模塊式植物表型分析技術(shù)方案——擬南芥UV脅迫的響應(yīng)機(jī)制

植物面對(duì)各種生物和非生物脅迫時(shí)，會(huì)調(diào)整它們的響應(yīng)機(jī)制來(lái)優(yōu)化發(fā)育和適應(yīng)程序。UV輻射作為一種環(huán)境因子，會(huì)影響植物的光合過(guò)程并觸發(fā)細(xì)胞死亡。華沙生命科學(xué)大學(xué)的Anna Rusaczonek評(píng)估了紅/遠(yuǎn)紅光感受器光敏色素A和光敏色素B在擬南芥UV脅迫響應(yīng)中的作用。通過(guò)測(cè)量相關(guān)突變株的CO₂同化、葉綠素?zé)晒猓ò晒獯銣鐒?dòng)力學(xué)曲線和OJIP快速熒光動(dòng)力學(xué)曲線）、活性氧積累等，他發(fā)現(xiàn)UV脅迫干擾了光系統(tǒng)II，并增加了相關(guān)突變體的死亡率。

圖1. UV處理的擬南芥野生型及突變株

CO₂同化速率反映了光合作用整個(gè)過(guò)程的終結(jié)果，而葉綠素?zé)晒鈩t直接反映光合作用光反應(yīng)部分的光系統(tǒng)電子傳遞過(guò)程變化。因此非常理想的情況是能夠同步測(cè)量這兩類數(shù)據(jù)。本研究中就使用了光合儀和光合聯(lián)用型FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駜x，同步測(cè)量了光合作用光響應(yīng)曲線和CO₂相應(yīng)曲線。

圖2. 左：光響應(yīng)曲線；右：CO₂相應(yīng)曲線

為了進(jìn)一步驗(yàn)證光系統(tǒng)II受損的機(jī)理過(guò)程，除了葉綠素?zé)晒獯銣鐓?shù)以外，本研究還使用封閉式FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測(cè)量了OJIP快速熒光動(dòng)力學(xué)曲線。封閉式FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)是目前上*份可以進(jìn)行葉片OJIP成像測(cè)量的商用儀器。在不需要成像圖的情況下，也可以使用FluorPen葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)量OJIP曲線及相應(yīng)參數(shù)。

圖3. OJIP快速熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)

在測(cè)量SOD過(guò)氧化物歧化酶時(shí)，需要對(duì)樣品進(jìn)行暗處理和光處理進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。SL3500 智能LED光源以其高光強(qiáng)、高純度、調(diào)控，成為了這一實(shí)驗(yàn)的*。如果使用培養(yǎng)配備SL3500光源的FytoScope植物生長(zhǎng)箱同步調(diào)控光照和溫度，數(shù)據(jù)精度還能進(jìn)一步提高。

圖4. 不同型號(hào)、光質(zhì)的SL3500 智能LED光源

    同時(shí)為了確定在微觀尺度，單個(gè)葉綠體的變化，還需要進(jìn)行顯微葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量。很遺憾的是，因?yàn)樽髡叩臈l件所限，只能使用普通的熒光顯微鏡。而普通的熒光顯微鏡因?yàn)椴痪邆涿}沖調(diào)制功能，因此只能測(cè)量一個(gè)實(shí)時(shí)的平均熒光強(qiáng)度，根本無(wú)法進(jìn)行真正的葉綠素?zé)晒獯銣鐪y(cè)量。FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)是目前上*份可進(jìn)行亞細(xì)胞級(jí)PAM脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量的儀器，是研究植物/藻類細(xì)胞、葉綠體微觀光合能力*的。無(wú)論是成像質(zhì)量還是測(cè)量真正有意義的光合表型參數(shù)，F(xiàn)KM系統(tǒng)都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通熒光顯微鏡。

圖5. 本研究中使用普通熒光顯微鏡獲得的葉綠素?zé)晒獬上駡D及平均熒光強(qiáng)度

圖6. Nature Plants發(fā)表文章：使用FKM系統(tǒng)測(cè)量秋海棠特異葉綠體熒光成像圖及Fv/Fm大光化學(xué)效率（Jacobs，2016）

模塊式植物表型分析技術(shù)方案推薦：

• 基礎(chǔ)方案：LCi T便攜式光合儀+光合聯(lián)用型FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駜x+FP110手持式葉綠素?zé)晒鈨x+SL3500 智能LED光源
• 進(jìn)階方案：LCPro T 全自動(dòng)便攜式光合儀+光合聯(lián)用型FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駜x+封閉式FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)（配備OJIP成像功能）+FytoScope植物生長(zhǎng)箱
• 方案：LCPro T 全自動(dòng)便攜式光合儀+光合聯(lián)用型FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駜x+封閉式FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)（配備OJIP成像功能）+FytoScope植物生長(zhǎng)箱+FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：

• Rusaczonek A, et al. 2015. Role of phytochromes A and B in the regulation of cell death and acclimatory responses to UV stress in Arabidopsis thaliana. Journal of Experimental Botany DOI: 10.1093/jxb/erv375
• Jacobs M, et al. 2016. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency. Nature Plants, doi:10.1038/nplants.2016.162