تقييم السلوكيات التركيبية الضوئية من خلال القياسات المتزامنة لانعكاس الأوراق وتحليلات الفلورة الكلوروفيل
Summary
نحن نصف نهج تقني جديد لدراسة الاستجابات التركيبية الضوئية في النباتات العليا التي تنطوي على قياسات متزامنة من الكلوروفيل الفلورة وانعكاس ورقة باستخدام PAM ومقياس إشعاعي طيفي للكشف عن إشارات من نفس منطقة الورق في أرابيدوبوبس.
Abstract
الكلوروفيل تحليل الفلورة يستخدم على نطاق واسع لقياس السلوكيات الضوئية في النباتات سليمة، وأدى إلى تطوير العديد من المعلمات التي تقيس بكفاءة التمثيل الضوئي. يوفر تحليل انعكاس الأوراق العديد من مؤشرات الغطاء النباتي في البيئة والزراعة، بما في ذلك مؤشر الانعكاس الكيميائي الضوئي (PRI)، الذي يمكن استخدامه كمؤشر لتبديد الطاقة الحرارية أثناء التمثيل الضوئي لأنه يرتبط بـ التبريد غير الكيميائي الضوئي (NPQ). ومع ذلك، بما أن NPQ معلمة مركبة، فإن التحقق من الصحة الخاص به مطلوب لفهم طبيعة المعلمة PRI. للحصول على الأدلة الفسيولوجية لتقييم المعلمة PRI، قمنا في وقت واحد بقياس الفلورة الكلوروفيل وانعكاس ورقة في دورة xanthophyll متحولة معيبة(npq1)والنباتات البرية من نوع أرابيدوبوبس. بالإضافة إلى ذلك، تم استخراج المعلمة qZ، التي تعكس على الأرجح دورة xanthophyll، من نتائج تحليل الفلورة الكلوروفيل عن طريق رصد حركية الاسترخاء من NPQ بعد إيقاف تشغيل الضوء. وقد أجريت هذه القياسات المتزامنة باستخدام مقياس فلورول الكلوروفيل المنوّج لسعة النبض ومقياس إشعاعي طيفي. تم وضع تحقيقات الألياف من كلا الصكين على مقربة من بعضها البعض للكشف عن إشارات من نفس موقف ورقة. وقد استُخدم مصدر ضوء خارجي لتنشيط التمثيل الضوئي، وتم توفير أضواء القياس والضوء المشبعة من أداة PAM. هذا النظام التجريبي مكننا من رصد PRI تعتمد على الضوء في مصنع سليمة وكشف أن التغيرات تعتمد على الضوء في PRI تختلف اختلافا كبيرا بين نوع البرية ومتحولة npq1. وعلاوة على ذلك، كانت PRI مرتبطة بقوة مع qZ، وهذا يعني أن qZ يعكس دورة xanthophyll. وقد أظهرت هذه القياسات مجتمعة أن القياس المتزامن لانعكاس الأوراق وفلورة الكلوروفيل هو نهج صالح لتقييم المعلمات.
Introduction
يستخدم انعكاس ورقة لاستشعار مؤشرات النباتات عن بعد التي تعكس التمثيل الضوئي أو الصفات في النباتات1،2. مؤشر الغطاء النباتي الفرق تطبيع (NDVI)، الذي يستند إلى إشارات انعكاس الأشعة تحت الحمراء، هو واحد من مؤشرات النباتات الأكثر شهرة للكشف عن الخصائص ذات الصلة الكلوروفيل، ويستخدم في علم البيئة والعلوم الزراعية باعتبارها مؤشر الاستجابات البيئية في الأشجار أو المحاصيل3. وفي الدراسات الميدانية، وعلى الرغم من أن العديد من البارامترات (مثل مؤشر الكلوروفيل، ومؤشر المياه، وما إلى ذلك) قد وضعت واستخدمت، فإن عمليات التحقق المفصلة القليلة مما اكتشفته هذه البارامترات بصورة مباشرة (أو غير مباشرة) قد أجريت باستخدام المتحولين.
