Summary
We beschrijven een nieuwe technische benadering voor het bestuderen van fotosynthetische responsen in hogere planten waarbij gelijktijdige metingen van chlorofyl een fluorescentie-en blad reflectie met behulp van een pam en een spectrale Radiometer voor de detectie van signalen van de zelfde blad gebied in Arabidopsis.
Abstract
Chlorofyl een fluorescentie analyse wordt veel gebruikt om fotosynthetisch gedrag in intacte planten te meten, en heeft geresulteerd in de ontwikkeling van vele parameters die de fotosynthese efficiënt meten. Blad reflectie analyse biedt verschillende vegetatie indices in ecologie en landbouw, met inbegrip van de fotochemische reflectie index (PRI), die kan worden gebruikt als een indicator van thermische energie dissipatie tijdens fotosynthese, omdat het correleert met niet-fotochemische afschrikken (NPQ). Omdat NPQ echter een samengestelde parameter is, is de validatie ervan vereist om de aard van de PRI-parameter te begrijpen. Om fysiologisch bewijs te verkrijgen voor de evaluatie van de pri-parameter, meten we gelijktijdig chlorofylfluorescentie en blad reflectie in de Xantofyl-cyclus van defecte Mutant (npq1) en wild-type Arabidopsis-planten. Bovendien werd de QZ-parameter, die waarschijnlijk de Xantofyl-cyclus weerspiegelt, geëxtraheerd uit de resultaten van chlorofylfluorescentie analyse door het monitoren van de ontspannings kinetiek van npq na het overschakelen van het licht uit. Deze gelijktijdige metingen werden uitgevoerd met behulp van een puls-amplitudemodulatie (PAM) chlorofyl fluorometer en een spectrale Radiometer. De vezel sondes van beide instrumenten werden dicht bij elkaar geplaatst om signalen van dezelfde bladpositie te detecteren. Een externe lichtbron werd gebruikt om de fotosynthese te activeren, en de meet lampjes en het verzadigde licht werden geleverd vanuit het PAM-instrument. Dit experimentele systeem stelde ons in staat om licht afhankelijke PRI in de intacte fabriek te monitoren en toonde aan dat licht afhankelijke veranderingen in PRI significant verschillen tussen het wild type en npq1 mutant. Bovendien was pri sterk gecorreleerd met QZ, wat betekent dat QZ de Xantofyl-cyclus weerspiegelt. Samen toonden deze metingen aan dat gelijktijdige meting van blad reflectantie en chlorofylfluorescentie een geldige benadering is voor parameter evaluatie.
Introduction
Blad reflectie wordt gebruikt om op afstand te voelen vegetatie indices die fotosynthese of eigenschappen in planten1,2weerspiegelen. De genormaliseerde verschil vegetatie index (NDVI), die is gebaseerd op Infrarood reflectie signalen, is een van de meest bekende vegetatie indices voor de detectie van chlorofyl-gerelateerde eigenschappen, en wordt gebruikt in de ecologie en agrarische wetenschappen als een indicator van milieu reacties in bomen of gewassen3. Hoewel er in veldstudies veel parameters (bijv. chlorofyl index (CI), water index (WI), etc.) zijn ontwikkeld en gebruikt, zijn er weinig gedetailleerde verificaties uitgevoerd van wat deze parameters direct (of indirect) detecteren met behulp van mutanten.
Pulse-amplitudemodulatie (PAM) analyse van chlorofylfluorescentie is een effectieve methode voor het meten van fotosynthetische reacties en processen die betrokken zijn bij photosystem II (PSII)4. Chlorofylfluorescentie kan worden gedetecteerd met een camera en gebruikt voor het screenen van fotosynthese mutanten5. Camera detectie van chlorofylfluorescentie vereist echter complexe protocollen zoals donkere behandeling of licht saturatie pulsen, die moeilijk te implementeren zijn in veldstudies.
