Evaluering av fotosyntetiske atferd av samtidige målinger av Leaf refleksjon og klorofyll fluorescens analyser
Summary
Vi beskriver en ny teknisk tilnærming for å studere fotosyntetiske tiltak i høyere anlegg som involverer samtidige målinger av klorofyll a fluorescens og blad refleksjon ved hjelp av en Pam og en Spectral Radiometer mølle for påvisning av signaler fra samme blad området i Arabidopsis.
Abstract
Klorofyll en fluorescens analyse er mye brukt til å måle fotosyntetiske atferd i intakt planter, og har resultert i utviklingen av mange parametre som effektivt måler fotosyntese. Leaf refleksjon analyse gir flere vegetasjon indekser i økologi og landbruk, inkludert fotokjemisk refleksjon index (PRI), som kan brukes som en indikator på termisk energi spredning under fotosyntese fordi den samsvarer med ikke-fotokjemisk slukke (NPQ). Imidlertid, siden NPQ er en sammensatt parameter, dens godkjenningen er krevde å oppfatte arten av det PRI parameter. For å få fysiologiske bevis for evaluering av PRI parameteren, vi samtidig målt klorofyll fluorescens og Leaf refleksjon i xanthophyll syklus defekt mutant (npq1) og vill-type Arabidopsis planter. I tillegg qZ-parameteren, som sannsynligvis gjenspeiler xanthophyll syklusen, ble Hentet fra resultatene av klorofyll fluorescens analyse ved å overvåke avslapping Kinetics av NPQ etter å slå lyset av. Disse samtidige målinger ble utført ved hjelp av en puls-amplitude moduleringshjul (PAM) klorofyll fluorometer og en Spectral Radiometer mølle. Den fiber sonder fra begge instrumentene ble plassert nær hverandre for å oppdage signaler fra samme blad posisjon. En ekstern lyskilde ble brukt til å aktivere fotosyntese, og måle lysene og mettet lys ble gitt fra PAM instrumentet. Dette eksperimentelle systemet gjorde det mulig for oss å overvåke lys-avhengige PRI i intakt anlegget og avslørte at lys-avhengige endringer i PRI avvike betydelig mellom den ville typen og npq1 mutant. I tillegg var PRI sterkt korrelert med qZ, noe som betyr at qZ reflekterer xanthophyll syklusen. Sammen viste disse målingene at samtidig måling av blad refleksjon og klorofyll fluorescens er en gyldig tilnærming for parameter evaluering.
Introduction
Leaf refleksjon brukes til eksternt fornuft vegetasjon indekser som reflekterer fotosyntese eller trekk i planter1,2. Normalisert forskjellen vegetasjon index (NDVI), som er basert på infrarød refleksjon signaler, er en av de mest kjente vegetasjon indekser for påvisning av klorofyll-relaterte egenskaper, og det er brukt i økologi og landbruks som en indikator på miljømessige responser i trær eller avlinger3. I feltstudier, selv om mange parametre (f. eks, klorofyll index (CI), vann indeks (WI), etc.) har blitt utviklet og brukt, noen detaljerte bekreftelser av hva disse parametrene direkte (eller indirekte) oppdage har blitt utført ved hjelp mutanter.
Puls-amplitude modulering (PAM) analyse av klorofyll fluorescens er en effektiv metode for å måle fotosyntetiske reaksjoner og prosesser involvert i photosystem II (PSII)4. Klorofyll fluorescens kan oppdages med et kamera og brukes for screening fotosyntese mutanter5. Imidlertid krever kamera deteksjon av klorofyll fluorescens komplekse protokoller som mørk behandling eller lys metning pulser, som er vanskelig å implementere i feltstudier.
Leaf absorbert solens lys energi er i hovedsak fortært av fotosyntetiske reaksjoner. Derimot, absorpsjon av overflødig lys energi kan generere reaktive oksygen arter, som forårsaker skade på fotosyntetiske molekyler. Overflødig lys energi må utsvevende som varme gjennom ikke-fotokjemisk slukke (NPQ) mekanismer6. Den fotokjemisk refleksjon index (PRI), som reflekterer lys-avhengige endringer i Leaf refleksjon parametere, er avledet fra smale-band refleksjon på 531 og 570 NM (referanse bølgelengde)7,8. Det er rapportert å relatere med NPQ i klorofyll fluorescens analyse9. Men siden NPQ er en sammensatt parameter som inkluderer xanthophyll syklus, staten tradisjon, og photoinhibition, detaljert validering er nødvendig for å forstå hva PRI parameteren tiltak. Vi har fokusert på xanthophyll syklusen, et termisk sprednings system som involverer de-epoxidation av xanthophyll pigmenter (violaxanthin til antheraxanthin og zeaxanthin) og en hovedkomponent i NPQ fordi sammenhenger mellom PRI og konvertering av disse pigmenter har blitt rapportert i tidligere studier8.
Mange fotosyntese mutanter har blitt isolert og identifisert i Arabidopsis. Den npq1 mutant akkumuleres ikke zeaxanthin fordi den bærer en mutasjon i violaxanthin de-SQUALENEPOKSIDASE (VDE), som katalyserer konvertering av violaxanthin til zeaxanthin10. For å fastslå om PRI bare oppdager endringer i xanthophyll pigmenter, vi samtidig målt PRI og klorofyll fluorescens i samme blad området i npq1 og vill-type og deretter dissekert NPQ på varierende tid skalaer av mørk avslapping for å trekke ut den xanthophyll-relaterte komponenten11. Disse samtidige målingene gir en verdifull teknikk for tildeling av vegetasjon indekser. Videre, siden PRI samsvarer med brutto primær produktivitet (GPP), muligheten til å tildele PRI presist til én komponent har viktige programmer i økologi12.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne studien fikk vi ytterligere bevis for å vise at PRI representerer xanthophyll pigmenter ved samtidig å måle klorofyll fluorescens og Leaf refleksjon.
En halogen lys, som har bølgelengder som ligner på sollys, ble tilpasset for bruk som en aktinisk lyskilde for å aktivere fotosyntese. Vi opprinnelig brukte en hvit LED lyskilde for å unngå termisk skade av bladet overflaten, men dette produseres langsom mørk avslapning Kinetics og eksepsjonelt høy qI (photoinhibitory slukke), m…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi er takknemlige for Dr. Kouki Hikosaka (Tohoku University) for å stimulere til diskusjoner, assistanse med arbeidsplass og instrumenter for eksperimenter. Arbeidet ble støttet delvis av KAKENHI [Grant tall 18K05592, 18J40098] og 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).
