Valutazione dei comportamenti fotosintetici mediante misurazioni simultanee della riflettanza delle foglie e delle analisi della fluorescenza della clorofilla
Summary
Descriviamo un nuovo approccio tecnico per studiare le risposte fotosintetiche in impianti superiori che comportano misurazioni simultanee della clorofilla a fluorescenza e riflettanza delle foglie utilizzando un PAM e un radiometro spettrale per il rilevamento dei segnali stessa area foglia in Arabidopsis.
Abstract
La clorofilla un’analisi della fluorescenza è ampiamente utilizzata per misurare i comportamenti fotosintetici nelle piante intatte e ha portato allo sviluppo di molti parametri che misurano in modo efficiente la fotosintesi. L’analisi della riflettanza foglia fornisce diversi indici di vegetazione nell’ecologia e nell’agricoltura, tra cui l’indice di riflettanza fotochimica (PRI), che può essere utilizzato come indicatore della dissipazione dell’energia termica durante la fotosintesi perché è correlato con disinquo non fotochimico (NPQ). Tuttavia, poiché NPQ è un parametro composito, la relativa convalida è necessaria per comprendere la natura del parametro PRI. Per ottenere prove fisiologiche per la valutazione del parametro PRI, abbiamo misurato simultaneamente la fluorescenza clorofilliana e la riflessione delle foglie in xanhophyll ciclo mutante difettoso (npq1) e piante di arabidopsis di tipo selvatico. Inoltre, il parametro q, che probabilmente riflette il ciclo della xantofilla, è stato estratto dai risultati dell’analisi della fluorescenza clorofilla monitorando la cinetica di rilassamento del NPQ dopo aver spento la luce. Queste misurazioni simultanee sono state effettuate utilizzando un fluorometro di clorofilla di modulazione dell’ampiezza dell’umidità dell’impulso (PAM) e un radiometro spettrale. Le sonde in fibra di entrambi gli strumenti sono state posizionate l’una vicino all’altra per rilevare i segnali dalla stessa posizione foglia. Uno strumento PAM ha utilizzato una fonte di luce esterna e le luci di misurazione e la luce satura sono state fornite dallo strumento PAM. Questo sistema sperimentale ci ha permesso di monitorare il PRI dipendente dalla luce nella pianta intatta e ha rivelato che i cambiamenti dipendenti dalla luce in PRI differiscono in modo significativo tra il tipo selvaggio e il mutante npq1. Inoltre, il PRI è stato fortemente correlato con q, il che significa che q – riflette il ciclo di xantofilia. Insieme, queste misurazioni hanno dimostrato che la misurazione simultanea della riflettanza delle foglie e della fluorescenza clorofilla è un approccio valido per la valutazione dei parametri.
Introduction
La riflettanza delle foglie viene utilizzata per rilevare adistanza gli indici di vegetazione che riflettono la fotosintesi o i tratti nelle piante 1,2. L’indice di vegetazione di differenza normalizzata (NDVI), che si basa su segnali di riflessione infrarossi, è uno degli indici di vegetazione più noti per la rilevazione delle proprietà correlate alla clorofilla, ed è utilizzato nelle scienze ecologiche e agricole come indicatore delle risposte ambientali negli alberi o nelle colture3. Negli studi sul campo, sebbene siano stati sviluppati e utilizzati molti parametri (ad esempio, indice clorofillille (CI), indice dell’acqua (WI), ecc., poche verifiche dettagliate di ciò che questi parametri rilevano direttamente (o indirettamente) utilizzando mutanti.
L’analisi della modulazione dell’ampiezza a impulsi (PAM) della fluorescenza clorofilla è un metodo efficace per misurare le reazioni fotosintetiche e i processi coinvolti nel fotosistema II (PSII)4. La fluorescenza clorofilla può essere rilevata con una telecamera e utilizzata per lo screening dei mutanti di fotosintesi5. Tuttavia, il rilevamento della telecamera della fluorescenza clorofilla richiede protocolli complessi come il trattamento scuro o gli impulsi di saturazione della luce, che sono difficili da implementare negli studi sul campo.
L’energia a luce solare assorbita dalla foglia viene consumata principalmente da reazioni fotosintetiche. Al contrario, l’assorbimento dell’energia luminosa in eccesso può generare specie reattive dell’ossigeno, che provocano danni alle molecole fotosintetiche. L’energia luminosa in eccesso deve essere dissipata come calore attraverso meccanismi di spegnimento non fotochimico (NPQ)6. L’indice di riflettanza fotochimica (PRI), che riflette i cambiamenti dipendenti dalla luce nei parametri di riflettanza delle foglie, deriva dalla riflettanza a banda stretta a 531 e 570 nm (lunghezza d’onda di riferimento)7,8. È segnalato per correlare con NPQ nell’analisi della fluorescenza clorofilla9. Tuttavia, poiché NPQ è un parametro composito che include il ciclo di xantofilla, la tradizione statale e la fotoinibizione, è necessaria una convalida dettagliata per comprendere quali misure il parametro PRI. Ci siamo concentrati sul ciclo di xantofilla, un sistema di dissipazione termica che prevede la de-epossidazione dei pigmenti di xantofilla (violaxanthin a antheraraanthin e zeaxanthin) e un componente principale del NPQ perché le correlazioni tra PRI e conversione di questi pigmenti è stato riportato in studi precedenti8.
Molti mutanti correlati alla fotosintesi sono stati isolati e identificati nell’Arabidopsis. Il mutante npq1 non accumula zeaxanthin perché porta una mutazione in violaxanthin de-eposxidase (VDE), che catalizza la conversione di violaxanthin a zeaxanthin10. Per stabilire se PRI rileva solo cambiamenti nei pigmenti di xantofilla, abbiamo misurato simultaneamente la fluorescenza PRI e clorofilla nella stessa area fogliare in npq1 e nel tipo selvaggio e poi abbiamo sezionato il NPQ in scale temporali variabili di rilassamento scuro per estrarre il componente correlato alla xantofilla11. Queste misurazioni simultanee forniscono una tecnica preziosa per l’assegnazione degli indici di vegetazione. Inoltre, poiché PRI è correlato alla produttività primaria lorda (GPP), la capacità di assegnare PRI proprio a un componente ha importanti applicazioni nell’ecologia12.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo studio, abbiamo ottenuto ulteriori prove per dimostrare che il PRI rappresenta i pigmenti di xantofilla misurando simultaneamente la fluorescenza clorofilla e la riflettanza delle foglie.
Una luce alogena, che ha lunghezze d’onda simili alla luce solare, è stata adattata per l’uso come fonte di luce actinica per attivare la fotosintesi. Inizialmente abbiamo usato una fonte di luce LED bianca per evitare danni termici della superficie della foglia, ma questo ha prodotto cinetica di r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Siamo grati al Dr. Kouki Hikosaka (Università DiTohoku) per aver stimolato discussioni, assistenza con uno spazio di lavoro e strumenti per esperimenti. Il lavoro è stato sostenuto in parte da KAKENHI [numeri di sovvenzione 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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