模(mo)塊(kuai)式(shi)植物表型(xing)分析(xi)技術(shu)方案(an)——擬南芥UV脅迫(po)的響(xiang)應機(ji)制(zhi)

植物面(mian)對(dui)各種生(sheng)物和非(fei)生(sheng)物脅迫(po)時(shi)，會調(tiao)整它們(men)的響(xiang)應機(ji)制(zhi)來(lai)優(you)化發育和適應(ying)程(cheng)序。UV輻射作(zuo)為(wei)壹(yi)種環境(jing)因子(zi)，會(hui)影響(xiang)植物的光合過(guo)程並(bing)觸(chu)發細胞死(si)亡(wang)。華沙(sha)生(sheng)命(ming)科(ke)學大學的Anna Rusaczonek評估(gu)了(le)紅/遠(yuan)紅光感受(shou)器光敏色(se)素A和(he)光敏色(se)素B在(zai)擬南芥UV脅迫(po)響(xiang)應中(zhong)的(de)作(zuo)用(yong)。通過(guo)測量(liang)相關(guan)突(tu)變(bian)株(zhu)的(de)CO₂同化、葉(ye)綠素(su)熒(ying)光（包括熒(ying)光淬滅(mie)動力(li)學(xue)曲(qu)線(xian)和OJIP快(kuai)速(su)熒(ying)光動力(li)學(xue)曲(qu)線(xian)）、活性(xing)氧積(ji)累(lei)等(deng)，他(ta)發現(xian)UV脅(xie)迫(po)幹擾了(le)光系統(tong)II，並(bing)增加(jia)了(le)相關(guan)突(tu)變(bian)體(ti)的(de)死(si)亡(wang)率(lv)。

圖1. UV處(chu)理的擬南芥野生(sheng)型(xing)及突(tu)變(bian)株(zhu)

CO₂同化速(su)率(lv)反(fan)映(ying)了(le)光合作(zuo)用(yong)整個過程(cheng)的(de)終結(jie)果(guo)，而葉綠素(su)熒(ying)光則直(zhi)接反(fan)映(ying)光合作(zuo)用(yong)光反應(ying)部分(fen)的(de)光系統(tong)電子(zi)傳(chuan)遞過程(cheng)變(bian)化。因此(ci)非(fei)常(chang)理想(xiang)的情況(kuang)是(shi)能(neng)夠同步(bu)測量(liang)這(zhe)兩(liang)類(lei)數據(ju)。本(ben)研究(jiu)中就(jiu)使用(yong)了(le)光合儀(yi)和光合聯用(yong)型(xing)FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)儀(yi)，同步(bu)測量(liang)了(le)光合作(zuo)用(yong)光響(xiang)應曲(qu)線(xian)和CO₂相應(ying)曲(qu)線(xian)。

圖2. 左：光響(xiang)應曲(qu)線(xian)；右：CO₂相應(ying)曲(qu)線(xian)

為(wei)了(le)進壹步(bu)驗證光系統(tong)II受(shou)損(sun)的機理過程，除了(le)葉(ye)綠素(su)熒(ying)光淬滅(mie)參(can)數以(yi)外(wai)，本研究還(hai)使用(yong)封(feng)閉式(shi)FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)系(xi)統測(ce)量(liang)了(le)OJIP快(kuai)速(su)熒(ying)光動力(li)學(xue)曲(qu)線(xian)。封(feng)閉式(shi)FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)系(xi)統是(shi)目(mu)前(qian)上*份(fen)可(ke)以(yi)進(jin)行葉片OJIP成(cheng)像(xiang)測(ce)量(liang)的(de)商(shang)用(yong)儀(yi)器(qi)。在不需(xu)要(yao)成(cheng)像(xiang)圖(tu)的情況下(xia)，也(ye)可(ke)以(yi)使用(yong)FluorPen葉綠素(su)熒(ying)光儀測(ce)量(liang)OJIP曲(qu)線(xian)及相應(ying)參(can)數。

圖3. OJIP快(kuai)速(su)熒(ying)光動力(li)學(xue)參(can)數

在測量(liang)SOD過(guo)氧(yang)化物歧(qi)化酶(mei)時(shi)，需(xu)要(yao)對樣(yang)品進行暗處(chu)理和光處(chu)理進行對照實驗。SL3500 智能(neng)LED光源以(yi)其高光強、高(gao)純度(du)、調(tiao)控(kong)，成(cheng)為(wei)了(le)這(zhe)壹(yi)實驗的(de)*。如(ru)果(guo)使用(yong)培(pei)養配備(bei)SL3500光源的(de)FytoScope植物生(sheng)長(chang)箱(xiang)同步(bu)調(tiao)控(kong)光照和(he)溫(wen)度(du)，數(shu)據(ju)精度(du)還(hai)能(neng)進(jin)壹步(bu)提高。

