Auswertung photosynthetischer Verhaltensweisen durch gleichzeitige Messungen von Blattreflexion simultanen und Chlorophyllfluoreszenzanalysen
Summary
Wir beschreiben einen neuen technischen Ansatz zur Untersuchung photosynthetischer Reaktionen in höheren Pflanzen mit gleichzeitigen Messungen von Chlorophyll, Fluoreszenz und Blattreflexion mit einem PAM und einem Spektralradiometer zur Detektion von Signalen aus dem gleichen Blattbereichs in Arabidopsis.
Abstract
Chlorophyll eine Fluoreszenzanalyse ist weit verbreitet, um photosynthetische Verhaltensweisen in intakten Pflanzen zu messen, und hat in der Entwicklung vieler Parameter geführt, die Photosynthese effizient messen. Die Blattreflexionsanalyse liefert mehrere Vegetationsindizes in Ökologie und Landwirtschaft, einschließlich des photochemischen Reflexionsindex (PRI), der als Indikator für die thermische Energieableitung während der Photosynthese verwendet werden kann, da er mit nicht-photochemische Abschreckung (NPQ). Da NPQ jedoch ein zusammengesetzter Parameter ist, ist seine Validierung erforderlich, um die Art des PRI-Parameters zu verstehen. Um physiologische Beweise für die Bewertung des PRI-Parameters zu erhalten, haben wir gleichzeitig Chlorophyllfluoreszenz und Blattreflexion in Xanthophyll-Zyklus defekte Mutant (npq1) und Wild-Typ Arabidopsis Pflanzen gemessen. Zusätzlich wurde der qZ-Parameter, der wahrscheinlich den Xanthophyll-Zyklus widerspiegelt, aus den Ergebnissen der Chlorophyllfluoreszenzanalyse extrahiert, indem die Entspannungskinetik von NPQ nach dem Ausschalten des Lichts überwacht wurde. Diese simultanen Messungen wurden mit einem Puls-Amplituden-Modulations-Chlorophyll-Fluorometer (PAM) und einem Spektralradiometer durchgeführt. Die Fasersonden beider Instrumente wurden nahe beieinander positioniert, um Signale aus der gleichen Blattposition zu erkennen. Zur Aktivierung der Photosynthese wurde eine externe Lichtquelle verwendet, und die Messlichter und das gesättigte Licht wurden vom PAM-Instrument bereitgestellt. Dieses experimentelle System ermöglichte es uns, lichtabhängige PRI in der intakten Pflanze zu überwachen und zeigte, dass lichtabhängige Veränderungen in PRI sich signifikant zwischen dem Wildtyp und dem npq1-Mutanten unterscheiden. Darüber hinaus war PRI stark mit qZ korreliert, was bedeutet, dass qZ den Xanthophyll-Zyklus widerspiegelt. Zusammen zeigten diese Messungen, dass die gleichzeitige Messung der Blattreflexion und Der Chlorophyllfluoreszenz ein gültiger Ansatz für die Parameterauswertung ist.
Introduction
Blattreflexion wird verwendet, um Vegetationsindizes aus der Ferne zu erkennen, die Photosynthese oder Merkmale inPflanzen1,2widerspiegeln. Der normalisierte Differenzvegetationsindex (NDVI), der auf Infrarot-Reflexionssignalen basiert, ist einer der bekanntesten Vegetationsindizes für den Nachweis von Chlorophyll-bezogenen Eigenschaften und wird in der Ökologie und Agrarwissenschaften als Indikator für Umweltreaktionen in Bäumen oder Kulturen3. Obwohl in Feldstudien viele Parameter (z. B. Chlorophyllindex (CI), Wasserindex (WI) usw.) entwickelt und verwendet wurden, wurden nur wenige detaillierte Überprüfungen dessen, was diese Parameter direkt (oder indirekt) erkennen, mit Mutanten durchgeführt.
