Evaluering af fotosyntetiske adfærd ved samtidige målinger af blad reflektans og chlorophyll fluorescens analyser
Summary
Vi beskriver en ny teknisk tilgang til at studere fotosyntetiske reaktioner i højere planter, der involverer samtidige målinger af klorofyl pt fluorescens og blad reflektans ved hjælp af en Pam og et spektral Radiometer til påvisning af signaler fra samme blad område i Arabidopsis.
Abstract
Chlorophyll pt fluorescens analyse er almindeligt anvendt til at måle fotosyntetisk adfærd i intakte planter, og har resulteret i udviklingen af mange parametre, der effektivt måler fotosyntese. Blad refleksions analyse giver flere vegetations indekser i økologi og landbrug, herunder fotokemisk refleksions indeks (PRI), som kan bruges som en indikator for termisk energi afledning under fotosyntese, fordi det korrelerer med ikke-fotokemisk dæmpning (NPQ). Da NPQ er en sammensat parameter, er det imidlertid nødvendigt at validere den for at forstå karakteren af PRI-parameteren. For at opnå fysiologiske beviser for vurdering af PRI parameter målte vi samtidig klorofyl fluorescens og blad reflektans i xanthophyll Cycle defekt mutant (npq1) og vildtype Arabidopsis planter. Desuden, den qZ parameter, som sandsynligvis afspejler xanthophyll cyklus, blev ekstraheret fra resultaterne af klorofyl fluorescens analyse ved at overvåge afslapning kinetik af npq efter at slukke lyset slukket. Disse samtidige målinger blev udført ved hjælp af en puls-amplitude modulation (PAM) klorofyl fluorometer og et spektral Radiometer. Fiber prober fra begge instrumenter blev placeret tæt på hinanden for at detektere signaler fra samme blad position. Der blev anvendt en ekstern lyskilde til at aktivere fotosyntese, og måle lysene og det mættede lys blev leveret fra PAM-instrumentet. Dette forsøgssystem gjorde det muligt for os at overvåge lysafhængig PRI i det intakte anlæg og afslørede, at lysafhængige ændringer i PRI varierer betydeligt mellem Wild type og npq1 mutant. Desuden var PRI stærkt korreleret med qZ, hvilket betyder, at qZ afspejler xanthophyll-cyklussen. Disse målinger viste tilsammen, at samtidig måling af blad reflektans og klorofyl Fluorescens er en gyldig metode til parameter evaluering.
Introduction
Blad reflektans bruges til at fjernstyre vegetations indekser, der afspejler fotosyntese eller træk i planter1,2. Det normaliserede forskel vegetations indeks (NDVI), som er baseret på infrarøde refleksions signaler, er et af de mest kendte vegetations indekser til påvisning af chlorophyll-relaterede egenskaber, og det anvendes i økologi og landbrugs videnskaber som en indikator for miljø respons i træer eller afgrøder3. I feltundersøgelser, selv om mange parametre (f. eks klorofyl Index (CI), vand indeks (Wi), etc.) er blevet udviklet og anvendt, få detaljerede kontroller af, hvad disse parametre direkte (eller indirekte) detektere er blevet udført ved hjælp af mutanter.
Puls-amplitude modulation (PAM) analyse af klorofyl Fluorescens er en effektiv metode til at måle fotosyntetiske reaktioner og processer, der er involveret i photosystem II (PSII)4. Klorofyl fluorescens kan påvises med et kamera og anvendes til screening fotosyntese mutanter5. Dog kræver kamera detektering af klorofyl fluorescens komplekse protokoller såsom mørk behandling eller lys mætnings pulser, som er svære at implementere i feltundersøgelser.
Leaf absorberet Solar Light energi er hovedsagelig forbruges af fotosyntetiske reaktioner. Derimod kan absorptionen af overskydende lys energi generere reaktive oxygenarter, som forårsager skade på fotosyntetiske molekyler. Den overskydende lys energi skal spredes som varme gennem ikke-fotokemiske dæmper (npq) mekanismer6. Det foto kemiske refleksions indeks (PRI), som afspejler lysafhængige ændringer i blad refleksions parametrene, er afledt af smalbånds reflektans ved 531 og 570 nm (reference bølgelængde)7,8. Det er rapporteret at korrelere med npq i klorofyl fluorescens analyse9. Men da NPQ er en sammensat parameter, der omfatter xanthophyll cyklus, State tradition, og foto hæmning, detaljeret validering er forpligtet til at forstå, hvad PRI parameter måler. Vi har fokuseret på xanthophyll cyklus, en termisk afledning system, der involverer de-epoxidering af xanthophyll pigmenter (violaxanthin til ca og zeaxanthin) og en hovedbestanddel af npq, fordi korrelationer mellem pri og omdannelse af disse pigmenter er blevet rapporteret i tidligere undersøgelser8.
Mange fotosyntese-relaterede mutanter er blevet isoleret og identificeret i Arabidopsis. Npq1 mutant akkumulerer ikke zeaxanthin, fordi det bærer en mutation i violaxanthin de-epoxidase (VDE), som katalyserer omdannelsen af violaxanthin til zeaxanthin10. For at fastslå, om PRI kun registrerer ændringer i xanthophyll pigmenter, målte vi samtidig PRI og klorofyl fluorescens i samme blad område i npq1 og Wild-type og derefter dissekeret npq på varierende tidsskalaer for mørk afslapning at udtrække den xanthophyll-relaterede komponent11. Disse samtidige målinger giver en værdifuld teknik til tildeling af vegetations indekser. Da PRI korrelerer med brutto primær produktivitet (GPP), har evnen til at tildele PRI netop til én komponent vigtige anvendelser i økologi12.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne undersøgelse fik vi yderligere dokumentation for, at PRI repræsenterer xanthophyll pigmenter ved samtidig at måle klorofyl fluorescens og blad reflektans.
Et halogen lys, der har bølgelængder svarende til sollys, blev tilpasset til brug som en aktinisk lyskilde for at aktivere fotosyntese. Vi brugte oprindeligt en hvid LED-lyskilde for at undgå termisk beskadigelse af bladets overflade, men dette producerede langsom mørk afslapning kinetik og usædvanligt høj qI (foto hæmmende…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi er taknemmelige for Dr. Kouki Hikosaka (Tohoku University) for at stimulere diskussioner, assistance med et arbejdsområde, og instrumenter til eksperimenter. Værket blev delvist støttet af KAKENHI [Grant Numbers 18K05592, 18J40098] og 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 |
Referências
- 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).