De door het blad geabsorbeerde zonnelicht energie wordt voornamelijk verbruikt door fotosynthetische reacties. Daarentegen kan de absorptie van overtollige lichtenergie reactieve zuurstof soorten genereren, wat schade aan fotosynthetische moleculen veroorzaakt. De overtollige lichtenergie moet worden afgevoerd als warmte door niet-fotochemische afschrikken (NPQ) mechanismen6. De fotochemische reflectantie index (PRI), die licht afhankelijke veranderingen in de parameters van de blad reflectie reflecteert, is afgeleid van smalbandreflectantie op 531 en 570 nm (referentie golflengte)7,8. Het is gemeld om te correleren met NPQ in chlorofylfluorescentie analyse9. Aangezien npq echter een samengestelde parameter is die de Xantofyl-cyclus, de status traditie en de fotoinhibitie omvat, is gedetailleerde validatie vereist om te begrijpen wat de pri-parameter meet. We hebben ons geconcentreerd op de Xantofyl-cyclus, een warmtedissipatiesysteem met de de-epoxidatie van Xantofyl-pigmenten (Violaxanthine op antheraxanthine en zeaxanthine) en een hoofdbestanddeel van npq omdat correlaties tussen pri en conversie van deze pigmenten zijn gemeld in voorgaande onderzoeken8.
Veel fotosynthese-gerelateerde mutanten zijn geïsoleerd en geïdentificeerd in Arabidopsis. De npq1 Mutant verzamelt geen zeaxanthine omdat het een mutatie draagt in Violaxanthine de-epoxidase (VDE), die de omzetting van Violaxanthine naar zeaxanthine10katalyseert. Om vast te stellen of pri alleen veranderingen in Xantofyl-pigmenten detecteert, hebben we gelijktijdig pri en chlorofylfluorescentie gemeten in hetzelfde blad gebied in npq1 en het wild-type en vervolgens ontleed npq op verschillende tijdschalen van donkere ontspanning om te extraheren de xanthophyll-gerelateerde component11. Deze gelijktijdige metingen bieden een waardevolle techniek voor de toewijzing van vegetatie indices. Aangezien PRI correleert met de bruto primaire productiviteit (GPP), heeft de mogelijkheid om PRI nauwkeurig toe te wijzen aan één component belangrijke toepassingen in ecologie12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. kweek van Arabidopsis-planten
- Dompel Arabidopsis thaliana zaden in gesteriliseerd gedeïoniseerde water in een micro tube en inincuberen gedurende 2 dagen bij 4 °c in het donker.
- Plaats ongeveer vier van de met koudbehandelde zaden op het bodemoppervlak met behulp van een micro pipet. Inbroed de beplante potten in een groei kamer met een licht van 16 uur (120 μmol fotonen m– 2 s– 1) en 8 uur donkere periode bij 22 °c en 20 °c, respectievelijk.
- Kweek één plant per pot door andere zaailingen na ontkieming te verdunnen. Bereid ten minste vijf potten. Incuberen de planten in de groei kamer nog 4 weken. Voor de experimenten worden drie planten gebruikt.
- Gebruik de jongste, volledig geopende volwassen blad voor fotosynthese metingen.
2. opstelling van de monster fase, fotosynthetische instrumenten en lichtbron
Opmerking: voor dit protocol werd een op maat gebouwde monster fase gebruikt voor het fixeren van bladeren en detectie voelers (Figuur 1).
- Bevestig een 10 cm2 stalen plaat met een gat van 1 cm diameter op de op maat gemaakte sample stage. De Gatgrootte in deze plaat kan worden gewijzigd om verschillende blad monsters of plantensoorten te herbergen. Het podium heeft een clip voor het bevestigen van de detectie sondes en een Adjuster om de afstand tussen de sondes en het blad monster aan te passen.
- Maak dunne glasvezel voelers voor het meten van chlorofylfluorescentie en blad reflectie. Deze dunne vezel sondes zullen nauwkeurig worden gepositioneerd, zodat ze signalen van dezelfde bladpositie meten.