Die Puls-Amplituden-Modulation (PAM)-Analyse der Chlorophyllfluoreszenz ist eine effektive Methode zur Messung photosynthetischer Reaktionen und Prozesse im Photosystem II (PSII)4. Chlorophyllfluoreszenz kann mit einer Kamera nachgewiesen und zum Screening von Photosynthesemutanten5verwendet werden. Die Erkennung von Chlorophyllfluoreszenz durch Kameras erfordert jedoch komplexe Protokolle wie dunkle Behandlung oder Lichtsättigungsimpulse, die in Feldstudien nur schwer umzusetzen sind.
Blatt absorbierte Sonnenlichtenergie wird hauptsächlich durch photosynthetische Reaktionen verbraucht. Im Gegensatz dazu kann die Absorption überschüssiger Lichtenergie reaktive Sauerstoffspezies erzeugen, was photosynthetische Moleküle schädigt. Die überschüssige Lichtenergie muss als Wärme durch nicht-photochemische Löschmechanismen (NPQ) abgeführt werden6. Der photochemische Reflexionsindex (PRI), der lichtabhängige Veränderungen der Blattreflexionsparameter reflektiert, wird aus der Schmalbandreflexion bei 531 und 570 nm (Referenzwellenlänge)7,8abgeleitet. Es wird berichtet, dass es mit NPQ in der Chlorophyllfluoreszenzanalyse korrelieren9. Da NPQ jedoch ein zusammengesetzter Parameter ist, der den Xanthophyll-Zyklus, die Zustandstradition und die Photoinhibition umfasst, ist eine detaillierte Validierung erforderlich, um zu verstehen, was der PRI-Parameter misst. Wir haben uns auf den Xanthophyll-Zyklus konzentriert, ein thermisches Ableitungssystem mit der De-Epoxidation von Xanthophyllpigmenten (Violaxanthin zu Antheraxanthin und Zeaxanthin) und einem Hauptbestandteil von NPQ, da Korrelationen zwischen PRI und Pigmente wurden in früherenStudien8 berichtet.
Viele photosynthesebedingte Mutanten wurden isoliert und in Arabidopsis identifiziert. Der npq1 Mutant sammelt kein Zeaxanthin an, da er eine Mutation in Violaxanthin de-Epoxidase (VDE) trägt, die die Umwandlung von Violaxanthin in Zeaxanthin10katalysiert. Um festzustellen, ob PRI nur Veränderungen in Xanthophyllpigmenten erkennt, haben wir gleichzeitig PRI- und Chlorophyllfluoreszenz im gleichen Blattbereich in npq1 und dem Wildtyp gemessen und dann NPQ zu unterschiedlichen Zeitskalen dunkler Entspannung seziert, um xanthophyll-bezogene Komponente11. Diese simultanen Messungen bieten eine wertvolle Technik für die Zuordnung von Vegetationsindizes. Da PRI mit der Bruttoprimärproduktivität (GPP) korreliert, hat die Möglichkeit, PRI genau einer Komponente zuzuweisen, wichtige Anwendungen in der Ökologie12.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Studie haben wir zusätzliche Beweise dafür erhalten, dass PRI Xanthophyllpigmente darstellt, indem gleichzeitig Chlorophyllfluoreszenz und Blattreflexion gemessen werden.
Ein Halogenlicht, das Wellenlängen hat, die dem Sonnenlicht ähneln, wurde für den Einsatz als aktinische Lichtquelle zur Aktivierung der Photosynthese angepasst. Wir verwendeten zunächst eine weiße LED-Lichtquelle, um thermische Schäden an der Blattoberfläche zu vermeiden, aber dies führte zu einer langsam…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Dr. Kouki Hikosaka (Tohoku Universität) für die anregenden Diskussionen, die Unterstützung bei einem Arbeitsraum und Instrumente für Experimente. Die Arbeit wurde teilweise von KAKENHI [Grant Numbers 18K05592, 18J40098] und Der Naito Foundation unterstützt.
Materials
| 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 |
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