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叶绿素荧光显微成像技术在光合作用研究中的应用

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    2023/10/19
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生命科学仪器综合讨论



  • 光合作用是地球上最重要的化学反应,植物、藻类及光合细菌等吸收光能、将CO2和水转化为有机物并释放O2。获得光能的叶绿素分子从基态跃迁到激发态,激发态的叶绿素分子可通过三种途径释放能量回到基态:推动光化学反应、以热的形式耗散、释放光子产生荧光。这三种途径的总和是一定的,因此叶绿素荧光的变化反映了光化学效率和热耗散能力的变化。叶绿素荧光成像是广泛应用光合生理研究的重要探针叶绿素荧光显微成像又将研究尺度进一步拓展到细胞、亚细胞水平。叶绿素荧光技术发展出了很多不同的测量程序,以慢诱导荧光动力学曲线为例,通过测量光(ML)、作用光(AL)、饱和脉冲光(SP)激发样品,记录动力学曲线并计算叶绿素荧光参数可以用于反映植物光合作用机理和光合生理状况(朱新广2021)。



    叶绿素荧光成像技术能记录整个叶片、植株等样品不同区域的荧光动力学分布变化,实现从宏观到微观的光合机理研究。叶绿素荧光成像由于其无损、高通量的技术特征,在光合作用相关突变体筛选领域成为了广泛应用的重要技术,为光合作用机理及抗逆研究提供了强大的技术支持。叶绿素荧光显微成像技术最早出现于2000年,Küpper等人将叶绿素荧光脉冲调制式激发光源与显微镜结合,首次获得了显微尺度的叶绿素荧光图像(Küpper et al., 2000)。叶绿素荧光显微成像技术在国外已经展开多方面研究应用,目前国内的叶绿素荧光成像显微研究尚处于起步阶段,多个课题组都探索这项技术不同研究领域中应用。



    叶绿素荧光技术适用研究样品微观结构上光合功能的空间差异,例如叶片横截面栅栏组织与海绵组织的差异,C4植物花环结构中维管束鞘细胞与叶肉细胞的差异,藻类中有差异的单个细胞、异形胞等。我们多年来与吉林师范大学、四川省农业科学研究院单位合作目前已合作发表的3篇相关论文是国内该领域开创性的应用成果,以叶绿素荧光显微成像的特色优势技术为光合作用的微观探究提供有力支撑



    Yu发现狗枣猕猴桃Actinidia kolomikta的白化叶片通过调整叶片结构及基因表达调控,仍然保持了相对较高的光合能力应用叶绿素荧光显微成像技术比较了白化和绿色叶片栅栏组织、海绵组织的叶绿素荧光参数,揭示了白化叶片海绵组织光合能力增强的机理绿叶中栅栏组织Fv/Fm(最大光化学效率)更高,而白叶中海绵组织显著增厚,Fv/Fm更高合能力增强,补偿白化的影响,成为叶片光合作用主力组织Yu et al., 2022接下来Chen等又比较了两种猕猴桃白化叶片的光保护策略差异,狗枣猕猴桃的白叶主要通过反射实现光保护,强光下花青素积累,叶片转变为粉色,更有效地保护叶片枣猕猴桃(Actinidia polygama强光下仍为白色有更的叶绿素荧光参数,说明具有更高的强光适应能力Chen et al., 2023)。Liu等比较了干旱处理下的玉米叶肉细胞和维管束鞘细胞,发现这两种细胞具有不同的不同光保护策略。对玉米完整叶片的分析显示,随着干旱处理程度增强, Fv/FmΦPSII(实际光化学效率)降低,NPQ(非光化学猝灭系数显著升高。进一步应用叶绿素荧光显微成像的分析结果与完整叶片相符合,并且发现与叶肉细胞相比,维管束鞘细胞 Fv/FmΦPSII更低,干旱胁迫后NPQ升高更显著不同细胞的变化趋势差异表明它们具有不同的光保护策略维管束鞘细胞中可能具有更强的热耗散能力Liu et al., 2022)。



    叶绿荧光显微成像技术在光合作用的微观研究领域具有独特的技术优势,在光合作用机理研究、环境及毒理胁迫与抗性筛选、优良品系选育等领域有广阔的应用前景。目前多家单位的科研人员探索该技术的新应用,我们也正在将该技术拓展到多个新的领域,例如对原生质体以及种子、茎秆等非叶片器官的研究

    参考文献:

    [1] 朱新广, 许大全主编. 光合作用研究技术, 上海科学技术出版社, 2021

    [2] H. Küpper, I. ?etlík, M. Trtílek, et al. Photosynthetica, 2000, 38, s553-570

    [3] M. Yu, L. Chen, D. H. Liu, et al. Front. Plant Sci., 2022, 13: 856732

    [4] L. Chen, D. Q. Wen, G. L. Shi, et al. Physiol. Plant., 2023, 175: e13880

    [5] W. J. Liu, H. Liu, Y. E. Chen, et al. Front. Plant Sci., 2022, 13: 885781
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