Opmerking: een PAM-chlorofyl-fluor meter en een spectrale Radiometer zijn aangepast voor de signaaldetectie van respectievelijk chlorofyl en fluorescentie -en blad reflectantie. Beide instrumenten gebruiken dunne vezel sondes met een diameter van respectievelijk 1 mm en 2 mm. - Monteer deze twee sondes strak samen en wikkel ze met plastic tape.
- Knip de getatoeëerde sondes op de monster fase met behulp van een coaxiale lenshouder (Zie Figuur 1) en plaats ze verticaal op het bladoppervlak.
Opmerking: het gezichtsveld van de glasvezelkabel in de spectrale radiometer is α = 25 °. Bij deze methode is de afstand tussen de vezel sonde uiteinden en het bladoppervlak korter dan 1 cm. Daarom is de meet blad gebied bijna hetzelfde als die van de vezel. - Bevestig een biforked lichtgeleider gemaakt van glasvezels aan de halogeen lichtbron en bestraleren de monster fase vanuit beide richtingen bij een hoek van ongeveer 45 °.
Opmerking: een halogeen lamp, die dicht bij de golflengte verdeling van natuurlijk zonlicht ligt, wordt gebruikt als actinische licht voor het induceren van fotosynthese. De halogeen lichtbron werd aangepast met een ingebouwd koudefilter, dat lange golflengten uit de buurt van infrarood verwijdert, om stijgingen van de temperatuur van het bladoppervlak te voorkomen (λ = 400 tot 800 nm). - Pas de lichtbron zo aan dat het licht de monster fase gelijkmatig verlicht zonder schaduwen te werpen.
3. gelijktijdige metingen van blad reflectantie en chlorofylfluorescentie instellen
Opmerking: alle stappen worden uitgevoerd in de donkere kamer om de detectie van licht anders dan actinische licht te voorkomen. Een zwak groen lampje (bijvoorbeeld groen-cellophaned Light) moet vóór de eigenlijke metingen worden uitgeschakeld.
- Meten van de afstand tussen het blad monster en de sondes op de monster fase.
- Plaats een Testblad op de blad houder van de monster fase in het donker. Druk op het blad tegen een stalen plaat op het podium (zwart vierkant in Figuur 1).
- Zet de PAM aan en bestraleren het blad monster met een meet lampje. De waarden van de chlorofylfluorescentie intensiteiten worden bevestigd met behulp van PAM-besturingssoftware (Zie tabel met materialen).
- Verplaats de Adjuster zodanig dat de intensiteit van de fluorescentie ongeveer 100 meet. Meet de afstand tussen de sonde en het blad. Bevestig de Adjuster en noteer de waarde van de afstand op de Adjuster.
- Schakel het meet lampje uit. Verwijder het Testblad.
-
Meten van de stralings intensiteiten van het actinische licht
Opmerking: om licht afhankelijke fotosynthetische gedragingen te observeren, wordt Actinisch licht van variërende intensiteit gebruikt om het blad monster te bestreren.- Stel een licht kwantum meter in op de plaats waar het monster blad zou worden geplaatst.
- Het licht van de halogeen lichtbron uitstralen en de intensiteit meten.
- Bepaal welke posities van de lichtbron wijzer intensiteiten zouden genereren van 30, 60, 120, 240 en 480 μmol fotonen m– 2 s– 1.
Noot: Arabidopsis planten worden geteeld onder 120 μmol fotonen m– 2 s– 1; Daarom worden de stralings intensiteiten van het actinische licht geselecteerd om een reeks kleine en grote intensiteiten te bieden. - Markeer elke intensiteit van de straling op de wijzerplaat.
- Meet een reflectiestandaard.
Opmerking: een reflectiestandaard is vereist voor het berekenen van de blad reflectantie ratio bij elke intensiteit van de straling.- Plaats een witte plaat als reflectiestandaard op de positie van het blad monster.
- Schakel een spectrale Radiometer in. Het reflectantie signaal wordt weergegeven door de spectrale Radiometer Controlling-software. Op dit moment zijn er geen spectrale gegevens omdat er geen stralend licht is.
