Avaliação de comportamentos fotossintéticos por medições simultâneas de reflectância foliar e análises de fluorescência de clorofila
Summary
Nós descrevemos uma aproximação técnica nova para estudar respostas fotossintética em umas plantas mais elevadas que envolvem medidas simultâneas da fluorescência da clorofila a e da reflectância da folha usando um Pam e um radiómetro espectral para a deteção dos sinais do mesma área foliar em Arabidopsis.
Abstract
A análise da fluorescência da clorofila a é amplamente utilizada para medir comportamentos fotossintéticos em plantas intactas, e resultou no desenvolvimento de muitos parâmetros que medem eficientemente a fotossíntese. A análise da reflectância foliar fornece diversos índices de vegetação em ecologia e agricultura, incluindo o índice de reflectância fotoquímico (PRI), que pode ser usado como um indicador de dissipação de energia térmica durante a fotossíntese, pois se correlaciona com têmpera não fotoquímica (NPQ). No entanto, como o NPQ é um parâmetro composto, sua validação é necessária para entender a natureza do parâmetro PRI. Para obter evidências fisiológicas para avaliação do parâmetro PRI, medimos simultaneamente a fluorescência de clorofila e a reflectância foliar no ciclo xantofilo mutante defeituoso (npq1) e no tipo selvagem de plantas de Arabidopsis. Adicionalmente, o parâmetro qZ, que provavelmente reflete o ciclo da xantofilo, foi extraído dos resultados da análise de fluorescência de clorofila, monitorando a cinética de relaxamento do NPQ após a comutação da luz. Essas medidas simultâneas foram realizadas por meio de um fluorômetro de clorofila de modulação de amplitude de pulso (PAM) e um radiômetro espectral. As sondas de fibra de ambos os instrumentos foram posicionadas próximas umas das outras para detectar sinais da mesma posição foliar. Uma fonte de luz externa foi usada para ativar a fotossíntese, e as luzes de medição e luz saturada foram fornecidas a partir do instrumento PAM. Este sistema experimental permitiu-nos de monitorar o PRI Light-dependent na planta intata e revelou que as mudanças luz-dependentes no PRI diferem significativamente entre o tipo selvagem e o mutante npq1 . Além disso, o PRI foi correlacionado fortemente com o QZ, significando que QZ reflete o ciclo do xantofila. Juntas, essas medidas demonstraram que a medida simultânea da reflectância foliar e da fluorescência da clorofila é uma abordagem válida para a avaliação dos parâmetros.
Introduction
A reflectância foliar é utilizada para sentir remotamente os índices de vegetação que refletem a fotossíntese ou traços nas plantas1,2. O índice de vegetação de diferença normalizada (NDVI), que é baseado em sinais de reflexão infravermelha, é um dos índices de vegetação mais conhecidos para a detecção de propriedades relacionadas à clorofila, e é usado nas ciências ecológicas e agrícolas como um indicador de respostas ambientais em árvores ou culturas3. Em estudos de campo, embora muitos parâmetros (por exemplo, índice de clorofila (IC), índice de água (WI), etc.) tenham sido desenvolvidos e utilizados, poucas verificações detalhadas do que esses parâmetros diretamente (ou indiretamente) detectam foram realizados usando mutantes.
A análise da modulação por amplitude de pulso (PAM) da fluorescência da clorofila é um método efetivo para mensurar as reações fotossintéticas e os processos envolvidos no fotosistema II (PSII)4. A fluorescência da clorofila pode ser detectada com uma câmera e usada para a triagem de mutantes de fotossíntese5. No entanto, a detecção de câmera de fluorescência de clorofila requer protocolos complexos, como o tratamento escuro ou pulsos de saturação de luz, que são difíceis de implementar em estudos de campo.
A energia de luz solar absorvida pela folha é consumida principalmente por reações fotossintéticas. Em contrapartida, a absorção de excesso de energia luminosa pode gerar espécies reactivas de oxigénio, o que provoca danos às moléculas fotossintéticas. O excesso de energia luminosa deve ser dissipado como calor através de mecanismos de têmpera não fotoquímica (NPQ)6. O índice de reflectância fotoquímica (PRI), que reflete mudanças dependentes da luz nos parâmetros de reflectância foliar, é derivado da reflectância de banda estreita em 531 e 570 nm (comprimento de onda de referência)7,8. É relatado para correlacionar com NPQ na análise da fluorescência da clorofila9. No entanto, como o NPQ é um parâmetro composto que inclui o ciclo da xantofilo, a tradição do estado e a Fotoinibição, é necessária uma validação detalhada para entender o que o parâmetro PRI mede. Nós focamos no ciclo de xantofila, um sistema de dissipação térmica que envolve o de-epoxidation de pigmentos do xantofila (Violaxanthin a antheraxanthin e o zeaxanthin) e um componente principal de npq porque as correlações entre o PRI e a conversão destes os pigmentos foram relatados em estudos precedentes8.
Muitos mutantes relacionados à fotossíntese foram isolados e identificados em Arabidopsis. O mutante npq1 não acumula o zeaxantina porque carreg uma mutação no de-epoxidase do violaxantina (VDE), que catalisa a conversão de violaxantina a zeaxantina10. Para estabelecer se o PRI detecta somente mudanças em pigmentos do xantofila, Nós medimos simultaneamente o PRI e a fluorescência da clorofila na mesma área de folha em npq1 e no selvagem-tipo e então no npq dissecado em escalas de tempo variando do abrandamento escuro para extrair componente relacionado com a xantofilo11. Essas medições simultâneas fornecem uma técnica valiosa para a atribuição de índices de vegetação. Além disso, desde que o PRI correlaciona com a produtividade preliminar bruta (GPP), a habilidade de atribuir o PRI precisamente a um componente tem aplicações importantes na ecologia12.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste estudo, nós obtivemos a evidência adicional para mostrar que o PRI representa pigmentos do xantofila medindo simultaneamente a fluorescência da clorofila e a reflectância da folha.
Uma luz do halogênio, que tenha comprimentos de onda similares à luz solar, foi adaptada para o uso como uma fonte luminosa acóica para ativar a fotossíntese. Inicialmente, utilizamos uma fonte de luz LED branca para evitar danos térmicos da superfície foliar, mas isso produziu cinética lenta de rel…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos ao Dr. Kouki Hikosaka (Universidade Tohoku) por estimular discussões, assistência com um espaço de trabalho e instrumentos para experimentos. O trabalho foi apoiado em parte por KAKENHI [Grant Numbers 18K05592, 18J40098] e 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 |
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