许多植物物种会改变叶绿体的定位以优化光吸收。本方案介绍如何使用一种简单、自制的仪器，通过检测光透过叶片时透射率的变化，来研究拟南芥（Arabidopsis thaliana）叶片中叶绿体的运动。
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本文内容
摘要
摘要
叶片中叶绿体的运动已被证明有助于在特定条件下减少光抑制并促进生长。通过使用共聚焦荧光显微镜等技术研究叶片中叶绿体的定位，可以深入了解叶绿体的运动机制，但此类显微镜的使用受到限制。本实验方案描述了一种利用叶片透光率变化作为叶绿体运动代理指标的方法。当叶绿体分散分布以最大化光捕获时，叶片透光率较低；当叶绿体向细胞侧壁（垂周壁）移动以避光时，透光率则较高。本方案详细介绍了如何使用一种结构简单、可自行搭建的仪器，使叶片暴露于不同强度的蓝光下，并定量测定叶片透光率的动态变化。该方法使研究人员能够对不同物种和突变体中的叶绿体运动进行定量描述，研究化学物质和环境因素对其的影响，或筛选新的突变体，例如用于鉴定从光信号感知到叶绿体运动这一过程中缺失的组分。
引言
光对于光合作用、植物生长和发育至关重要。光是最具动态变化的非生物因子之一，其强度不仅随季节或昼夜发生变化，还会因云层覆盖情况而迅速且不可预测地波动。在叶片水平上，光强还受到周围植被的密度和性质以及植物自身冠层结构的影响。植物在多变光照条件下优化光能捕获的一个重要机制是叶绿体能够响应蓝光刺激而发生运动1,2。在弱光条件下，叶绿体沿垂周细胞壁方向展开排列（即垂直于入射光），这种现象称为积累反应，可最大化光能吸收，从而提高光合作用效率；而在强光条件下，叶绿体则向侧壁（即垂周壁）移动，这种现象称为避光反应，可减少光能吸收，降低光抑制的风险。在许多物种中，叶绿体在黑暗中还会呈现出特定的位置，该位置不同于积累或避光状态，通常介于两者之间3,4。多项研究表明，叶绿体运动不仅对叶片短期抗逆性具有重要意义5,6,7，而且对植物的生长和繁殖成功也至关重要，尤其是在光照条件多变的环境中8,9。
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方案
1. 准备用于实验的叶片
- 将8株A. thaliana植株置于黑暗环境中过夜（>6小时适用于大多数物种），以确保叶绿体进入其暗适应位置。所有重复实验的起始透射值应保持一致。
- 或者，将8片完整叶片放入底部铺有湿润滤纸的培养皿中，盖上培养皿后用铝箔纸包裹。
2. 测试传输装置是否正常工作
- 将传输设备连接至稳定的电源，然后按下设备的电源开关（ON/OFF 按钮）以重置仪器图1A，B).
- 将 iPad 连接到稳定的电源，按下主屏幕按钮以激活屏幕，然后输入密码登录。
- 按压 设置 图标，按下 显示 & 亮度 图标，按下 自动锁定，并选择 从不 通过按下此选项，确保屏幕始终保持开启状态。否则，当屏幕进入休眠时，程序将停止运行。按下 主屏幕 返回主屏幕的按钮。
- 双击主屏幕按钮以查看已打开的应用程序，并通过将它们向上滑动至屏幕顶部来关闭所有应用程序。按下 主屏幕 返回主屏幕按钮。
- 找到 叶片传感器....
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结果
传输装置的不同部件如图1所示。微控制器是该装置的控制单元，用于控制固定在黑色叶夹中的叶片所处的光照条件，并存储接收到的光传输数据（图1A，B）。仪器控制单元的特写图显示了电源开关、用于数据存储的SD卡、蓝牙模块（用于将数据发送至LeafSensor应用程序）以及连接LED（发光二极管）和光电晶体管的电缆。微控制器位于仪器底部，在图中仅可见其边缘部分（图1B）。通过3D打印制成的黑色叶夹用于固定叶片、LED和光电晶体管。在安装有LED的叶夹部分放置一张湿润的滤纸，确保LED不被遮挡，并将一片暗适应的叶片使其近轴面朝向LED放置。示意图表明，LED和光电晶体管位于叶片的相对两侧。LED可发射蓝光或红光。蓝光用于诱导叶绿体运动，并在每分钟内短暂关闭一次，期间红光作为测量光照射到叶片上。位于叶片另一侧的光电晶体管检测透过叶片的红光量，并将数据传送给微控制器和SD卡（图1C
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讨论
该设备使用极为简便，但由于每个叶片夹中的LED和光电晶体管的位置可能略有差异，因此必须对透射装置的每个叶片夹组件进行独立校准，这一点至关重要。确保LED和光电晶体管稳固插入，若数据出现异常，需重新检查校准情况。避免让设备接触水分。叶片夹中的叶片应置于盛水的“小船”中，以避免水分胁迫。可将这些“小船”放置于低边沿的塑料容器中，远离控制单元，并且切勿将其碰倒。切勿拔出或弯折电缆连接处。将叶片插入叶片夹时需小心操作，避免过度拉扯或弯折电缆。
必须使叶片在黑暗中充分适应，以确保初始透射值能够代表暗状态下的数值。在用蓝光照射叶片前，应检查仪器中暗期阶段的数值是否已在至少30分钟内保持稳定。若未达到稳定，应在下一次运行前延长叶片的暗适应时间，或延长透射装置中的暗期，以监测叶片达到稳态所需的时间。通常，透射数据以在特定蓝光强度下相对于暗态值的透射率变化百分比（ΔT）表示。因此，获得准确的基线值至关重要。
探索性实验可用于任何 A. thaliana 突变体（包括已知影响植物其他生理过程的突变体，例如光合作用、肌球蛋白相关突.......
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致谢
资金由Fiske奖和韦尔斯利学院教师奖提供。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 铝箔 | |||
| 暗适应叶片 | |||
| 滤纸 | |||
| 安装有 LeafSensor 应用程序的 iPad（参见补充信息） | |||
| 移液器 | 任意 | ||
| 培养皿 | 任意 | ||
| 传输设备（参见补充信息） | |||
| 水 |
参考文献
- Senn, G. Die Gestalts- und Lageveränderung der Pflanzenchromatophoren. , Wilhelm Engelmann. Leipzig, Germany. (1908).
- Zurzycki, J. The influence of chloroplast displacements on the optical properties of leaves. Acta Societatis Botanicorum Poloniae. 30,....
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重印与许可