- Schakel de halogeen lamp in om te bestraleren met 480 μmol fotonen m– 2 s– 1, de hoogste intensiteit van de straling in deze test.
- Pas de detectie sterkte van de radiometer aan om verzadiging te voorkomen.
- Record spectrale reflectie tussen 450 – 850 nm bij 1 nm-intervallen onder verlichting met 30, 60, 120, 240 en 480 μmol fotonen m– 2 s– 1.
Opmerking: een elektrisch uitgangssignaal (Dark Current) wordt gecorrigeerd en bij elke spectrale meting afgetrokken.
4. gelijktijdige metingen van blad reflectantie en chlorofyl een fluorescentie, en berekening van fotosynthetische parameters
- Zet een plant op de blad sample positie.
- Breng de Arabidopsis-plant van de volwassen kamer over naar de gecontroleerde donkere kamer met dezelfde temperatuur en vochtigheid als die van de groei kamer.
- Inbroed de plant gedurende 1 uur in het donker bij 22 °C om elektronen uit het PSII-reactiecentrum te verdrijven en om te ontspannen van niet-fotochemische afschrikken.
- Plaats de donker aangepaste hele plant op een Lab-aansluiting onder de monster fase (Figuur 1).
- Bevestig het monster blad aan de blad houder zodat het bladoppervlak loodrecht op de detectie voelers staat.
- Meting van de maximale kwantum opbrengst van PSII.
- Schakel de PAM-lijn in en begin met het opnemen van de curve. Deze waarde wordt 0genoemd.
- Zet het meet lampje aan en wacht ongeveer 30 sec. om de curve te reageren. Deze waarde wordt F0genoemd.
- Geef een verzadigde puls van 4000 μmol fotonen m– 2 s– 1 voor 0,8 s van de pam.
- Verkrijg de hoogste waarde van de piek in de curve met verhoogde intensiteit van de fluorescentie. Deze waarde heet FM.
- Bereken de maximale kwantum opbrengst van PSII in het donker (fV/fM) met behulp van de volgende vergelijking.
FV/fm = (fm – f0)/ fm
- Meting van fotosynthetisch gedrag bij steady state.
- Schakel de halogeen lamp in als de externe lichtbron met het meet lampje na het opnemen van FM (zie 4.2.4). Eerst het blad monster bestreren met het zwakste licht (30 μmol fotonen m– 2 s– 1).
- Schakel de spectrale Radiometer tegelijkertijd in om de blad reflectie te bewaken.
- Wacht 20 min of meer totdat de fotosynthetische reactie steady state bereikt onder de lichtomstandigheden. De intensiteit van de fluorescentie van de steady-state heet FS.
- Een verzadigde puls met intervallen van 1 min tijdens de verlichting met de actinische licht. De maximale fluorescentie waarde die onder het gepulseerde licht wordt bereikt, wordt FM′ genoemd.
- Noteer de gegevens van FM′ op 20 min na het inschakelen van de actinische licht.
- Neem de gegevens van de blad reflectie op met gemiddeld 10 scans op een geoptimaliseerde integratie tijd, met een donkere stroom aftrek.
- Berekening van fotosynthetische parameters bij steady state.
- Bereken de kwantum opbrengsten van PSII fotochemie (Φpsii), die kan worden geschat door bestraling met verzadigde pulsen onder actinische licht, met behulp van de volgende vergelijking.
Φpsii = (fm′- fS)/ fm′ - Bereken de lineaire elektronen flux (LEF) van het PSII-reactiecentrum als volgt 4.
LEF = de intensiteit van de straling van het actinische licht × ΦPsii × 0,5 × 0,84 - Bereken de NPQ, die de thermische dissipatie kan worden uitgedrukt, met behulp van de volgende vergelijking.
npq = (fm - fm′)/ Fm′
Opmerking: lichte energie wordt voornamelijk verbruikt door fotosynthese reacties. Wanneer planten echter meer lichtenergie absorberen dan energie die wordt verbruikt door fotosynthese, worden de mechanismen voor de thermische dissipatie geïnduceerd om de overtollige energie te vermijden. - Bereken met behulp van de spectrale gegevens die met de radiometer zijn verkregen onder dezelfde lichtomstandigheden de blad reflectantie ratio als volgt.