تحليل تعديل السعة النبضية (PAM) لفلورة الكلوروفيل هو طريقة فعالة لقياس ردود الفعل الضوئيةوالعمليات التي ينطوي عليها النظام الضوئي الثاني (PSII) 4. يمكن الكشف عن الفلورة الكلوروفيل مع كاميرا واستخدامهالفحص المسوخ التمثيل الضوئي 5. ومع ذلك، فإن الكشف عن الفلورة الكلوروفيل بالكاميرا يتطلب بروتوكولات معقدة مثل المعالجة المظلمة أو نبضات تشبع الضوء، والتي يصعب تنفيذها في الدراسات الميدانية.
يتم استهلاك ورقة الطاقة الشمسية الخفيفة استيعابها أساسا من قبل ردود الفعل الضوئية. وعلى النقيض من ذلك، فإن امتصاص الطاقة الخفيفة الزائدة يمكن أن يولد أنواع الأكسجين التفاعلية، مما يسبب ضررا للجزيئات الاصطناعية الضوئية. يجب تبديد الطاقة الخفيفة الزائدة مع الحرارة من خلال آليات التبريدغير الكيميائي (NPQ) 6. ويستمد مؤشر انعكاس الانعكاس الكيميائي الضوئي (PRI)، الذي يعكس التغيرات المعتمدة على الضوء في معلمات انعكاس الأوراق، من انعكاس ضيق النطاق عند 531 و570 نانومتر (الطول الموجي المرجعي)7و8. وتفيد التقارير أن يرتبط مع NPQ في تحليلالفلورة الكلوروفيل 9. ومع ذلك، بما أن NPQ هو معلمة مركبة تتضمن دورة xanthophyll، وتقاليد الدولة، وتثبيط الضوء، مطلوب التحقق من صحة مفصلة لفهم ما يقيس المعلمة PRI. لقد ركزنا على دورة xanthophyll، ونظام تبديد الحرارية التي تنطوي على إزالة الأكسدة من أصباغ xanthophyll (violaxanthin إلى antheraxanthin وzeaxanthin) ومكون رئيسي من NPQ لأن الارتباطات بين PRI وتحويل هذه وقد تم الإبلاغ عن أصباغ في الدراسات السابقة8.
تم عزل العديد من المتحولين المرتبطين بالتمثيل الضوئي وتحديدهويتهم في أرابيدوبسي. لا تتراكم متحولة npq1 زياكسانثين لأنه يحمل طفرة في فيولاإكسانثين دي epoxidase (VDE)، الذي يحفز تحويل violaxanthin إلى زياكسانثين10. لتحديد ما إذا كان PRI يكشف فقط عن التغيرات في أصباغ xanthophyll، ونحن في وقت واحد قياس PRI والكلوروفيل الفلورة في نفس منطقة ورقة في npq1 والبرية من نوع ثم تشريح NPQ في جداول زمنية متفاوتة من الاسترخاء الظلام لاستخراج المكون المتعلق بـ xanthophyll11. وتوفر هذه القياسات المتزامنة تقنية قيِّمة في تخصيص مؤشرات الغطاء النباتي. وعلاوة على ذلك، وبما أن PRI ترتبط بالإنتاجية الأولية الإجمالية، فإن القدرة على تعيين PRI على وجه التحديد إلى عنصر واحد لها تطبيقات هامة في علم البيئة12.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة، حصلنا على أدلة إضافية لإظهار أن PRI يمثل أصباغ xanthophyll عن طريق قياس الفلورة الكلوروفيل وانعكاس ورقة في وقت واحد.
تم تكييف ضوء الهالوجين، الذي يحتوي على أطوال موجية مشابهة لأشعة الشمس، للاستخدام كمصدر للضوء الأكتيني لتنشيط التمثيل الضوئي. استخدمنا في البداية م?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن ممتنون للدكتور كوكي هيكوساكا (جامعة توهوكو) على حفز المناقشات، والمساعدة في مجال العمل، وأدوات التجارب. وقد تم دعم العمل جزئيا من قبل KAKENHI [أرقام المنح 18K05592، 18J40098] ومؤسسة نايتو.
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).
