Utvärdering av fotosyntetiska beteenden genom samtidiga mätningar av Bladreflektans och klorofyll-Fluorescensanalyser
Summary
Vi beskriver en ny teknisk metod för att studera fotosyntetiska reaktioner i högre anläggningar med samtidiga mätningar av klorofyll en fluorescens och blad reflektans med hjälp av en pam och en spektralradiometer för detektion av signaler från samma löv område i Arabidopsis.
Abstract
Klorofyll en fluorescensanalys används ofta för att mäta fotosyntetiska beteenden i intakt växter, och har resulterat i utvecklingen av många parametrar som effektivt mäter fotosyntesen. Blad reflektans analys ger flera vegetations index i ekologi och jordbruk, inklusive fotokemisk reflektans index (PRI), som kan användas som en indikator på termisk energi avledning under fotosyntesen eftersom det korrelerar med icke-fotokemisk kylning (NPQ). Eftersom NPQ är en sammansatt parameter krävs dock validering för att förstå arten av PRI-parametern. För att få fysiologiska bevis för utvärdering av PRI parameter, vi mätt samtidigt klorofyll fluorescens och blad reflektans i xanthofyll Cycle defekt Mutant (npq1) och vildtyp Arabidopsis växter. Dessutom, den QZ parametern, som sannolikt återspeglar xanthofyll cykeln, extraherades från resultaten av klorofyll fluorescens analys genom att övervaka avslappning kinetik av npq efter att tända ljuset. Dessa samtidiga mätningar genomfördes med hjälp av en Pulse-amplitud modulering (PAM) klorofyll fluorometer och en spektralradiometer. Fiber sonderna från båda instrumenten var placerade nära varandra för att detektera signaler från samma blad position. En extern ljuskälla användes för att aktivera fotosyntesen, och mät lamporna och det mättade ljuset tillhandahölls från PAM-instrumentet. Detta experimentella system gjorde det möjligt för oss att övervaka ljus beroende PRI i intakt anläggningen och avslöjade att ljus-beroende förändringar i PRI skiljer sig avsevärt mellan Wild Type och npq1 Mutant. Dessutom var PRI starkt korrelerad med QZ, vilket innebär att QZ återspeglar xanthofyll cykeln. Tillsammans visade dessa mätningar att samtidig mätning av bladreflektans och klorofyll fluorescens är en giltig metod för parameter utvärdering.
Introduction
Blad reflektans används för att på distans känna vegetations index som återspeglar fotosyntesen eller egenskaper i växter1,2. Den normaliserade skillnaden vegetation index (NDVI), som är baserad på infraröda reflektions signaler, är en av de mest kända vegetations index för detektion av klorofyll-relaterade egenskaper, och det används i ekologi och lantbruksvetenskap som en indikator för miljöåtgärder i träd eller grödor3. I fältstudier, även om många parametrar (t. ex. klorofyll index (CI), vatten index (WI), etc.) har utvecklats och använts, några detaljerade kontroller av vad dessa parametrar direkt (eller indirekt) upptäcka har utförts med Mutants.
Pulse-amplitud modulering (PAM) analys av klorofyll fluorescens är en effektiv metod för att mäta fotosyntetiska reaktioner och processer som deltar i System II (psii)4. Klorofyll fluorescens kan detekteras med en kamera och används för screening photosynthesis mutanter5. Men kamera detektering av klorofyll fluorescens kräver komplexa protokoll såsom mörk behandling eller ljus mättnad pulser, som är svåra att genomföra i fältstudier.
Blad absorberas sol ljusenergi är främst konsumeras av fotosyntetiska reaktioner. Däremot kan absorptionen av överskotts ljusenergi generera reaktiva syreradikaler, som orsakar skador på fotosyntetiska molekyler. Den överskjutande ljusenergin måste skingras som värme genom icke-photochemical kylning (npq) mekanismer6. Det fotokemiska reflektans indexet (PRI), som återspeglar ljus beroende förändringar i parametrar för bladreflektans, härleds från smalbandsinreflektans vid 531 och 570 nm (referens våglängd)7,8. Det rapporteras att korrelera med NPQ i klorofyll fluorescensanalys9. Eftersom npq är en sammansatt parameter som innehåller xanthofyll cykel, State tradition och photoinhibition, krävs detaljerad validering för att förstå vad PRI parametern åtgärder. Vi har fokuserat på xanthofyll Cycle, ett termiskt avledande system som inbegriper de-epoxidation av xanthofyll pigment (violaxantin till antheraxantin och zeaxantin) och en huvudsaklig komponent i npq eftersom korrelationer mellan PRI och omvandling av dessa pigment har rapporterats i tidigare studier8.
Många fotosyntesrelaterade mutanter har isolerats och identifierats i Arabidopsis. Den npq1 Mutant ackumuleras inte zeaxantin eftersom det bär en mutation i violaxantin de-epoxidas (VDE), som katalyserar omvandlingen av violaxantin till zeaxantin10. För att fastställa om PRI bara upptäcker förändringar i xanthofyll pigment, vi mätt samtidigt PRI och klorofyll fluorescens i samma bladområdet i npq1 och Wild-typ och sedan dissekeras npq vid varierande tidsskalor av mörk avslappning för att extrahera Xanthophyll-relaterade komponent11. Dessa samtidiga mätningar ger en värdefull teknik för tilldelning av vegetations index. Dessutom, eftersom PRI korrelerar med brutto primär produktiviteten (GPP), möjligheten att tilldela PRI just till en komponent har viktiga tillämpningar i ekologi12.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie fick vi ytterligare bevis för att visa att PRI representerar xanthofyll pigment genom att samtidigt mäta klorofyll fluorescens och blad reflektans.
Ett halogenljus, som har våglängder liknande solljus, anpassades för användning som en aktinisk ljuskälla för att aktivera fotosyntesen. Vi använde initialt en vit LED-ljuskällor för att undvika termisk skada på bladytan, men detta producerade långsam mörk avslappning kinetik och exceptionellt hög qI (photoinhibitory Q…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi är tacksamma för Dr Kouki Hikosaka (Tohokus universitet) för att stimulera diskussioner, hjälp med en arbetsplats och instrument för experiment. Verket stöddes delvis av KAKENHI [Grant Numbers 18K05592, 18J40098] och 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).