Reflectantie ratio = R-blad /r-standaard - Bereken de PRI van 531 nm en 570 nm als volgt. Deze twee golflengten worden geëxtraheerd uit de reflectantie ratio.
PRI = (R531– r570)/(r531+ r570)
Opmerking: R is een reflectiefactor.
- Bereken de kwantum opbrengsten van PSII fotochemie (Φpsii), die kan worden geschat door bestraling met verzadigde pulsen onder actinische licht, met behulp van de volgende vergelijking.
- Meten van de ontspannings kinetiek van niet-fotochemische afschrikken.
- Schakel het actinische licht uit na het verkrijgen van FS en blad reflectie.
- Monitor chlorofylfluorescentie door PAM gedurende 10 minuten na het uitschakelen van het licht.
- Zorg voor een verzagende puls met intervallen van 1 minuut tijdens de donkere ontspanning. De maximale fluorescentie waarde geïnduceerd door de verzadiging puls onder het donker heet FM' ′. Verkrijg tien van FM′ ′ in één test.
- Sla de gegevens van het FM' ′ op 2 min en 10 min na het uitschakelen van de actinische licht.
- Zet het actinische licht op ingesteld op de volgende intensiteit van de straling, 60 μ mol fotonen m– 2 s– 1.
- Herhaal een lichte aanpassing gedurende 20 minuten en een donkere ontspanning gedurende 10 minuten met pulserend verzadigings licht met intervallen van 1 min. Noteer alle gegevens zoals hierboven beschreven. Herhaal alle stappen en metingen met behulp van bestraling op 120, 240 en 480 μ mol fotonen m– 2 s– 1.
- Berekening van de parameters van de niet-fotochemische afschrikken van de ontspannings kinetiek.
Opmerking: licht afhankelijke inductie van NPQ is ontspannen door de lichtbron13uit te schakelen. Het is mogelijk om elke NPQ-functie te fractioneren door de ontspannings tijdschalen aan te passen.- Schatting van de qE (energie afhankelijke quenching) fractie met behulp van FM′ ′ na 2 min donkere aanpassing.
qE = (fM2m′ ′ –fm′)/ fm′
NB: de qE-fractie wordt binnen 1 – 2 minuten snel omgekeerd. Deze fractie omvat voornamelijk psbs-protonatie en een deel van de Xantofyl-conversie, die afhankelijk zijn van licht geïnduceerde δph over het thylakoïde-membraan13. Beide zijn omkeerbaar bij het afbreken van het verloop. - Bereken de qZ (zeaxanthine afhankelijke quenching) fractie met behulp van FM′ ′ na 10-min donkere aanpassing.
QZ = (fM10m′ ′-fm′)/ Fm′
Opmerking: een relaxatie kinetiek van npq op ongeveer 10 min na actinische licht weerspiegelt een Xantofyl-cyclus14. De meeste van de Xantofyl-conversie wordt op langere tijdschalen van ongeveer 10 min (QZ) omgekeerd omdat de conversie een VDE (Violaxanthine de-epoxidase) enzymatische reactie vereist. De breuk wordt ook versoepeld door afbraak van de ΔpH over het thylakoïde membraan. - Bereken de qI (fotoremmende toestand) als volgt.
qI = (fm–fM10m′ ′)/ Fm′
Opmerking: de traagste herstel onder NPQ fracties wordt beschouwd als foto schade van PSII (wat aangeeft D1 omzet). Deze fractie van de fotoremmende toestand (qI), die niet herstelt met 10 min15.
