잎 반사 및 엽록소 형광 분석의 동시 측정을 통해 광합성 거동 평가
Summary
우리는 PAM및 에서 신호의 검출을 위한 스펙트럼 방사선계를 사용하여 엽록소의 형광 및 잎 반사의 동시 측정을 관련시키는 더 높은 식물에 있는 광합성 반응을 공부하는 새로운 기술적인 접근을 기술합니다 애기장대에서 같은 잎 지역.
Abstract
엽록소 형광 분석은 손상되지 않은 식물의 광합성 거동을 측정하는 데 널리 사용되며 광합성을 효율적으로 측정하는 많은 매개 변수의 개발을 초래했습니다. 잎 반사도 분석은 광화학 반사 지수 (PRI)를 포함하여 생태 및 농업의 여러 식물 지수를 제공하며, 광합성 중 열 에너지 소멸의 지표로 사용할 수 있습니다. 비 광화학 담금질 (NPQ). 그러나 NPQ는 복합 매개 변수이므로 PRI 매개 변수의 특성을 이해하려면 유효성 검사가 필요합니다. PRI 파라미터의 평가를 위한 생리학적 증거를 얻기 위해, 우리는 동시에 산토필 주기 결함 돌연변이(npq1)및 야생형 애기장대 식물에서 엽록소 형광 및 잎 반사를 측정하였다. 추가적으로, xanthophyll 주기를 반영하는 qZ 파라미터는, 빛을 끄는 후에 NPQ의 이완 역학을 감시하 여 엽록소 형광 분석의 결과에서 추출되었습니다. 이러한 동시 측정은 펄스 진폭 변조(PAM) 엽록소 형광계 및 스펙트럼 방사계를 사용하여 수행되었다. 두 계측기의 섬유 프로브는 동일한 리프 위치에서 신호를 감지하기 위해 서로 가깝게 배치되었습니다. 광합성을 활성화하기 위해 외부 광원을 사용했으며 PAM 계측기에서 측정 조명과 포화 광을 제공했습니다. 이 실험 시스템은 우리가 그대로 식물에서 빛 의존 PRI를 모니터링 할 수 있게하고 PRI의 빛 의존적 변화가 야생 유형과 npq1 돌연변이 체 간에 유의하게 다르다는 것을 밝혔습니다. 또한 PRI는 qZ와 밀접한 상관관계를 가지며, 이는 qZ가 크산토필 주기를 반영한다는 것을 의미합니다. 이러한 측정은 잎 반사와 엽록소 형광의 동시 측정이 파라미터 평가를 위한 유효한 접근법임을 입증했습니다.
Introduction
잎 반사는 식물1,2의광합성 또는 특성을 반영하는 식물 지수를 원격으로 감지하는 데 사용됩니다. 적외선 반사 신호를 기반으로 하는 정규화된 차이 식물 지수(NDVI)는 엽록소 관련 특성의 검출을 위한 가장 널리 알려진 식물 지수 중 하나이며, 생태학 및 농업 과학에 나무 나 작물에서 환경응답의 지표 3. 현장 연구에서는 많은 파라미터(예: 엽록소 지수(CI), 물 지수(WI) 등이 개발및 사용되었지만, 이러한 파라미터가 직접(또는 간접적으로) 검출하는 것에 대한 상세한 검증은 돌연변이를 사용하여 수행되었다.
엽록소 형광의 펄스 진폭 변조 (PAM) 분석은 광합성 반응 및 광합성 반응 및 광합성 반응 (PSII)에 관여하는 과정을 측정하는 효과적인 방법입니다4. 엽록소 형광은 카메라로 검출할 수 있으며 광합성 돌연변이를스크리닝하는 데 사용된다 5. 그러나 엽록소 형광의 카메라 검출은 암분치료 나 채도 펄스와 같은 복잡한 프로토콜을 필요로하며, 이는 현장 연구에서 구현하기 어렵습니다.
잎 흡수 태양 광 빛 에너지는 주로 광합성 반응에 의해 소비된다. 대조적으로, 과잉 빛 에너지의 흡수는 광합성 분자에 손상을 일으키는 반응성 산소 종을 생성할 수 있습니다. 과잉 광에너지는 비광화학적 담금질(NPQ) 메커니즘을 통해 열로서 방출되어야 한다6. 잎 반사도 매개변수의 광의존적 변화를 반영하는 광화학 반사도 지수(PRI)는 531 및 570 nm(기준 파장)의 협대역 반사도7,8에서유래한다. 엽록소 형광 분석 에서 NPQ와 상관관계가 있는 것으로 보고되고있다9. 그러나, NPQ는 산토필 사이클, 상태 전통 및 광억제를 포함하는 복합 파라미터이기 때문에, PRI 파라미터가 측정하는 것을 이해하기 위해서는 상세한 검증이 요구된다. 우리는 크산토필 주기, 산토필 안료의 탈에 대한 열 방출 시스템(무록산틴과 제아잔틴에 비올락산틴)과 PRI와 이들의 변환 사이의 상관관계 때문에 NPQ의 주요 구성 요소에 초점을 맞추었습니다. 안료는 이전 연구에서 보고되었습니다8.
많은 광합성 관련 돌연변이는 애기장대에서 고립되고 확인되었습니다. npq1 돌연변이체는 비올락산틴 드 에폭시다아제(VDE)에서 돌연변이를 운반하기 때문에 제아잔틴을 축적하지 않으며, 이는 비올락산틴을제아잔틴(10)으로 변환시키는 촉매제이다. PRI가 산토필 안료의 변화만을 검출하는지 여부를 확인하기 위해 npq1및 야생형의 동일한 잎 영역에서 PRI 및 엽록소 형광을 동시에 측정한 다음, 다양한 시간 척도에서 NPQ를 해부하여 추출합니다. 산토필 관련 성분11. 이러한 동시 측정은 식물 지수를 할당하는 데 유용한 기술을 제공합니다. 또한 PRI는 총 1차 생산성(GPP)과 상관관계가 있기 때문에 PRI를 하나의 구성 요소에 정확하게 할당하는 기능은 생태학12에서중요한 응용 을 가지고 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구에서는 PRI가 엽록소 형광과 잎 반사를 동시에 측정하여 산토필 안료를 나타낸다는 것을 보여주는 추가 증거를 얻었습니다.
햇빛과 유사한 파장을 가지는 할로겐 광원은 광합성을 활성화하기 위한 액티닉 광원으로 사용하도록 조정되었습니다. 우리는 처음에 잎 표면의 열 손상을 피하기 위해 흰색 LED 광원을 사용했지만, 이것은 느린 어두운 이완 역학과 매우 높은 qI (?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
히코카사 코우키 박사(도호쿠 대학)에게 감사드리며, 토론을 자극하고, 작업 공간 지원, 실험용 악기를 제공해 주신 것에 감사드립니다. 이 작품은 KAKENHI [교부금 번호 18K05592, 18J40098]와 나이토 재단에 의해 부분적으로 지원되었습니다.
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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