Evaluación de comportamientos fotosintéticos mediante mediciones simultáneas de la reflectancia de la hoja y análisis de fluorescencia de clorofila
Summary
Describimos un nuevo enfoque técnico para estudiar las respuestas fotosintéticas en plantas superiores que implica mediciones simultáneas de clorofila una fluorescencia y la reflectancia de las hojas utilizando un PAM y un radiómetro espectral para la detección de señales de la misma zona de la hoja en Arabidopsis.
Abstract
Clorofila un análisis de fluorescencia se utiliza ampliamente para medir los comportamientos fotosintéticos en plantas intactas, y ha dado lugar al desarrollo de muchos parámetros que miden eficientemente la fotosíntesis. El análisis de la reflectancia de la hoja proporciona varios índices de vegetación en ecología y agricultura, incluyendo el índice de reflectancia fotoquímica (PRI), que se puede utilizar como un indicador de disipación de energía térmica durante la fotosíntesis porque se correlaciona con temple no fotoquímico (NPQ). Sin embargo, puesto que el NPQ es un parámetro compuesto, su validación se requiere para entender la naturaleza del parámetro PRI. Para obtener evidencia fisiológica para la evaluación del parámetro PRI, medimos simultáneamente la fluorescencia de clorofila y la reflectancia de las hojas en las plantas mutantes defectuosas del ciclo de xantofilina (npq1) y Arabidopsis de tipo silvestre. Además, el parámetro qZ, que probablemente refleja el ciclo de xantofila, se extrajo de los resultados del análisis de fluorescencia de clorofila mediante el monitoreo de la cinética de relajación de NPQ después de apagar la luz. Estas mediciones simultáneas se llevaron a cabo utilizando un fluorómetro de clorofila de modulación de amplitud de pulso (PAM) y un radiómetro espectral. Las sondas de fibra de ambos instrumentos se colocaron cerca unade según la otra para detectar señales desde la misma posición de la hoja. Se utilizó una fuente de luz externa para activar la fotosíntesis, y las luces de medición y la luz saturada se proporcionaron desde el instrumento PAM. Este sistema experimental nos permitió monitorear el PRI dependiente de la luz en la planta intacta y reveló que los cambios dependientes de la luz en PRI difieren significativamente entre el tipo salvaje y el mutante npq1. Además, PRI estaba fuertemente correlacionado con qZ, lo que significa que qZ refleja el ciclo de xantofila. En conjunto, estas mediciones demostraron que la medición simultánea de la reflectancia de las hojas y la fluorescencia de clorofila es un enfoque válido para la evaluación de parámetros.
Introduction
La reflectancia de la hoja se utiliza para detectarremotamente índices de vegetación que reflejan la fotosíntesis o rasgos en las plantas 1,2. El índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI), que se basa en señales de reflexión infrarroja, es uno de los índices de vegetación más conocidos para la detección de propiedades relacionadas con la clorofila, y se utiliza en la ecología y las ciencias agrícolas como indicador de respuestas ambientales en árboles o cultivos3. En estudios de campo, aunque se han desarrollado y utilizado muchos parámetros (por ejemplo, índice de clorofila (CI), índice de agua (WI), etc.), pocas verificaciones detalladas de lo que estos parámetros detectan directa (o indirectamente) utilizando mutantes.
El análisis de modulación de amplitud de pulso (PAM) de fluorescencia de clorofila es un método eficaz para medir las reacciones fotosintéticas y los procesos involucrados en el fotosistema II (PSII)4. La fluorescencia de clorofila puede detectarse con unacámara y utilizarse para la detección de la fotosíntesis de mutantes 5. Sin embargo, la detección de la fluorescencia de la clorofila requiere protocolos complejos como el tratamiento oscuro o pulsos de saturación de luz, que son difíciles de implementar en estudios de campo.
La energía de la luz solar absorbida por la hoja se consume principalmente por reacciones fotosintéticas. Por el contrario, la absorción del exceso de energía lusivas puede generar especies reactivas de oxígeno, lo que causa daños a las moléculas fotosintéticas. El exceso de energía lusitiva debe disiparse como calor a través de mecanismos de temple no fotoquímicos (NPQ)6. El índice de reflectancia fotoquímica (PRI), que refleja los cambios dependientes de la luz en los parámetros de reflectancia de las hojas, se deriva de la reflectancia de banda estrecha a 531 y 570 nm (longitud de onda de referencia)7,8. Se ha informado que se correlaciona con NPQ en el análisis de fluorescencia de clorofila9. Sin embargo, dado que NPQ es un parámetro compuesto que incluye el ciclo de xantofila, la tradición estatal y la fotoinhibición, se requiere una validación detallada para entender lo que mide el parámetro PRI. Nos hemos centrado en el ciclo de xantofilla, un sistema de disipación térmica que implica la desoxidación de pigmentos de xantofila (violaxantina a la anteraxantina y zeaxantina) y un componente principal del NPQ porque las correlaciones entre PRI y la conversión de estos pigmentos se ha divulgado en estudios anteriores8.
Muchos mutantes relacionados con la fotosíntesis han sido aislados e identificados en Arabidopsis. El mutante npq1 no acumula zeaxantina porque lleva una mutación en violaxantina deepoxidase (VDE), que cataliza la conversión de violaxantina a zeaxantina10. Para establecer si PRI sólo detecta cambios en los pigmentos de xantofila, medimos simultáneamente el PRI y la fluorescencia de clorofila en la misma zona de la hoja en npq1 y el tipo salvaje y luego diseccionamos NPQ en diferentes escalas de tiempo de relajación oscura para extraer el componente relacionado con la xantofila11. Estas mediciones simultáneas proporcionan una técnica valiosa para la asignación de índices de vegetación. Además, dado que el PRI se correlaciona con la productividad primaria bruta (GPP), la capacidad de asignar PRI precisamente a un componente tiene aplicaciones importantes en la ecología12.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este estudio, obtuvimos evidencia adicional para demostrar que PRI representa pigmentos de xantofila midiendo simultáneamente la fluorescencia de clorofila y la reflectancia de las hojas.
Una luz halógena, que tiene longitudes de onda similares a la luz solar, fue adaptada para su uso como fuente de luz actínica para activar la fotosíntesis. Inicialmente usamos una fuente de luz LED blanca para evitar daños térmicos de la superficie de la hoja, pero esto produjo cinética de relajaci?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos al Dr. Kouki Hikosaka (Universidad de Tohoku) por estimular las discusiones, la asistencia con un espacio de trabajo e instrumentos para experimentos. La obra fue apoyada en parte por KAKENHI [números de subvención 18K05592, 18J40098] y la Fundación Naito.
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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