Yaprak Reflektasyonu ve Klorofil Floresan Analizlerinin Eşzamanlı Ölçümleri ile Fotosentetik Davranışların Değerlendirilmesi
Summary
Daha yüksek tesislerde fotosentetik tepkileri incelemek için yeni bir teknik yaklaşım tanımlıyoruz. Arabidopsis’te aynı yaprak alanı.
Abstract
Klorofil bir floresan analizi yaygın bozulmamış bitkilerde fotosentetik davranışları ölçmek için kullanılır, ve verimli fotosentez ölçmek birçok parametre geliştirilmesi ile sonuçlandı. Yaprak yansıtma analizi, fotosentez sırasında termal enerji dağılımının bir göstergesi olarak kullanılabilen fotokimyasal yansıma indeksi (PRI) de dahil olmak üzere ekoloji ve tarımda çeşitli bitki idekleri sağlar. fotokimyasal olmayan söndürme (NPQ). Ancak, NPQ bileşik bir parametre olduğundan, PRI parametresinin doğasını anlamak için doğrulaması gereklidir. PRI parametresinin değerlendirilmesi için fizyolojik kanıt elde etmek için, aynı anda kanthophyll döngüsü kusurlu mutant(npq1)ve yabani tip Arabidopsis bitkilerde klorofil floresan ve yaprak yansıması ölçüldü. Ayrıca, büyük olasılıkla xanthophyll döngüsünü yansıtan qZ parametresi, ışığı kapattıktan sonra NPQ gevşeme kinetiği izleyerek klorofil floresan analizi sonuçlarından çıkarıldı. Bu eşzamanlı ölçümler pulse-genlik modülasyonu (PAM) klorofil florometresi ve spektral radyometre kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her iki cihazdan gelen lif probları aynı yaprak konumundan gelen sinyalleri tespit etmek için birbirine yakın konumlandırılmış. Fotosentezi etkinleştirmek için harici bir ışık kaynağı kullanıldı ve pam aletinden ölçüm ışıkları ve doymuş ışık sağlandı. Bu deneysel sistem bozulmamış bitki ışık bağımlı PRI izlemek için bize sağladı ve PRI ışık bağımlı değişiklikler vahşi türü ve npq1 mutant arasında önemli ölçüde farklılık ortaya koymuştur. Ayrıca, PRI güçlü qZ ile ilişkili olduğunu, qZ xanthophyll döngüsünü yansıtan anlamına gelir. Bu ölçümler birlikte yaprak refleks ve klorofil floresansının eşzamanlı olarak ölçülmesinin parametre değerlendirmesi için geçerli bir yaklaşım olduğunu göstermiştir.
Introduction
Yaprak yansıtma, bitkilerde fotosentez ivediliği veya özellikleri yansıtan bitki ideklerini uzaktan algılamak için kullanılır1,2. Kızılötesi yansıma sinyallerine dayanan normalleştirilmiş fark bitki indeksi (NDVI), klorofil ile ilgili özelliklerin saptanmasında en yaygın bilinen bitki indekslerinden biridir ve ekoloji ve tarımsal bilimlerde ağaçlarda veya bitkilerde çevresel tepkilerin göstergesi3. Saha çalışmalarında, birçok parametre (örneğin, klorofil indeksi (CI), su indeksi (WI), vb. geliştirilmiş ve kullanılmış olsa da, bu parametrelerin doğrudan (veya dolaylı olarak) algılandığı birkaç ayrıntılı doğrulama mutantlar kullanılarak yapılmıştır.
Klorofil floresansının pulse-genlik modülasyonu (PAM) analizi fotosentetik reaksiyonları ve fotosistem II (PSII)4ile ilgili süreçleri ölçmek için etkili bir yöntemdir. Klorofil floresan bir kamera ile tespit edilebilir ve fotosentez mutantlar tarama için kullanılan5. Ancak, klorofil floresan kamera tespiti, saha çalışmalarında uygulanması zor olan karanlık tedavi veya ışık doygunluğu darbeleri gibi karmaşık protokoller gerektirir.
Yaprak emilen güneş ışığı enerjisi ağırlıklı olarak fotosentetik reaksiyonlar tarafından tüketilir. Buna karşılık, aşırı ışık enerjisinin emilimi fotosentetik moleküllere zarar veren reaktif oksijen türleri oluşturabilir. Aşırı ışık enerjisi olmayan fotokimyasal söndürme (NPQ) mekanizmaları6ile ısı olarak dağıtılmalıdır. Yaprak yansıtma parametrelerindeki ışığa bağlı değişiklikleri yansıtan fotokimyasal yansıma indeksi (PRI), 531 ve 570 nm (referansdalga boyu) 7,8dar bant yansıtıcısından türetilmiştir. Klorofil floresananalizinde NPQ ile ilişkili olduğu bildirilmiştir9. Ancak, NPQ xanthophyll döngüsü, devlet geleneği ve fotoinhibisyonu içeren kompozit bir parametre olduğundan, ayrıntılı doğrulama PRI parametre ölçer anlamak için gereklidir. Biz xanthophyll döngüsü, xanthophyll pigmentlerin de-epoksidasyon içeren bir termal dağılım sistemi (antheraxanthin ve zeaxanthin için violaxanthin) ve NPQ ana bileşeni üzerinde duruldu çünkü PRI ve bu dönüşüm arasındaki korelasyon pigmentler önceki çalışmalarda bildirilmiştir8.
Arabidopsis’te fotosenteze bağlı birçok mutant izole edilmiş ve tanımlanmıştır. Bu viyolaxanthin de-epoksidaz bir mutasyon taşır çünkü npq1 mutant zeaxanthin birikmez (VDE), hangi zeaxanthin dönüşümkatalizler 10 . PRI sadece xanthophyll pigmentler değişiklikleri algılar olup olmadığını belirlemek için, aynı anda npq1 ve yabani tip aynı yaprak alanında PRI ve klorofil floresan ölçülen ve daha sonra karanlık gevşeme değişen zaman ölçeklerinde npQ diseksiyon ayıklamak için xanthophyll ile ilgili bileşen11. Bu eşzamanlı ölçümler bitki ideklerinin atanması için değerli bir teknik sağlar. Ayrıca, PRI brüt birincil verimlilik (GPP) ile ilişkili olduğundan, PRI’yi tam olarak bir bileşeneatama yeteneği ekoloji 12’de önemli uygulamalara sahiptir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada, PRI’nin klorofil floresansını ve yaprak reflektünü eş zamanlı olarak ölçerek kanthophyll pigmentlerini temsil ettiğini gösteren ek kanıtlar elde ettik.
Güneş ışığına benzer dalga boylarına sahip bir halojen ışık, fotosentezi etkinleştirmek için aktinik ışık kaynağı olarak kullanılmak üzere uyarlanmıştır. Biz başlangıçta yaprak yüzeyinin termal hasar görmesini önlemek için beyaz bir LED ışık kaynağı kullanılır, ama bu üretilen ya…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dr. Kouki Hikosaka’ya (Tohoku Üniversitesi) tartışmaları uyaran, çalışma alanı yla ilgili yardımları ve deneyler için araçlar için müteşekkiriz. Çalışma kısmen KAKENHI [hibe numaraları 18K05592, 18J40098] ve Naito Vakfı tarafından desteklenmiştir.
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 |
Riferimenti
- 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).
