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FKM叶绿素荧光显微成像技术研究C4植物叶片花环结构的光合特性

FKM叶绿素荧光显微成像技术研究C4植物叶片花环结构的光合特性

叶肉细胞和维管束鞘细胞组成的“花环”结构,是C4植物的重要特征。C4植物的叶肉和维管束鞘细胞除了在结构上表现出这种特殊的“花环”,更重要的是形成其区别于C3植物的特殊光合途径,使得C4植物能够耐受更高的光强,并获得更强的干旱抗性。

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而对于光系统II(PSII)来说,过剩光能最快速的分子适应机制是与叶黄素循环相关的非光化学淬灭(non-photochemical quenching,NPQ)。过剩光能通过NPQ以热能形式耗散,保护光系统II免受光抑制和光损伤。

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C4植物光合作用中的暗反应虽然都是在维管束鞘细胞的叶绿体中发生的,但叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体都具备光系统II。那么在高光和干旱下,这两种有很大差异的光合细胞的NPQ又有什么差异呢?它们对C4植物的高光与干旱耐受性的贡献又有什么差别呢?

一般的叶绿素荧光仪与叶绿素荧光成像仪都可以测量NPQ。但是这两种仪器都不能分别测量不同显微结构和细胞的叶绿素荧光动态变化曲线并计算NPQ等叶绿素荧光参数。目前国际上唯一具备这种测量能力的仪器只有FKM(Fluorescence Kinetic Microscope)多光谱荧光动态显微成像系统。

四川省农业科学院的研究人员使用这套系统研究了两个玉米品种维管束鞘叶绿体的非光化学淬灭NPQ对干旱胁迫的响应。这一研究中使用的FKM多光谱荧光动态显微成像系统由易科泰生态技术有限公司提供,同时易科泰Ecolab生态实验室为其优化了显微叶绿素荧光成像测量参数。

在显微叶绿素荧光成像图中,玉米叶片显微结构中的“花环”清晰可见。FKM系统进行显微叶绿素荧光成像时,还可以分别对叶肉和维管束鞘叶绿体进行脉冲调制式叶绿素荧光淬灭动力学分析。荧光淬灭动力学分析可以获得一系列反映植物光合生理的量化指标。这一研究中主要分析了其中最具代表性的两个参数:最大光化学效率Fv/Fm和非光化学淬灭NPQ。

Fv/Fm在植物未受到胁迫、生长良好时非常稳定,而在受到胁迫后,会随着胁迫程度升高而降低,是应用最广泛的衡量植物抗性与受胁迫程度的指标之一。中度干旱胁迫没有造成叶肉叶绿体中Fv/Fm 的明显变化,但重度干旱胁迫下,叶肉叶绿体中 Fv/Fm水平显著下降。维管束鞘叶绿体的Fv/Fm 在中度干旱胁迫下即发生明显降低。

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左:干旱胁迫下玉米叶肉和维管束鞘叶绿体Fv/Fm显微观测;右:干旱胁迫下玉米叶肉和维管束鞘叶绿体NPQ显微观测

而作为本研究的主要目标,FKM 技术不仅在维管束鞘细胞中检测到NPQ,并且发现,随着干旱胁迫加剧,维管束鞘细胞中NPQ水平显著上升。更加值得注意的是,相较叶肉细胞,维管束鞘 NPQ 受干旱诱导升高趋势更明显,表明该细胞中可能具有更优越的过剩光能的非光化学淬灭能力。

结合最大光化学效率Fv/Fm和非光化学淬灭NPQ结果,说明相比于叶肉细胞,玉米维管束鞘细胞在干旱下更倾向于耗散更多的光能来保护光合系统,而不是更多地维持光系统光合能力。

FKM多光谱荧光动态显微成像系统是目前功能最为强大全面的植物显微荧光研究仪器,是基于FluorCam叶绿素荧光成像技术的显微成像定制系统。FKM使科研工作者在藻类和高等植物细胞与亚细胞层次深入理解光合作用过程及该过程中发生的各种变化,为直接研究叶绿体中光合系统的工作机理提供了最为有力的工具。

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忍冬叶片横切荧光成像——栅栏组织和海绵组织

硅藻附生的紫菜表面荧光成像

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鸢尾表皮细胞荧光成像——气孔与叶绿体分布

衣藻荧光成像

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玉米表皮细胞荧光成像

叶绿素荧光光谱分析

参考文献:

1. 刘文娟等,2020. 两个玉米品种维管束鞘叶绿体的非光化学淬灭对干旱胁迫的响应. 中国农业科学  53(8): 1532-1544

北京易科泰生态技术公司提供植物表型与胁迫响应研究全面技术方案:

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