叶绿素荧光成像分析早期检测植物受到生物胁迫和非生物胁迫


发布时间:

2023-09-27

来源:

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作者:

PhenoTrait

由于气候变化,大多数农业用地经受着严重的影响,导致农业产量显著降低。通过成像技术对作物进行监测,可以在早期发现生物或非生物胁迫,以避免损害和重大的产量损失。叶绿素荧光成像技术是目前公认的植物胁迫检测成像技术之一,叶绿素荧光成像可以评估叶片的时空变化,在可见症状在出现之前就可以对植物的生理状态进行监测,从而进行高通量评估。因此,我们回顾了叶绿素荧光成像分析如何用于评估生物和非生物胁迫的不同实例,比如甜菜夜蛾( Spodoptera exigua )取食15分钟后,或在番茄植株上施用灰葡萄孢菌( Botrytis cineren ) 30分钟后,或在缺水胁迫开始时,叶绿素a( Chlorophyll a )就感受到生物胁迫,因此具有早期检测胁迫的潜力。叶绿素荧光( Chlorophyll fluorescence,ChlF )分析是一种快速、非侵入、易操作、低成本和高灵敏度的方法,可用于评估植物的光合性能和检测各种胁迫对植物的影响。在叶绿素荧光参数中,开放光系统 ( open photosystem Ⅱ,PSⅡ )反应中心 ( qp )可用于早期胁迫检测,最近的研究中发现它是叶绿素荧光筛选环境胁迫对植物影响最准确的指标。

 

图1 光合作用的光反应:吸收光能并将其转化为化学能,电子首先从PSII转移到PSI,最后经过铁氧还原蛋白形成NADPH,在光能过剩的情况下,通过3chl*形成1O2。在PSII水裂解复合物中,水被氧化产生分子氧( O2 )、质子( H+ )和电子( e-),电子从H2O转移到NADP+,并伴随着电子转移形成质子梯度差,促使ATP合成酶合成ATP,质体醌( PQ )接受来自H2O氧化的2个电子和来自叶绿体基质的2个质子( H+ ),被还原为质体醌醇( PQH2 ),而e通过细胞色素b6f复合物和质体蓝蛋白( PC )转移到PSI,同时还描述了铁氧化还原蛋白NADP+还原酶( FNR )和Fdx,当NADP+不存在(NADPH还未被用于碳水化合物的合成)时,转移到O2上的电子形成超氧阴离子( O2-)。随后,O2-被超氧化物歧化酶( SOD )转化为过氧化氢( H2O2),然后H2O2被抗坏血酸过氧化物酶( APX )还原为水。氧化型抗坏血酸通过单脱氢抗坏血酸还原酶( MDAR )从NADPH中还原,因此得到NADP+。光反应的产物ATP和NADPH必须与碳水化合物和其他必需的有机分子的合成相协调,否则,会产生活性氧( ROS )。捕光色素复合体(LHCs)吸收的光能为一些基本的光合过程提供能量,如H2O2氧化和电子传递,以及跨类囊体膜泵输送质子,通过ATP合成酶(利用产生的质子梯度差)和NADPH合成ATP。

 

图2 叶绿素a荧光分析基础:单线激发态叶绿素分子(1Chl*)去除激发态的可能途径,当叶绿素分子( Chl )吸收光能后,转化为1Chl*,然后通过以以下几条途径从激发态回到基态。( i )将能量转化为热能,( ii )将能量传递给另一个分子,该分子可以通过失去一个电子去激发一个电子受体分子,称为光化学,(iii )通过荧光发射。其中光化学是使1Chi*回到基态的较快途径,1Chl*未被上述途径去除激发态的情况下,通过内部转换将其从能量较高的激发1Chl*转换到能量较低的激发态3Chl*,3Chl*可与分子O2反应产生单线态氧( 1O* ),1O*是一种非常活泼的活性氧( ROS )。

 

 图3 叶绿素a荧光测定:采用经过暗适应叶片材料,利用光化学幅度调制( PAM )法测量叶绿素a基本荧光参数Fo、Fm、Fo'、Fm'和Fs。在黑暗中通过低光强测量叶绿素最小荧光( Fo),称为测量光( ML )。经过暗适应后用短暂的饱和光脉冲测得的最大荧光产量( Fm )。Fm与Fo的差值即为可变荧光Fv。在作用光( AL )照射下,可以用另一个饱和脉冲来测量光适应状态下的最大荧光( Fm' ),在关闭AL之前,测量光下稳态荧光( Fs )水平,在关闭AL后,测量光下叶绿素荧光的最低水平( Fo' ),Fm与Fo'的差值即为作用光下的可变荧光( Fv ' )。

 
来 源

Moustaka J, Moustakas M.Early-Stage Detection of Biotic and Abiotic Stress on Plants by Chlorophyll Fluorescence Imaging Analysis. Biosensors 2023, 13, 796.

 

编辑

王瑞丹

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