FluorCam葉綠素熒光成像技術應用于突變體研究

葉綠素熒光是植物光合生理檢測的重要探針，基于葉綠素熒光測量的FluorCam葉綠素熒光成像技術經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在植物與藻類研究中應用廣泛，已然成為光合生理、育種、環(huán)境控制研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多研究方向*的有效工具。本次摘選4篇易科泰FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)在不同植物基因突變體研究方面的文獻分享。（參考文獻附在文末）

1.乙烯不敏感突變提高了擬南芥植物對NO2的耐受性

通過分析乙烯不敏感突變體ein2-1和野生型WT的生理生化表現(xiàn)，探討植物乙烯敏感性與NO2耐受性之間的關系及其機制。該研究中，對培養(yǎng)的ein2-1和WT擬南芥進行8h NO2熏蒸處理，然后對植物進行基因表達、生理生化指標等分析。其中，利用FluorCam對光合生理指標進行了檢測，分析突變體和野生型對NO2的光合性能響應的差異。數(shù)據(jù)表明，與ein2-1相比，NO2暴露對WT的光合作用損害更嚴重。

2.HK5和HK6細胞分裂素受體介導水稻的多種發(fā)育途徑

細胞分裂素參與調(diào)節(jié)幾乎所有的植物生長發(fā)育過程，通過改造細胞分裂素受體相關基因，提高作物物種產(chǎn)量和品質(zhì)，是一種具有前景的改善作物的方法。對由CRISPR/Cas9基因編輯獲得的細胞分裂素組氨酸激酶基因（HK）突變體（hk5、hk6、hk5 hk6）進行葉綠素熒光、根系、細胞、農(nóng)藝性狀、基因表達等分析，研究其對細胞分裂素反應。

其中通過FluorCam葉綠素熒光成像獲得的RFd（熒光衰減率）結果表明，細胞分裂素的應用顯著阻斷了野生型(WT)葉片轉移到黑暗中培養(yǎng)3天后所觀察到的RFd的減少。hk5和hk6單突變體對細胞分裂素的響應不明顯。在沒有外源細胞分裂素的情況下，與WT相比，雙突變體hk5hk63天后RFd顯著下降，對外源細胞分裂素的反應也顯著減弱。

3.脫落酸、ABI5和PPC2參與了植物對低CO2的適應

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)在C4植物的光合二氧化碳固定過程中起著關鍵作用。然而，PEPCs在C3植物中的功能特征并不明確，特別是在與低大氣二氧化碳水平相關方面。在擬南芥中編碼PEPC的4個基因中，PPC2被認為是葉片的主要PEPC基因。

將通過轉基因獲得的ppc突變體，進行低CO2處理，并進行生理生化、基因表達等指標分析，以篩選關鍵基因，及研究其主要功能。其中FluorCam葉綠素熒光成像對前期篩選出ppc2突變體與野生型對照WT分析，結果表明，在環(huán)境CO2濃度下，ppc2與WT的Fv/Fm無明顯差異。而在低CO2條件下ppc2突變體生長停滯，同時Fv/Fm顯著降低。

本文其他實驗證明，添加外援ABA提高了低CO2下植物的性能。ABI3、ABI4、ABI5基因是ABA對種子萌發(fā)及萌發(fā)后的調(diào)控作用的必需的轉錄因子，為了證明其在低CO2條件下的功能，對abi5突變體和Ws進行處理對比。結果表明，abi5突變導致了低CO2條件下幼苗的光合效率的降低。

本文還研究了干旱處理下，ppc2的光合生理變化，規(guī)律與低CO2處理表現(xiàn)一致。

4.CIPK23基因可緩解擬南芥中由高NH₄+/K+比率引起的毒性

      NH₄+對植物葉片的毒性主要是由NH₄+與K+的高比例(NH₄+/K+≥10：1)引起的，而不是由離子的絕對濃度。文章中為了證實CIPK23基因在減輕NH₄+毒性所起的作用，通過葉綠素熒光成像測量等手段，對不同NH₄+/K+比值濃度條件下，CIPK23突變體與野生型Col-0生理響應差異。在低NH₄+/K+比值條件下，兩種植物材料之間的葉綠素熒光參數(shù)沒有顯著差異。在高NH₄+/K+比值條件下，Col-0的NPQ和Rfd值顯著高于cipk23突變體。NPQ是光照條件下PSII系統(tǒng)過度光和散熱的指標，Rfd可以反映植物對脅迫的耐受性。測定結果表明，CIPK23可以通過避免光誘導的損傷來提高植物對高nh4+/K+比值的耐受性。

參考文獻：

[1] Chuan Liua, Lin-Lin Lib, Guang-Zhe Li , et al. Ethylene insensitive mutation improves Arabidopsis plant tolerance to NO 2 exposure[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 189.

[2] Burr C A, Sun J, Yamburenko M V , et al. The HK5 and HK6 cytokinin receptors mediate diverse developmental pathways in rice[J]. Development, 2020, 147(20):dev191734.

[3] Lei Y, Jumei Z, Long L , et al. Involvement of abscisic acid, ABI5, and PPC2 in plant acclimation to low CO2[J]. Journal of Experimental Botany(14):14.

[4] Shi S, Xu F, Ge Y , et al. NH4+ Toxicity, Which Is Mainly Determined by the High NH4+/K+ Ratio, Is Alleviated by CIPK23 in Arabidopsis[J]. Plants, 2020, 9(4):501.