- Schatting van de qE (energie afhankelijke quenching) fractie met behulp van FM′ ′ na 2 min donkere aanpassing.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1 presenteert een schematisch diagram van de experimentele opstelling voor gelijktijdig meten van chlorofylfluorescentie en blad reflectie. De vezel sondes van de PAM-en spectrale Radiometer werden loodrecht op het bladoppervlak op de blad houder op de op maat gemaakte monster fase geplaatst en een halogeen lamp werd gebruikt voor actinische licht bestraling vanuit zowel de linker-als de rechter richting zonder Schaduwen. De PAM-en blad reflectantie signalen werden gedetecteerd met behulp van de software van de afzonderlijke systemen. Dit experimentele systeem werd gebruikt om Arabidopsis wild-type (Col) en npq1 Mutant (lack zeaxanthine)-planten te vergelijken (Figuur 2). De ΔPRI berekend op basis van de blad reflectie werd uitgezet tegen licht afhankelijke lineaire elektronen stroom van PSII geschat door de PAM (Figuur 2a). PRI wordt gemeld dat het niet alleen wordt beïnvloed door Xantofyl, maar ook door carotenoïden16. De PRI werd gecorrigeerd door PRI te zijn bij elke lichtintensiteit minus PRI bij de laagste lichtintensiteit (ΔPRI) om alleen licht afhankelijke PRI-veranderingen te observeren11. De resultaten toonden aan dat ΔPRI negatief gecorreleerd was met LEF in wild-type planten, maar niet in npq1. We ontleed ook QZ, dat de Xantofyl-cyclus vertegenwoordigt, van de donkere ontspannings kinetiek van npq en uitgezet als δpri in Figuur 2b. De resultaten tonen aan dat QZ sterk gecorreleerd is met δpri (r2 =-0,87, p-waarde < 0,001), wat impliceert dat pri de Xantofyl-cyclus weerspiegelt.
Figuur 1: Schematisch diagram van het experimentele systeem voor gelijktijdige meting van chlorofyl een fluorescentie en blad reflectie. Details worden beschreven in de sectie Protocol. Een plantenpot werd gepositioneerd door een Lab-Jack (effen dubbele pijl). Een halogeen lamp werd gebruikt om verschillende licht intensiteiten te bestreren om fotosynthese (dunne effen pijl) te activeren. Chlorofyl een fluorescentie signalen werden gedetecteerd met behulp van een systeem van Pulse amplitudemodulatie (PAM); de rode lijn geeft de vezel sonde van de PAM-chlorofyl-fluor meter aan. De blad reflectie werd gedetecteerd door een spectrale Radiometer onder de licht verlichting; de blauwe lijn geeft de vezel sonde van de spectrale radiometer aan. Het meet licht (gestippelde pijl) en het kort verzadigde licht (dikke effen pijl) werden ook door de fluor-chlorofyl-fluorometer geleverd. De verzadigde lichten werden gepulseerd met 1 min intervallen tijdens lichte aanpassing voor 20 minuten en donkere ontspanning voor 10 min. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: veranderingen in fotosynthetische parameters in wild-type Columbia (zwarte vierkantjes), en npq1 Mutant (rode pleinen) Arabidopsis planten. ΔPRI (PRI bij elke stralingsintensiteit minus PRI bij de laagste intensiteit van 30 μmol fotonen m-2 s-1) werd uitgezet tegen (A) de snelheid van lineaire elektronen flux (lef) en (B) QZ na donkere ontspanning gedurende 10 minuten. De intensiteit van de straling van het actinische licht was 30, 60, 120, 240 en 480 μmol fotonen m-2 s-1. Gegevenspunten en foutbalken vertegenwoordigen gemiddelden ± SD voor n= 3. De regel in B is een regressie curve die voor alle gegevenspunten geldt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In deze studie kregen we aanvullend bewijs om aan te tonen dat pri Xantofyl-pigmenten vertegenwoordigt door gelijktijdig chlorofylfluorescentie en blad reflectie te meten.
