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La fotosíntesis consiste en la absorción de luz, la transferencia primaria de electrones, la estabilización de energía y la síntesis y transporte de productos fotosintéticos1. Comprender cada paso es vital para guiar los esfuerzos para aumentar la eficiencia fotosintética de los cultivos. La luz afecta la velocidad de la fotosíntesis, lo que requiere equilibrar el suministro de energía, en forma de fotones, con la demanda de equivalentes reductores. Cuando la oferta excede la demanda, por ejemplo, bajo mucha luz o durante la fijación reducida de CO2 causada por el cierre estomático, la acumulación de potencia reductora aumenta la probabilidad de formación de especies reactivas de oxígeno con el potencial de dañar el aparato fotosintético y perjudicar el transporte de electrones. Por lo tanto, para prevenir daños, las plantas han desarrollado varios mecanismos de fotoprotección, incluida la desintoxicación de especies reactivas de oxígeno y el enfriamiento no fotoquímico de los estados de clorofila excitada (NPQ)2.
Mantener altas tasas de fotosíntesis es un desafío en un entorno de campo. Los cambios estacionales y diurnos, junto con las fluctuaciones ambientales, como los movimientos de las hojas inducidos por el viento y la nubosidad transitoria, causan cambios en la cantidad e intensidad de la luz recibida por las plantas para la fotosíntesis3. NPQ disipa el exceso de energía de la luz y puede ayudar a prevenir el daño fotográfico al tiempo que permite tasas sostenidas de fotosíntesis con mucha luz4. Sin embargo, la NPQ prolongada durante las transiciones de alta a baja luz continúa disipando la energía que podría usarse para la reducción de carbono5. Como resultado, acelerar la relajación de NPQ puede aumentar la eficiencia de la fotosíntesis6, haciendo de la relajación de NPQ un objetivo atractivo para la mejora de cultivos.
El análisis de fluorescencia de clorofila modulada por amplitud de pulso (PAM) se puede utilizar para calcular el NPQ a partir de parámetros medibles (Tabla suplementaria 1 y Tabla suplementaria 2)7,8,9. Este artículo se centra en determinar las tasas de relajación de NPQ en plantas cultivadas en el campo con el fin de detectar la variación natural en el germoplasma. Sin embargo, el análisis de fluorometría de clorofila PAM también se puede utilizar para una amplia variedad de propósitos, aplicado a especies que van desde algas hasta plantas superiores, y se revisa en otros lugares 7,8,9.
En una hoja o célula adaptada a la oscuridad, los centros de reacción del fotosistema II (PSII) están abiertos para recibir electrones y no hay NPQ. Encender una luz de medición de baja intensidad provoca fluorescencia de clorofila al tiempo que evita el transporte de electrones a través de PSII. La fluorescencia mínima registrada en este estado adaptado a la oscuridad se describe mediante el parámetro Fo. La aplicación de un pulso de luz de alta intensidad a una hoja adaptada a la oscuridad puede reducir rápidamente el primer grupo estable de aceptores de electrones de quinonas unidas al sitio de la quinona A. Esto bloquea temporalmente la capacidad de transferencia de electrones en los centros de reacción PSII, que luego se dice que están cerrados y no pueden recibir electrones de la división del agua. Al usar una duración de pulso corta, no hay tiempo suficiente para estimular npq. La fluorescencia de clorofila resultante es equivalente al valor máximo obtenible en ausencia de NPQ, o fluorescencia máxima, Fm. La diferencia entre fluorescencia mínima y máxima se conoce como fluorescencia variable, Fv. El rendimiento cuántico fotoquímico máximo del fotosistema II (Fv/Fm) se calcula a partir de estos dos parámetros utilizando la siguiente ecuación:
Fv/Fm = (Fm-F o)/Fm
Esto puede proporcionar un indicador importante de la función del fotosistema y el estrés. Encender una luz actínica (fotosintética) estimula el enfriamiento no fotoquímico, y la posterior aplicación de un flash saturador permite la medición de la fluorescencia máxima adaptada a la luz, Fm'. Al comparar la diferencia entre la fluorescencia máxima oscura y la adaptada a la luz, el NPQ se puede calcular de acuerdo con la ecuación de Stern-Volmer10:
