Évaluation des comportements photosynthétiques par des mesures simultanées de la réflectance des feuilles et des analyses de fluorescence de la chlorophylle
Summary
Nous décrivons une nouvelle approche technique pour étudier les réponses photosynthétiques dans les plantes supérieures impliquant des mesures simultanées de la chlorophylle une fluorescence et une réflectoflace de feuille utilisant un PAM et un radiomètre spectral pour la détection des signaux de la même zone de feuilles en Arabidopsis.
Abstract
Chlorophylle une analyse de fluorescence est largement utilisé pour mesurer les comportements photosynthétiques dans les plantes intactes, et a abouti à la mise au point de nombreux paramètres qui mesurent efficacement la photosynthèse. L’analyse de la réflectoflage des feuilles fournit plusieurs indices de végétation en écologie et en agriculture, y compris l’indice de réflectation photochimique (PRI), qui peut être utilisé comme indicateur de la dissipation de l’énergie thermique pendant la photosynthèse parce qu’il est en corrélation avec non-photochimique (NPQ). Toutefois, puisque le NPQ est un paramètre composite, sa validation est nécessaire pour comprendre la nature du paramètre PRI. Pour obtenir des preuves physiologiques pour l’évaluation du paramètre PRI, nous avons simultanément mesuré la fluorescence de chlorophylle et la réflectance de feuille dans le mutant défectueux de cycle de xanthophyll (npq1) et les usines sauvages-type d’Arabidopsis. En outre, le paramètre qZ, qui reflète probablement le cycle de xanthophyll, a été extrait des résultats de l’analyse de fluorescence de chlorophylle en surveillant la cinétique de relaxation du NPQ après l’arrêt de la lumière. Ces mesures simultanées ont été effectuées à l’aide d’un fluoromètre chlorophylle de modulation d’amplitude d’impulsion (PAM) et d’un radiomètre spectral. Les sondes de fibres des deux instruments ont été placées près l’une de l’autre pour détecter les signaux de la même position de feuille. Une source de lumière externe a été utilisée pour activer la photosynthèse, et les lumières de mesure et la lumière saturée ont été fournies à partir de l’instrument PAM. Ce système expérimental nous a permis de surveiller le PRI dépendant de la lumière dans la plante intacte et a révélé que les changements dépendants de la lumière dans PRI diffèrent considérablement entre le type sauvage et le mutant npq1. En outre, PRI a été fortement corrélé avec qZ, signifiant que qZ reflète le cycle de xanthophyll. Ensemble, ces mesures ont démontré que la mesure simultanée de la réflectation des feuilles et de la fluorescence de la chlorophylle est une approche valide pour l’évaluation des paramètres.
Introduction
La réflectofloire des feuilles est utilisée pour détecter à distance les indices de végétation qui reflètent la photosynthèse ou les traits des plantes1,2. L’indice de végétation de différence normalisé (NDVI), qui est basé sur les signaux de réflexion infrarouge, est l’un des indices de végétation les plus connus pour la détection des propriétés liées à la chlorophylle, et il est utilisé dans l’écologie et les sciences agricoles comme un indicateur des réponses environnementales dans les arbres ou les cultures3. Dans les études sur le terrain, bien que de nombreux paramètres (p. ex. indice de chlorophylle (IC), indice de l’eau (WI), etc.) aient été élaborés et utilisés, peu de vérifications détaillées de ce que ces paramètres détectent directement (ou indirectement) ont été effectuées à l’aide de mutants.
L’analyse de la modulation de la chlorophylle par impulsions (PAM) est une méthode efficace pour mesurer les réactions et les processus photosynthétiques impliqués dans le photosystème II (PSII)4. La fluorescence de la chlorophylle peut être détectée avec un appareil photo et utilisée pour le dépistage des mutants de photosynthèse5. Cependant, la détection par caméra de la fluorescence de la chlorophylle nécessite des protocoles complexes tels que le traitement sombre ou les impulsions de saturation de la lumière, qui sont difficiles à mettre en œuvre dans les études sur le terrain.
L’énergie solaire absorbée par les feuilles est principalement consommée par des réactions photosynthétiques. En revanche, l’absorption de l’énergie lumineuse excédentaire peut générer des espèces réactives d’oxygène, ce qui cause des dommages aux molécules photosynthétiques. L’excès d’énergie lumineuse doit être dissipé sous forme de chaleur par des mécanismes d’étanchéité non photochimique (NPQ)6. L’indice de réflectance photochimique (PRI), qui reflète les changements dépendants de la lumière dans les paramètres de réflectance des feuilles, est dérivé de la réflectance à bande étroite à 531 et 570 nm (longueur d’onde de référence)7,8. Il est rapporté pour corrélé avec NPQ dans l’analyse de fluorescence de chlorophylle9. Cependant, puisque nPQ est un paramètre composite qui inclut le cycle de xanthophyll, la tradition d’état, et la photoinhibition, la validation détaillée est exigée pour comprendre ce que le paramètre de PRI mesure. Nous nous sommes concentrés sur le cycle xanthophyll, un système de dissipation thermique impliquant la désépoxidation des pigments xanthophyll (altoxanthine à l’anthéraxanthine et à la zéaxanthine) et un composant principal du NPQ parce que les corrélations entre PRI et la conversion de ces pigments a été rapporté dans les études précédentes8.
De nombreux mutants liés à la photosynthèse ont été isolés et identifiés dans L’Arabidopsis. Le mutant npq1 n’accumule pas de zéaxanthine parce qu’il porte une mutation en alpoxidase altoxidase (VDE), qui catalyse la conversion de la violaxanthine en zéaxanthine10. Pour établir si PRI ne détecte que les changements dans les pigments xanthophyll, nous avons simultanément mesuré pri et fluorescence de chlorophylle dans la même zone de feuille dans npq1 et le type sauvage et puis disséqué NPQ à différentes échelles de temps de relaxation foncée pour extraire la composante xanthophyll-connexe11. Ces mesures simultanées fournissent une technique précieuse pour l’attribution d’indices de végétation. En outre, puisque pri est en corrélation avec la productivité primaire brute (GPP), la capacité d’attribuer PRI précisément à un composant a des applications importantes dans l’écologie12.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans cette étude, nous avons obtenu des preuves supplémentaires pour montrer que PRI représente les pigments xanthophyll en mesurant simultanément la fluorescence de la chlorophylle et la réflectoflace des feuilles.
Une lumière halogène, dont les longueurs d’onde sont semblables à la lumière du soleil, a été adaptée pour être utilisée comme source de lumière actinique pour activer la photosynthèse. Nous avons d’abord utilisé une source de lumière LED blanche pour éviter les …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous sommes reconnaissants au Dr Kouki Hikosaka (Université de Tohoku) pour avoir stimulé les discussions, l’aide avec un espace de travail et des instruments pour des expériences. Le travail a été soutenu en partie par KAKENHI [numéros de subvention 18K05592, 18J40098] et la Fondation 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 |
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).