圖4. 不同型(xing)號、光質(zhi)的SL3500 智能(neng)LED光源

    同時(shi)為(wei)了(le)確定(ding)在微觀尺度(du)，單個葉綠體(ti)的變(bian)化，還(hai)需(xu)要(yao)進行顯微葉綠素(su)熒(ying)光測量(liang)。很遺憾的(de)是(shi)，因為(wei)作(zuo)者的條件(jian)所(suo)限(xian)，只(zhi)能(neng)使用(yong)普(pu)通的(de)熒(ying)光顯微鏡。而普(pu)通的(de)熒(ying)光顯微鏡因為(wei)不具備(bei)脈(mai)沖(chong)調(tiao)制功(gong)能(neng)，因此(ci)只(zhi)能(neng)測(ce)量(liang)壹(yi)個實時(shi)的(de)平均熒(ying)光強度(du)，根(gen)本無(wu)法進(jin)行真(zhen)正(zheng)的葉綠素(su)熒(ying)光淬滅(mie)測量(liang)。FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多(duo)光譜熒(ying)光動態顯(xian)微成(cheng)像(xiang)系(xi)統是(shi)目(mu)前(qian)上*份(fen)可(ke)進行亞細胞級(ji)PAM脈(mai)沖(chong)調(tiao)制葉(ye)綠素(su)熒(ying)光測量(liang)的(de)儀(yi)器(qi)，是(shi)研究(jiu)植物/藻(zao)類(lei)細胞、葉(ye)綠體(ti)微觀光合能(neng)力(li)*的(de)。無(wu)論是(shi)成(cheng)像(xiang)質(zhi)量(liang)還(hai)是(shi)測量(liang)真(zhen)正(zheng)有意(yi)義(yi)的光合表(biao)型(xing)參(can)數，FKM系(xi)統(tong)都要(yao)遠(yuan)遠(yuan)優(you)於普(pu)通熒(ying)光顯微鏡。

圖5. 本研究中(zhong)使用(yong)普(pu)通熒(ying)光顯微鏡獲(huo)得(de)的葉(ye)綠素(su)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)圖(tu)及平均熒(ying)光強度(du)

圖(tu)6. Nature Plants發表文章：使用(yong)FKM系(xi)統(tong)測量(liang)秋(qiu)海(hai)棠(tang)特異(yi)葉綠體(ti)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)圖及Fv/Fm大光化學(xue)效(xiao)率(lv)（Jacobs，2016）

模(mo)塊(kuai)式(shi)植物表型(xing)分析(xi)技術(shu)方案(an)推薦(jian)：

• 基礎(chu)方案(an)：LCi T便(bian)攜式(shi)光合儀(yi)+光合聯用(yong)型(xing)FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)儀(yi)+FP110手持式(shi)葉綠素(su)熒(ying)光儀+SL3500 智能(neng)LED光源
• 進(jin)階(jie)方(fang)案(an)：LCPro T 全(quan)自(zi)動便(bian)攜式(shi)光合儀(yi)+光合聯用(yong)型(xing)FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)儀(yi)+封(feng)閉式(shi)FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)系(xi)統（配備OJIP成(cheng)像(xiang)功(gong)能(neng)）+FytoScope植(zhi)物生(sheng)長(chang)箱(xiang)
• 方案(an)：LCPro T 全(quan)自(zi)動便(bian)攜式(shi)光合儀(yi)+光合聯用(yong)型(xing)FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)儀(yi)+封(feng)閉式(shi)FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光成(cheng)像(xiang)系(xi)統（配備OJIP成(cheng)像(xiang)功(gong)能(neng)）+FytoScope植(zhi)物生(sheng)長(chang)箱(xiang)+FKM多(duo)光譜熒(ying)光動態顯(xian)微成(cheng)像(xiang)系(xi)統

參(can)考文獻：

• Rusaczonek A, et al. 2015. Role of phytochromes A and B in the regulation of cell death and acclimatory responses to UV stress in Arabidopsis thaliana. Journal of Experimental Botany DOI: 10.1093/jxb/erv375
• Jacobs M, et al. 2016. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency. Nature Plants, doi:10.1038/nplants.2016.162