Оценка фотосинтетического поведения путем одновременного измерения отражения листьев и анализа флуоресценции хлорофилла
Summary
Мы описываем новый технический подход к изучению фотосинтетических реакций в высших растениях, включающий одновременные измерения хлорофилла флуоресценции и отражения листьев с помощью PAM и спектрального радиометра для обнаружения сигналов от той же области листьев в Арабидопсис.
Abstract
Хлорофилл флуоресценции анализ широко используется для измерения фотосинтетического поведения в нетронутых растений, и привело к разработке многих параметров, которые эффективно измеряют фотосинтез. Анализ отражения листьев обеспечивает несколько показателей растительности в экологии и сельском хозяйстве, включая индекс фотохимического отражения (PRI), который может быть использован в качестве индикатора рассеивания тепловой энергии во время фотосинтеза, поскольку он коррелирует с нефотохимическое закалка (НПЗ). Однако, поскольку NP является составным параметром, для понимания характера параметра PRI требуется его проверка. Для получения физиологических доказательств для оценки параметра PRI мы одновременно измеряли флуоресценцию хлорофилла и отражаем листья в дефектных мутантах цикла ксантофилла(npq1)и растениях арабидопсис дикого типа. Кроме того, параметр qq, который, вероятно, отражает цикл ксантофилла, был извлечен из результатов анализа флуоресценции хлорофилла путем мониторинга релаксации кинетики NP после выключения света. Эти одновременные измерения проводились с использованием импульсно-амплитудной модуляции (PAM) хлорофилла флюорометра и спектрального радиометра. Волоконные зонды с обоих инструментов были расположены близко друг к другу для обнаружения сигналов из одного и того же положения листа. Для активации фотосинтеза использовался внешний источник света, а измерительные огни и насыщенный свет были предоставлены прибором PAM. Эта экспериментальная система позволила нам контролировать светозависимых PRI в нетронутой завода и показал, что светозависимые изменения в PRI значительно отличаются между диким типом и npq1 мутант. Кроме того, PRI сильно коррелировал с q, что означает, что q q е отражает цикл ксантофилла. В совокупности эти измерения показали, что одновременное измерение отражения листьев и флуоресценции хлорофилла является допустимым подходом для оценки параметров.
Introduction
Отражение листьев используется для удаленного смысле растительных индексов, которые отражают фотосинтез или черты в растениях1,2. Нормализованный индекс растительности разницы (NDVI), который основан на инфракрасных сигналах отражения, является одним из наиболее широко известных растительных показателей для обнаружения свойств, связанных с хлорофилла, и используется в экологии и сельскохозяйственных науках как индикатор экологических реакций на деревья или сельскохозяйственные культуры3. В полевых исследованиях, хотя многие параметры (например, индекс хлорофилла (CI), индекс воды (WI) были разработаны и использованы, лишь немногие подробные проверки того, что эти параметры непосредственно (или косвенно) обнаружить были выполнены с использованием мутантов.
Импульсно-амплитуда модуляции (PAM) анализ хлорофилла флуоресценции является эффективным методом для измерения фотосинтетических реакций и процессов, участвующих в фотосистеме II (PSII)4. Хлорофилл флуоресценция может быть обнаружена с помощью камеры и использоваться для скрининга фотосинтеза мутантов5. Однако для обнаружения флуоресценции хлорофилла требуется комплексная обработка или импульсы насыщения света, которые трудно реализовать в полевых исследованиях.
Листья поглощается солнечной энергии света в основном потребляется фотосинтетических реакций. В отличие от этого, поглощение избыточной световой энергии может генерировать реактивные виды кислорода, что приводит к повреждению фотосинтетических молекул. Избыток световой энергии должен рассеиваться в виде тепла через нефотохимические механизмы закалки (NP)6. Индекс фотохимического отражения (PRI), отражающий светозависимые изменения параметров отражения листьев, получен из узкополосного отражения на уровне 531 и 570 нм (длина референтной волны)7,8. Сообщается, что он коррелирует с NP’ в анализе флуоресценции хлорофилла9. Однако, поскольку NP является составным параметром, который включает цикл ксантофилла, традиции состояния и фотоингибионизацию, требуется детальная проверка, чтобы понять, что измеряет параметр PRI. Мы сосредоточились на цикле ксантофилла, системе теплового рассеивания, включающей деэпоксидацию пигментов ксантофилла (вилаксантин к анциклантину и зеаксантину) и основной компонент НПЗ, поскольку корреляции между PRI и преобразованием этих пигменты были зарегистрированы в предыдущих исследованиях8.
Многие мутанты, связанные с фотосинтезом, были изолированы и идентифицированы в арабидопсисе. Npq1 мутант не накапливает сядевие, потому что он несет мутации в альтоксантин де-эпоксидазы (VDE), который катализает преобразование альтаксантин зеаксантин10. Чтобы установить, обнаруживает ли PRI только изменения в пигментах ксантофилла, мы одновременно измерили ФЛуоресценцию PRI и хлорофилла в одной и той же области листьев в npq1 и диком типе, а затем расчленяли NP в разной временной шкале темного расслабления для извлечения компонент11,связанный с ксантофилом. Эти одновременные измерения обеспечивают ценную технику для назначения индексов растительности. Кроме того, поскольку PRI коррелирует с валовой первичной производительностью (GPP), возможность присваивать PRI точно одному компоненту имеет важное применение в экологии12.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании мы получили дополнительные доказательства, чтобы показать, что PRI представляет пигменты ксантофила, одновременно измеряя флуоресценцию хлорофилла и отражательный лист.
Галогенный свет, который имеет длины волн, похожие на солнечный свет, был адаптир…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарны доктору Куки Хикосаке (Университет Тохоку) за стимулирование дискуссий, помощь в работе и инструменты для экспериментов. Работа была частично поддержана KAKENHI (гранты 18K05592, 18J40098) и 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 |
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).
