Plant Phenomics | 美國密蘇里大學(xué)聯(lián)合江南大學(xué)通過強(qiáng)光下葉綠素a熒光動(dòng)態(tài)分析揭示植物水分流失新機(jī)制

葉綠素a熒光作為一種可測量信號(hào)，被廣泛用于探測植物中的光化學(xué)反應(yīng)。ChlF測量通�；�于對(duì)光合作用光系統(tǒng)II（Photosystem II, PSII）的量子效率、NPQ、光化學(xué)猝滅等方面的評(píng)估。然而，絕對(duì)幅度的測量存在固有的不確定性，影響了現(xiàn)有方法的實(shí)用性。
 

2024年2月，Plant Phenomics 在線發(fā)表了美國密蘇里大學(xué)聯(lián)合江南大學(xué)合作完成的題為 Dynamic Analysis of Chlorophyll a Fluorescence in Response to Time-Variant Excitations during Strong Actinic Illumination and Application in Probing Plant Water Loss 的研究論文。
 

本研究探討了在強(qiáng)光照射下，葉綠素a熒光（Chlorophylla fluorescence, ChlF）對(duì)時(shí)間變化激發(fā)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并將其應(yīng)用于探測植物水分損失。研究中使用偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（pseudo-random binary sequence, PRBS）作為時(shí)間變化的多頻率照明激發(fā)，并在頻率域中分析了響應(yīng)的幅度增益變化。研究發(fā)現(xiàn)，非光化學(xué)猝滅（Nonphotochemical quenching, NPQ）活動(dòng)開始時(shí)，ChlF響應(yīng)的幅度會(huì)變化，使得ChlF對(duì)光照激發(fā)的響應(yīng)呈現(xiàn)出非線性和非平穩(wěn)特性。低頻增益與非光化學(xué)猝滅線性相關(guān)，可以用作參考來補(bǔ)償ChlF測量中的變異性。高頻幅度增益在經(jīng)過低頻增益校正后，與水分損失顯示出更強(qiáng)的相關(guān)性。這項(xiàng)工作證明了動(dòng)態(tài)特性在擴(kuò)大ChlF測量在植物分析中應(yīng)用的有用性，并提供了一種方法來減輕在強(qiáng)光照射下ChlF測量中的變異性。
 

在本研究中，作者旨在分析在強(qiáng)光照射下，ChlF對(duì)時(shí)間變化激發(fā)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。研究使用了多種植物樣本，包括菠菜、擬南芥、柑橘、橡樹和茉莉，通過調(diào)節(jié)葉綠素?zé)晒鈨x來實(shí)施時(shí)間變化的激發(fā)信號(hào)，并以100 kHz的采樣頻率測量ChlF。此外，通過控制植物樣本的水分損失來誘導(dǎo)光能收集和傳輸過程的變化，以觀察分析在水分脅迫條件下是否仍然有效。實(shí)驗(yàn)觀察到，在NPQ效應(yīng)下，ChlF響應(yīng)在時(shí)間域內(nèi)的變化，以及在頻率域內(nèi)對(duì)PRBS激發(fā)的ChlF響應(yīng)進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，低頻增益與NPQ活動(dòng)呈線性相關(guān)，可以作為補(bǔ)償ChlF測量變化的參考。此外，通過改變PRBS激發(fā)信號(hào)的幅度，發(fā)現(xiàn)ChlF動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是非線性的，因?yàn)楦哳l增益隨激發(fā)幅度而變化。水分損失測試表明，高頻增益與水分損失的依賴性更強(qiáng)，而低頻增益變化較小。通過回歸分析，發(fā)現(xiàn)高頻增益與相對(duì)水分含量的減少有關(guān)，而增益差異對(duì)水分損失最為敏感。這表明，通過使用低頻增益作為基線，可以改善ChlF測量，至少部分消除與適應(yīng)強(qiáng)光照射過程中變化相關(guān)的差異。
 

圖1 新鮮甘藍(lán)樣品對(duì)強(qiáng)光照和 PRBS 光照信號(hào)的 葉綠素a熒光 響應(yīng)。(A) 正常時(shí)間刻度。(B) 對(duì)數(shù)時(shí)間刻度 以清晰顯示反應(yīng)的早期 OJIP 階段。
 

本研究展示了動(dòng)態(tài)測量和分析可以作為增強(qiáng)植物研究中ChlF測量使用的另一種途徑。強(qiáng)光照射似乎在0.03 rad/s以下的低頻對(duì)ChlF有更強(qiáng)的影響。低頻增益與NPQ線性相關(guān)，并顯示出作為參考以抑制ChlF測量中變異性的有用性。強(qiáng)光照射影響ChlF的幅度，使ChlF對(duì)光照激發(fā)的響應(yīng)呈現(xiàn)出非線性和非平穩(wěn)特性。低頻和高頻之間的幅度增益差異對(duì)植物水分損失顯示出強(qiáng)烈的依賴性。

論文鏈接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/plantphenomics.0151

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About Plant Phenomics

《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫收錄�？祁Ｎò睯CR2022影響因子為6.5，位于農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)、遙感一區(qū)。2023年中科院期刊分區(qū)位于農(nóng)林科學(xué)大類一區(qū)。2020年入選中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目。

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
撰稿：吳庚宸（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
排版：趙倩瑩（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
審核：孔敏、王平