NPQ = Fm/Fm' - 1
En plantas superiores, se ha descrito que npQ consta de al menos cinco componentes distintos, incluidos qE, qT, qZ, qI y qH. Los mecanismos precisos que intervienen en el PNP no se comprenden plenamente; sin embargo, qE se considera el componente principal de NPQ en la mayoría de las plantas. Se ha encontrado que los factores cruciales para la participación total de la qE incluyen la acumulación de un gradiente de protones a través de la membrana tilacoidea, la actividad del fotosistema II subunidad S 11,12 y las xantofilas desoxidadas, la anteraxantina, la luteína y, en particular, la zeaxantina13. qE relaja el más rápido de cualquier componente NPQ (< 2 min)14, y la activación reversible de qE es, por lo tanto, particularmente importante para la adaptación a las intensidades de luz cambiantes. Una segunda fase más lenta de relajación de NPQ (~ 2-30 min) abarca tanto qT, relacionada con las transiciones de estado, como qZ, que implica la interconversión de zeaxantina a violaxantina15. La relajación lenta (> 30 min) de NPQ puede incluir tanto el enfriamiento fotoinhibitorio (qI)16 como procesos independientes del fotodaño17,18, como qH, que es un enfriamiento sostenido en las antenas periféricas de PSII mediado por una proteína plastid lipocalina19,20.
La NPQ aumenta durante la exposición a la luz alta. La transferencia posterior a poca luz puede resultar en una regulación a la baja del NPQ. La desintegración de las fases relajantes rápidas, intermedias y lentas se puede capturar en los parámetros de una funciónbiexponencial 15,21,22,23
NPQ = Aq1(-t/τ1) + Aq2(-t/τ2) + Aq3
La base teórica para la función biexponencial se basa en el supuesto de la utilización de primer orden de quenchers hipotéticos, incluyendo qE (Aq1), la relajación combinada de qZ y qT (Aq2), con las correspondientes constantes de tiempo τq1 y τq2, y NPQ a largo plazo, que incluye qI y procesos independientes de fotodaño (Aq3). Como tal, la función biexponencial proporciona una representación más realista de los múltiples procesos biológicos conectados involucrados en el enfriamiento de la fluorescencia de clorofila en comparación con una ecuación de Hill más simple que carece de una base teórica24.
NpQ se puede medir utilizando una variedad de fluorómetros PAM disponibles comercialmente25,26, desde simples dispositivos de mano27 hasta sistemas cerrados más avanzados28. Sin embargo, una limitación de varios de estos enfoques es un rendimiento relativamente bajo, lo que hace que la detección de grandes colecciones de plantas sea un desafío sin múltiples dispositivos y un equipo de investigadores. Para abordar este problema, McAusland et al. desarrollaron un procedimiento basado en el tejido foliar extirpado y lo utilizaron para identificar diferencias en la fluorescencia de clorofila entre dos cultivares de trigo29. El atractivo de este enfoque es que la obtención de imágenes de discos de hojas, tomadas de múltiples plantas con un solo dispositivo, puede facilitar la detección de cientos de genotipos en un día. Esto permite evaluar la variación en la relajación de NPQ como parte de los estudios de asociación de todo el genoma, o para detectar poblaciones reproductoras con el potencial de aumentar la eficiencia fotosintética de los cultivos y, en última instancia, el rendimiento.
Sobre la base de los hallazgos de McAusland et al.29, utilizamos el análisis de fluorescencia de clorofila PAM de discos foliares para el cribado de alto rendimiento de las tasas de relajación de NPQ en Glycine max (G.max; soja). Este protocolo utiliza el CF Imager25, que es comparable a otros sistemas pam cerrados disponibles comercialmente, como la popular FluorCam26. Con una sala oscura para la adaptación de muestras, los usuarios pueden obtener imágenes de placas de 96 pocillos, placas de Petri y plantas pequeñas. La ventaja clave de este enfoque es el aumento en el rendimiento que ofrece el uso de discos de hoja en comparación con el análisis secuencial de plantas individuales. A continuación presentamos resultados representativos y un método para el muestreo, la medición y el análisis de NPQ en plantas cultivadas en el campo.