echter een samengestelde parameter is die de Xantofyl-cyclus, de status traditie en de fotoinhibitie omvat, is gedetailleerde validatie vereist om te begrijpen wat de pri-parameter meet. We hebben ons geconcentreerd op de Xantofyl-cyclus, een warmtedissipatiesysteem met de de-epoxidatie van Xantofyl-pigmenten (Violaxanthine op antheraxanthine en zeaxanthine) en een hoofdbestanddeel van npq omdat correlaties tussen pri en conversie van deze pigmenten zijn gemeld in voorgaande onderzoeken8.
Veel fotosynthese-gerelateerde mutanten zijn geïsoleerd en geïdentificeerd in Arabidopsis. De npq1 Mutant verzamelt geen zeaxanthine omdat het een mutatie draagt in Violaxanthine de-epoxidase (VDE), die de omzetting van Violaxanthine naar zeaxanthine10katalyseert. Om vast te stellen of pri alleen veranderingen in Xantofyl-pigmenten detecteert, hebben we gelijktijdig pri en chlorofylfluorescentie gemeten in hetzelfde blad gebied in npq1 en het wild-type en vervolgens ontleed npq op verschillende tijdschalen van donkere ontspanning om te extraheren de xanthophyll-gerelateerde component11. Deze gelijktijdige metingen bieden een waardevolle techniek voor de toewijzing van vegetatie indices. Aangezien PRI correleert met de bruto primaire productiviteit (GPP), heeft de mogelijkheid om PRI nauwkeurig toe te wijzen aan één component belangrijke toepassingen in ecologie12.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie kregen we aanvullend bewijs om aan te tonen dat pri Xantofyl-pigmenten vertegenwoordigt door gelijktijdig chlorofylfluorescentie en blad reflectie te meten.
Een halogeen lamp met golflengten die vergelijkbaar is met zonlicht, werd aangepast voor gebruik als een actinische lichtbron om de fotosynthese te activeren. We gebruikten in eerste instantie een witte LED-lichtbron om thermische beschadiging van het bladoppervlak te voorkomen, maar dit produceerde langzame donkere ontspann…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We zijn Dr. Kouki Hikosaka (Tohoku University) dankbaar voor het stimuleren van discussies, hulp bij een werkruimte en instrumenten voor experimenten. Het werk werd deels ondersteund door KAKENHI [Grant Numbers 18K05592, 18J40098] en Naito Foundation.
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 |
References
- 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).
