我们介绍一种研究高等植物光合作用响应的新技术方法，该方法结合使用脉冲振幅调制（PAM）仪和光谱辐射计，同步测量拟南芥同一叶片区域的叶绿素a荧光和叶片反射率，以检测其信号。
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摘要
摘要
叶绿素a荧光分析被广泛用于测量完整植株中的光合行为，并由此发展出许多能够高效评估光合作用的参数。叶片反射率分析在生态学和农业中提供了多个植被指数，包括光化学反射率指数（PRI），该指数可作为光合作用过程中热能耗散的指示指标，因其与非光化学淬灭（NPQ）相关。然而，由于NPQ是一个复合参数，需对其进行验证以理解PRI参数的本质。为了获得评估PRI参数的生理学证据，我们同时测量了类胡萝卜素循环缺陷突变体（npq1）和野生型拟南芥植株的叶绿素荧光和叶片反射率。此外，通过监测关闭光照后NPQ的弛豫动力学，从叶绿素荧光分析结果中提取了可能反映类胡萝卜素循环的qZ参数。这些同步测量使用脉冲振幅调制（PAM）叶绿素荧光仪和光谱辐射计完成。两台仪器的光纤探头被放置在彼此靠近的位置，以检测来自叶片相同位置的信号。采用外部光源激活光合作用，而测量光和饱和光则由PAM仪器提供。该实验系统使我们能够在完整植株中监测光依赖性的PRI，并揭示野生型与npq1突变体之间PRI的光依赖性变化存在显著差异。此外，PRI与qZ之间表现出强相关性，表明qZ能够反映类胡萝卜素循环。综上所述，这些测量结果表明，同步测量叶片反射率和叶绿素荧光是评估参数的一种有效方法。
引言
叶片反射率被用于遥感监测反映植物光合作用或植物性状的植被指数1,2。归一化差异植被指数（NDVI）基于红外反射信号，是检测与叶绿素相关特性的最广为人知的植被指数之一，在生态学和农业科学中被用作指示树木或作物对环境响应的指标3。在野外研究中，尽管已开发并使用了许多参数（例如叶绿素指数（CI）、水分指数（WI）等），但利用突变体对这些参数直接（或间接）检测内容进行的详细验证仍较少。
利用脉冲振幅调制（PAM）法分析叶绿素荧光是测量光系统II（PSII）中光合作用反应及相关过程的有效方法4。叶绿素荧光可通过相机检测，并用于筛选光合作用突变体5。然而，相机检测叶绿素荧光需要复杂的操作步骤，例如暗处理或光饱和脉冲，这些在野外研究中难以实施。
叶片吸收的太阳光能主要被光合作用反应所利用。相比之下，过量光能的吸收会产生活性氧物种，从而对光合分子造成损伤。过量的光能必须通过非光化学猝灭（NPQ）机制以热的形式耗散6。光化学反射率指数（PRI）反映了叶片反射率参数对光的依赖性变化，其基于531 nm和570 nm（参考波长）处的窄波段....
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方案
1. 拟南芥植株的培养
- 将拟南芥（Arabidopsis thaliana）种子放入微量离心管中，用灭菌的去离子水浸泡，并在4 °C避光条件下孵育2天。
- 使用微量移液器将约四粒吸胀并经过低温处理的种子置于土壤表面。将播种后的花盆放入培养室中，在16小时光照（120 μmol photons m–2 s–1）、8小时黑暗的光周期条件下培养，光照期间温度为22 °C，黑暗期间为20 °C。
- 种子萌发后，通过间苗使每盆保留一株植株，每批实验至少准备五个花盆。将植株在培养室中继续培养4周，实验中使用其中三株。
- 选择最幼嫩且完全展开的成熟叶片进行光合作用测定。
2. 设置样品台、光合作用仪器和光源
注意：本实验方案使用了自行设计的样品台，用于固定叶片和检测探针（图1）。
- 将一块带有直径为1 cm圆孔的10 cm2钢片固定在定制的样品台上。该钢片上的孔径可根据不同的叶片样本或植物种类进行调整。样品台配备有用于固定检测探头的夹具，以及用于调节探头与叶片样本之间距离的调节装置。
- 准备用于测量叶绿素荧光和叶片反射率的细光纤探头。这两个细光纤探头将被紧密放置，....
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结果
图1展示了同时测量叶绿素荧光和叶片反射率的实验装置示意图。脉冲振幅调制（PAM）仪和光谱辐射计的光纤探头垂直于叶片夹持器上的叶片表面放置，该夹持器位于定制的样品台上；同时使用卤素灯从左右两个方向提供无阴影的激发光照射。PAM信号和叶片反射率信号分别由各自系统的软件进行检测。该实验系统用于比较拟南芥野生型（Col）与npq1突变体（缺乏玉米黄质）植株（图2）。将由叶片反射率计算得到的ΔPRI与通过PAM估算的光依赖性光系统II线性电子传递速率（LEF）进行对比（图2A）。已有报道指出，PRI不仅受叶黄素循环的影响，还受到类胡萝卜素的影响16。为仅观察光依赖性的PRI变化，对PRI进行了校正，即用各光强下的PRI值减去最低光强下的PRI值，得到ΔPRI11。结果表明，在野生型植株中，ΔPRI与LEF呈负相关，而在npq1.......
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讨论
在本研究中，我们通过同时测量叶绿素荧光和叶片反射率，获得了进一步的证据，表明PRI反映了叶黄素色素的变化。
卤素光源的波长与太阳光相似，被用作激发光合作用的激发光源。我们最初使用白色LED光源以避免叶片表面产生热损伤，但这导致暗恢复动力学过程缓慢，并出现异常高的qI（光抑制淬灭），可能是由于对PSII造成了光损伤。因此，我们改用带有内置冷滤光片的卤素灯以减少热量产生。该光源未引起暗恢复过程或qI的任何异常。
本方法中最重要的变量是叶片、光源与检测探头之间的相对位置关系。我们曾尝试从光源正对叶片上方照射，同时从不同对角角度测量叶绿素荧光和叶片反射率。然而，检测信号的强度随角度变化而有所不同。为避免这种变异性，探头被固定在叶片样品正上方（图1）。光源通过分叉光纤输送，从左右两侧同时照射叶片表面，以产生均匀的照射光（图1）。
对叶片反射率的研究主要被应用于生态.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢东北大学的 Kouki Hikosaka 博士在讨论、实验空间及实验仪器方面提供的宝贵帮助。本工作部分得到了 KAKENHI [资助编号 18K05592、18J40098] 和内藤基金会的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 卤素光源 | OptoSigma | SHLA-150 | |
| 光量子计 | LI-COR | LI-1000 | |
| PAM 叶绿素荧光仪 | Walz | JUNIOR-PAM | |
| PAM 控制软件 | Walz | WinControl-3.27 | |
| 反射率标准板 | Labsphere, Inc. | SRT-99-050 | |
| 光谱辐射计 | ADS Inc. | Field Spec3 | |
| 光谱辐射计控制软件 | ADS Inc. | RS3 |
参考文献
- 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.
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重印与许可
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