利用叶绿素荧光技术监测植物低温胁迫应该注意哪些?

撰稿人: 日期:2018-11-20 点击次数:131

        有许多不同类型的荧光测量可以有效测量低温胁迫。Fv / Fm,量子光合产量或Fv'/ Fm',快速光曲线,淬灭测量和OJIP可用于检测、测量和筛选低温胁迫和抗寒胁迫。 Fv / Fm是暗适应后进行的快速测量,是针对大多数植物的低温胁迫的一项敏感测试。在黎明前进行的Fv / Fm测量是低温胁迫的良好指标(Allen 2004)。量子光合产量,快速光曲线测试也是在中等到较高水平的光下的敏感测试。它在较低的光线下不敏感(Leipner J. 2003)。比较不同光照水平下不同电子传输速率的光曲线表明随着光照水平的增加,ETR显着下降。淬灭测量和较长的动力学图可以表征植物从低温胁迫恢复的特征。据研究报道,当大豆暴露于低温冻害胁迫下时,OJIP中O-J阶段增强而J-I阶段降低(Strauss2005)。    

        关于使用淬灭协议来测量暴露于低温胁迫的田间植物,  NPQ和其他非光化学淬灭参数(包括Y(NPQ)和Y(NO)),使用弛豫后的Fm作为比较的标准(Baker 2008)。 Fm在低温胁迫植物中会受到抑制(Allen 2004),并且可能因前一天的高光水平而有所下降(Lichtenthaler 2004)。 在先前的高光条件或胁迫条件存在的情况下,淬灭测量中使用的Fm值可能带有一些经过暗适应后未完全弛豫的残余NPQ。 虽然这个问题对单个植物的低温恢复研究可能并不重要,但我们绝不能比较不同植物的NPQ值,因为这些植物的初始Fv / Fm值并不相似(Baker 2008)。

C3植物

        在C3植物中,叶黄素循环可以保护植物免受许多不同类型的胁迫,通过关闭反应中心来实现。 植物从低温胁迫中恢复的能力可以使用淬灭弛豫协议来测量。 q E(puddle模型)和Y(NPQ)(lake模型)表示叶绿体腔的叶黄素循环和△pH。 q T(puddle模型)代表对NPQ的较慢调整,需要几分钟,而qI表示较长的光抑制弛豫。 在lake模型中,Y(NO)代表非光保护的所有非光化学淬灭。 通过比较各种淬灭组分的值,可以测量不同植物从低温胁迫恢复的速度(Cavender-Bares J.,Bazzaz F.,2004)。

变种

        木本多年生植物和常绿硬叶植物的叶片,在冬天,晚上保留了大量的玉米黄质和人造黄素,降低了黎明前的Fv / Fm。当变暖时,PSII的一部分迅速恢复,一部分保持下降。 夜间温度低于冰点时,多年生木本植物和常绿植物的未接受光照的叶片释放出高浓度的玉米黄质和人造黄素。 在夜晚高于冰点的时期,叶片中这些光保护性化学物质不表现出更高的水平,并且甚至可能减缓对增加的光合作用的调节。 在冬季保持光合活性的草本植物叶片显示出与遮阴的常绿植物相似的特征。

C4植物

        在大多数C 4植物中,低温下可用的Rubisco( 二磷酸核酮糖羧化酶)数量减少,可能会阻碍光合速率。 Fv / Fm,量子光合产量和淬灭测量都是研究大多数C 4植物低温胁迫的有效工具。 Fv / Fm与气体交换结合使用(Pittermann 2001)。 一些C 4植物在低温胁迫下比其他植物生长得更好。 研究表明这些植物具有更大量的Rubisco(二磷酸核酮糖羧化酶)(Pittermann J.2001)。 气体交换与荧光相结合可以提供对这些C 4植物机制的了解。

        由于低温胁迫与众不同的影响,电子传输速率ETR与CO 2气体交换测量的碳同化的比率A相结合可以有效检测玉米低温胁迫。通常在温带和较冷气候下生长的植物与原先在热带和亚热带地区生长而现在在温带气候下培育的植物相比有不同的机制来对付低温胁迫。 因此,例如玉米(一种C 4植物)如果暴露于14℃的温度下,会受到低温胁迫。已经表明,如果玉米是在生长季早期暴露于低温胁迫下,同化一分子二氧化碳所需的电子传输速率是预期值的3.5倍(Fryer 1998)(Baker 2004)。

结论:

        有许多有用的叶绿素荧光测量技术可用于测量低温胁迫。 了解这些测量结果是由光保护造成的还是低温胁迫造成的,这一点很重要。 出于这个原因,在使用光适应技术时测量或控制光辐射水平以及在相似照射水平下比较样品是重要的。
        在进行暗适应测量时,重要的是了解植物的光照历史,并且只对具有非常相似的Fv / Fm值的植物进行淬灭测量比较。
 