Een halogeen lamp met golflengten die vergelijkbaar is met zonlicht, werd aangepast voor gebruik als een actinische lichtbron om de fotosynthese te activeren. We gebruikten in eerste instantie een witte LED-lichtbron om thermische beschadiging van het bladoppervlak te voorkomen, maar dit produceerde langzame donkere ontspannings kinetiek en uitzonderlijk hoge qI (fotoremmende afschrikken), mogelijk door fotoschadelijke PSII. Daarom hebben we de halogeen lamp aangepast met een ingebouwd koudefilter om de warmteproductie te verminderen. Deze lichtbron veroorzaakt geen afwijkingen in Dark Recovery of qI.
De belangrijkste variabele in onze methode is de positionele relatie tussen het blad, de lichtbron en de detectie voelers. We hebben het meten van de chlorofylfluorescentie en blad reflectie van verschillende diagonale hoeken getest met licht dat van direct boven naar het blad wordt bestraald. De intensiteit van de detectie signalen verschilt echter afhankelijk van de hoek. Om deze variabiliteit te vermijden, werden de sondes verticaal boven het blad monster gefixeerd (Figuur 1). De lichtbron werd geleverd met behulp van bifurerde vezels die het bladoppervlak van zowel de linker-als de rechterkant bestraald hebben om een gelijkmatig stralings licht te genereren (Figuur 1).
Studies naar blad reflectie zijn voornamelijk gebruikt in de ecologie om verschillende planten vegetatie indices in Veldinstellingen te bepalen, zoals verschillen tussen plantensoorten, voedingsomstandigheden of seizoensveranderingen. Echter, weinig studies hebben getest en geverifieerd deze vegetatie indices in model planten zoals Arabidopsis en tabak, waarvan mutanten kunnen bezitten een schat aan genetische informatie en omics analyseert gegevens. Het verifiëren en ontwikkelen van vegetatie indices voor deze planten zou nieuwe fotosynthetische parameters kunnen identificeren die worden vertegenwoordigd in innovatieve vegetatie indices, wat zou bijdragen aan de discipline van ecologie.
Deze studie richtte zich op de donkere ontspannings kinetiek van NPQ om het xanthofyl-cyclus gedrag te controleren. Nieuwe fotosynthese-gerelateerde parameters zijn momenteel in ontwikkeling voor chlorofylfluorescentie analyse (bijv. schattingen van de redox toestand van de plastochinon pool (qL) of de activiteit van cyclische elektron stroom rond psi17,18 ). De gelijktijdige meting van chlorofylfluorescentie en blad reflectie in verwante Arabidopsis mutanten zal onderzoek naar de moleculaire mechanismen van fotosynthese stimuleren en helpen om deze kennis in veldstudies te benutten. Een recente studie meldde dat chlorofylfluorescentie in planten op afstand kan worden gevoeld van blad spectrale reflectie. De parameter roept op zonne-geïnduceerde chlorofylfluorescentie (sif) wordt gemeten met behulp van een Fraunhofer-lijn, donkere lijnen geabsorbeerd door zuurstof, onder Solar Light 12,19. Als de momenteel ontwikkelde vegetatie indices werden toegewezen met behulp van deze technieken, zou het mogelijk zijn om fotosynthetische reacties in planten op afstand te beoordelen zonder gebruik te maken van speciale behandelingen zoals verzadigde pulsen of donkere aanpassingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteur heeft niets te onthullen.
Acknowledgments
We zijn Dr. Kouki Hikosaka (Tohoku University) dankbaar voor het stimuleren van discussies, hulp bij een werkruimte en instrumenten voor experimenten. Het werk werd deels ondersteund door KAKENHI [Grant Numbers 18K05592, 18J40098] en Naito Foundation.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Halogen light source | OptoSigma | SHLA-150 | |
| Light quantum meter | LI-COR | LI-1000 | |
| PAM chlorophyll fluorometer | Walz | JUNIOR-PAM | |
| PAM controliing software | Walz | WinControl-3.27 | |
| Reflectance standard | Labsphere, Inc. | SRT-99-050 | |
| Spectral radiometer | ADS Inc. | Field Spec3 | |
| Spectral radiometer controlling software | ADS Inc. | RS3 |
References
- 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. Reflectance spectroscopy: a novel approach to better understand and monitor the impact of air pollution on Mediterranean plants. Environmental Science and Pollution Research. 25 (9), 8249-8267 (2018).
