葉綠素熒光成像技術揭示植物促生菌提升番茄熱波耐受新路徑

     今年三伏雖已結束，但全國多地仍將持續(xù)35℃甚至38℃以上高溫天氣，農(nóng)作物熱脅迫風險仍較高。全球變暖、氣候惡化引發(fā)頻繁熱浪，番茄等高溫敏感型作物在這樣的氣候背景下，面臨光合效率下降、減產(chǎn)等挑戰(zhàn)，通過育種、栽培等手段提升作物蔬果的熱耐受性至關重要。
     針對這一農(nóng)業(yè)痛點，里斯本大學研究團隊在《Plant Stress》發(fā)表突破性成果：通過不同方法給番茄施用植物促生菌（PGPB），結合易科泰葉綠素熒光成像系統(tǒng)對OJIP快速熒光動力學曲線、光化學參數(shù)等進行分析、建模，精準量化，研究PGPB及不同施用方法對提升番茄熱波脅迫（heat wave stress）耐受性的效果。
     植物促生菌(PGPB)通過提高養(yǎng)分利用效率或增強脅迫耐受性來提升作物產(chǎn)量。針對特定非生物或生物脅迫而設計的合成細菌群落（SynCom）應用是前景的工具——其中不僅微生物群落的設計是應用成功的關鍵因素，SynCom施用技術的選擇也能增強其效用。

     左圖為本文中使用的大型版FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)（示意圖），右側為選區(qū)分析后的實時Fs熒光成像結果。系統(tǒng)具備葉綠素熒光成像功能，還可選配多光譜熒光成像，OJIP快速熒光動力學成像，UV-MCF紫外激發(fā)多光譜熒光成像等功能。成像面積35×35cm，滿足大型植物活體成像。
試驗方法：
     研究中，首先利用鹽沼植物根際分離的4種菌，混合成PGPB Syncom，之后通過灌溉法（W）、種子接種法（SI）、藻酸鹽微球包埋法（AS）、葉面噴施法（LS）4種方法分別施用到兩組番茄植株上，對照組為未噴施組（NI）。之后對番茄進行熱波暴露處理2天，其中25/21℃（day/night）作為對照組（C），42/38℃（day/night）為熱波處理（HW），處理完后在25/21℃（day/night）恢復14天為R組。

表型分析：

• 形態(tài)學指標：株高、活分支數(shù)、葉面積，其中葉面積由FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)分析獲得。熱波處理時，藻酸鹽微球包埋法處理的番茄，株高和分枝數(shù)維持最佳（接近對照組），葉面噴施組葉面積顯著增加。恢復期，灌溉法和藻酸鹽微球組株高恢復。

• 光合響應：葉綠素熒光成像——OJIP快速熒光動力學分析

1. 葉綠素熒光參數(shù)反映番茄光合狀態(tài)差異

• 熱波脅迫期：未噴施組（NI）的Fv/Fm顯著下降（PSII損傷），能量耗散（DI/RC）升高。PGPB噴施組，F(xiàn)v/Fm維持相對較高，推測PBPG施用提升番茄反應中心密度（RC/ABS） 和降低能量耗散而緩解損傷。其中藻酸鹽微球組（AS）和葉面噴施組（LS）維持較高的Fv/Fm（>0.7），電子傳遞鏈（ET/RC）損傷最小，說明其對番茄熱波耐受性的改善最為顯著。

• 恢復期：藻酸鹽微球組（AS）和灌溉組（W）的Fv/Fm、ET/RC恢復至接近脅迫前水平。種子接種組（SI）熒光參數(shù)值與未接種組相似，恢復能力最弱。

2. OJIP快速熒光動力學曲線
     OJIP曲線顯示，對照組（淺綠色）所有植株無論采用何種PGPB施用技術，其考茨基曲線在形態(tài)和熒光強度方面均表現(xiàn)相似。當熱波處理（紅色）后，未接種植株的熒光強度在整個曲線范圍內(nèi)急劇下降，同時喪失了曲線的拐點特征，在恢復期，熒光值增強，OJIP曲線拐點恢復恢復。在恢復期，LS、W、AS三種PGPB施用方式處理的番茄熒光增強最為明顯。

• 統(tǒng)計模型驗證——PLS-DA

     利用獲得的熒光數(shù)據(jù)采用PLS-DA法建模分析，能以精度展示溫度、施用方法的特異性熒光特征，準確區(qū)分不同的PGPB施用方法對植物光化學產(chǎn)生的差異化影響，為未來采用該接種技術進行表型評估提供了工具。結果表明，盡管PLS-DA雙標圖中存在較大離散度，但采用藻酸鹽球體施用（AS）的植株在模型訓練相位展現(xiàn)出非常特異性的熒光特征（組別準確率達100%），展現(xiàn)出持續(xù)促進植物生長和應激反應的高效性及可擴展性。

• 機制分析

     PGPB SynCom通過產(chǎn)生ACC脫氨酶，降低乙烯積累，減少PSII供體側損傷，從而促進植株生長并提升光合效率。研究還發(fā)現(xiàn)脅迫緩解后能量耗散減少，表明PGPB SynCom應用形成了高效的熱耗散機制。

• 應用價值

     葉綠素熒光成像手段不僅量化了PGPB對光系統(tǒng)的保護效應，還可作為PGPB接種效果的高通量表型工具，通過統(tǒng)計模型為施用技術優(yōu)化提供了可量化的表型標記。從施用技術角度，在提升番茄熱波耐受性的效用方面，藻酸鹽微球包埋法 > 葉面噴施法 ≈ 灌溉法 > 種子接種法，而藻酸鹽微球法需接種劑量少、菌體存活率高，更適合規(guī)模化農(nóng)業(yè)應用。

易科泰生態(tài)技術——葉綠素熒光技術專家
     易科泰致力于為科研和應用領域提供先進的葉綠素熒光技術解決方案，擁有FluorCam葉綠素熒光成像技術、PlantScreen表型成像技術；以及FluorTron®動態(tài)葉綠素熒光成像技術、FluorTron®葉綠素熒光光譜成像技術、FluorTron®多功能高光譜成像技術、PhenoTron表型平臺等系列產(chǎn)品。