各种测量总结如下:

 ♦ ETR/CO 2同化比率 - PSII中的ETR与CO 2同化的比率在低温胁迫下的变化表明玉米低温胁迫中的其他电子汇。
 ♦ 量子光合产量 - 快速光适应敏感性试验也可用于稳定状态下中等和更高光照水平下的低温胁迫。
 ♦ Fv / Fm - 快速暗适应测试可用于低温胁迫的筛选。
 ♦ ETR - 这是一个与Yield和PAR或光照水平相关的短期或长期光适应性测试。 需要用PAR叶夹。 最好在中等或更高的
    光照水平下完成。 低温胁迫下玉米的ETR比预期值高出约3.5倍(Baker 2004)。

 ♦ 光曲线 - 随着光照水平的提高,量子光合产量的下降非常明显。
 ♦ 淬灭和淬灭弛豫试验- 试验研究NPQ在中等光照条件下暴露于低温胁迫之后和期间的弛豫。 利用淬灭弛豫协议NPQ,
    q E,q T,q I,可能研究低温胁迫和低温胁迫恢复对光保护机制和光抑制的影响,NPQ已被Klughammer(2008)
    重新引入了lake模型。 这是一个较长的暗适应测试。

 ♦ OJIP-O-J,J-I和PI-用于检测植物在夜间遭受低温胁迫的影响。

参考文献:
Baker N.E. (2008) Chlorophyll Fluorescence: A Probe of Photosynthesis In Vivo. Annu. Rev. Plant Biol. 2008. 59:89–113
 
Baker N. R., Oxborough K., (2004) Chlorophyll fluorescence as a probe of photosynthetic productivity. From Chapter 3, “Chlorophyll a Fluorescence a Signature of Photosynthesis”, edited by George Papaqeorgiou and Govindjee, published by Springer 2004, PO Box 17, 3300 AA Dordrecht, The Netherlands, pages 66-79
 
Cavender Bares, Fakhri A. Bazzaz, From Chapter 29, “Chlorophyll a Fluorescence a Signature of Photosynthesis”, edited by George Papaqeorgiou and Govindjee, published by Springer 2004,PO Box 17, 3300 AA Dordrecht, The Netherlands, page 746-747
 
FARAGE P. K., BLOWERS D. , LONG S. BAKER N.E. (2006) Low growth temperatures modify the efficiency of light use by photosystem II for CO2assimilation in leaves of two chilling-tolerant C 4  species, Cyperus longus L. and Miscanthus Giganteus Plant, Cell and Environment (2006) 29, 720–728
 
Kubien D. S., Susanne von Caemmerer S., Furbank R.T., and Sage R.F. (2003) C4 Photosynthesis at Low Temperature. A Study Using Transgenic Plants with Reduced Amounts of Rubisco1 Plant Physiology, July 2003, Vol. 132, pp. 1577–1585
 
Leipner J.,  (2003) of Chlorophyll Fluorescence to Study light, and Drought stress, P132, A chapter from Practical Applications of Chlorophyll Fluorescence in Plant Biology edited by DeEll J.R., and Toivonen P. M. A, Kluwer Academic Publishers, Norwell, MA 2003
 
Lichtenthaler H. K., Babani F. (2004) Light Adaption and Senescence of the Photosynthetic Apparatus. Changes in Pigment Composition, Chlorophyll Fluorescence Parameters and
Photosynthetic Activity. From Chapter 28, “Chlorophyll a Fluorescence a Signature of Photosynthesis”, edited by George Papaqeorgiou and Govindjee, published by Springer 2004,
PO Box 17, 3300 AA Dordrecht, The Netherlands, page 716
 
Lovelock C.F., Jackson A.E., Melick D.R., Seppelt R.D., (1995) Reversible photoinhibition in Antarctic moss during freezing and thawing. Plant Physiology 109: 955-961
 
Pittermann J., Sage R.F., (2001) The response of the high altitude C4 grass Muhlenbergia Montana (Nutt.) AS. Hitchc. To long-and short term chilling, Journal of Experimental Botany, Vol 52, No. 357, pp.829-838, April 2001
 
Strauss A.J., Krüger G.H.J., Strasser R.J., and Van Heerden P.D.R.   “Ranking of dark chilling tolerance in soybean genotypes probed by the chlorophyll a fluorescence transient O-J-I-P” Environmental and Experimental Botany Volume 56, Issue 2, June 2006, Pages 147-157
 


 

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