- Han, L., Yang, G., Yang, H., Xu, B., Li, Z., Yang, X. Clustering Field-Based Maize Phenotyping of Plant-Height Growth and Canopy Spectral Dynamics Using a UAV Remote-Sensing Approach. Frontiers in Plant Science. 9, 1638 (2018).
- Baker, N. R. Chlorophyll Fluorescence: A Probe of Photosynthesis In. Vivo. Annual Review of Plant Biology. 59 (1), 89-113 (2008).
- Cruz, J. A., et al. Dynamic Environmental Photosynthetic Imaging Reveals Emergent Phenotypes. Cell Systems. 2 (6), 365-377 (2016).
- Ruban, A. V. Quantifying the efficiency of photoprotection. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 372 (1730), 20160393 (2017).
- Gamon, J. A., et al. Remote sensing of the xanthophyll cycle and chlorophyll fluorescence in sunflower leaves and canopies. Oecologia. 85 (1), 1-7 (1990).
- Gamon, J. A., Peñuelas, J., Field, C. B. A narrow-waveband spectral index that tracks diurnal changes in photosynthetic efficiency. Remote Sensing of Environment. 41 (1), 35-44 (1992).
- Rahimzadeh-Bajgiran, P., Munehiro, M., Omasa, K. Relationships between the photochemical reflectance index (PRI) and chlorophyll fluorescence parameters and plant pigment indices at different leaf growth stages. Photosynthesis Research. 113 (1-3), 261-271 (2012).
- Niyogi, K. K., Grossman, A. R., Björkman, O. Arabidopsis mutants define a central role for the xanthophyll cycle in the regulation of photosynthetic energy conversion. Plant Cell. 10 (7), 1121-1134 (1998).
- Kohzuma, K., Hikosaka, K. Physiological validation of photochemical reflectance index (PRI) as a photosynthetic parameter using Arabidopsis thaliana mutants. Biochemical and Biophysical Research Communications. 498, 52-57 (2018).
- Hikosaka, K., Noda, H. M. Modeling leaf CO2 assimilation and Photosystem II photochemistry from chlorophyll fluorescence and the photochemical reflectance index. Plant, Cell and Environment. 42 (2), 730-739 (2019).
- Brooks, M. D., Sylak-Glassman, E. J., Fleming, G. R., Niyogi, K. K. A thioredoxin-like/β-propeller protein maintains the efficiency of light harvesting in Arabidopsis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (29), E2733-E2740 (2013).
- Nilkens, M., et al. Identification of a slowly inducible zeaxanthin-dependent component of non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence generated under steady-state conditions in Arabidopsis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 1797 (4), 466-475 (2010).
- Davis, G. A., et al. Limitations to photosynthesis by proton motive force-induced photosystem II photodamage. Elife. 5, 16921 (2016).
- Wong, C. Y. S., Gamon, J. A. The photochemical reflectance index provides an optical indicator of spring photosynthetic activation in evergreen conifers. New Phytologist. 206 (1), 196-208 (2015).
- Miyake, C., Amako, K., Shiraishi, N., Sugimoto, T. Acclimation of Tobacco Leaves to High Light Intensity Drives the Plastoquinone Oxidation System—Relationship Among the Fraction of Open PSII Centers, Non-Photochemical Quenching of Chl Fluorescence and the Maximum Quantum Yield of PSII in the Dark. Plant and Cell Physiology. 50 (4), 730-743 (2009).
- Munekage, Y., et al. Cyclic electron flow around photosystem I is essential for photosynthesis. Nature. 429 (6991), 579-582 (2004).
- Tubuxin, B., Rahimzadeh-Bajgiran, P., Ginnan, Y., Hosoi, F., Omasa, K. Estimating chlorophyll content and photochemical yield of photosystem II (ΦPSII) using solar-induced chlorophyll fluorescence measurements at different growing stages of attached leaves. Journal of Experimental Botany. 66 (18), 5595-5603 (2015).
