FKM葉綠(lv)素(su)熒(ying)光顯微(wei)成像技(ji)術研究(jiu)C4植物葉片(pian)花(hua)環結(jie)構的(de)光合特(te)性

葉肉(rou)細(xi)胞和(he)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)細(xi)胞組(zu)成的“花(hua)環”結(jie)構，是(shi)C4植物的(de)重要(yao)特(te)征。C4植物的(de)葉肉(rou)和(he)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)細(xi)胞除(chu)了(le)在結(jie)構上表現出(chu)這種(zhong)特(te)殊的(de)“花環”，更(geng)重要(yao)的是(shi)形(xing)成其(qi)區別於C3植物的(de)特(te)殊光(guang)合途(tu)徑，使得(de)C4植物能(neng)夠(gou)耐受(shou)更(geng)高(gao)的光強(qiang)，並獲得(de)更(geng)強(qiang)的(de)幹(gan)旱(han)抗性。

而對於光系統II（PSII）來說(shuo)，過剩光(guang)能(neng)快速(su)的分子(zi)適應機制是(shi)與葉黃素(su)循環相(xiang)關的(de)非光化(hua)學淬(cui)滅（non-photochemical quenching，NPQ）。過(guo)剩光(guang)能(neng)通過(guo)NPQ以(yi)熱能形(xing)式耗(hao)散，保護光(guang)系(xi)統(tong)II免受(shou)光抑制和(he)光(guang)損傷(shang)。

C4植物光(guang)合作(zuo)用(yong)中的(de)暗(an)反(fan)應雖然(ran)都是(shi)在(zai)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)細(xi)胞的葉綠(lv)體(ti)中發(fa)生的(de)，但(dan)葉肉(rou)細(xi)胞和(he)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)細(xi)胞的葉綠(lv)體(ti)都具(ju)備(bei)光系(xi)統II。那麽在高(gao)光和(he)幹(gan)旱(han)下(xia)，這兩種(zhong)有(you)很大差(cha)異的光(guang)合細胞的NPQ又有(you)什(shen)麽差異呢(ne)？它(ta)們對C4植物的(de)高(gao)光與幹旱(han)耐受(shou)性的貢(gong)獻(xian)又有(you)什(shen)麽差別呢(ne)？

壹般(ban)的葉綠(lv)素(su)熒(ying)光儀與葉綠(lv)素(su)熒(ying)光成像儀都(dou)可(ke)以測量(liang)NPQ。但是(shi)這兩種(zhong)儀器都(dou)不(bu)能(neng)分別(bie)測量(liang)不(bu)同(tong)顯微(wei)結(jie)構和(he)細(xi)胞的葉綠(lv)素(su)熒(ying)光動態變化曲線並計(ji)算NPQ等葉綠(lv)素(su)熒(ying)光參數(shu)。目前(qian)上具備(bei)這種(zhong)測量(liang)能力的儀器只(zhi)有(you)FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多(duo)光譜熒(ying)光動態顯微(wei)成像系(xi)統。

四(si)川省(sheng)農業(ye)科(ke)學院(yuan)的(de)研究(jiu)人(ren)員(yuan)使用(yong)這套系統研究(jiu)了(le)兩個(ge)玉米(mi)品(pin)種(zhong)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)葉綠(lv)體(ti)的非(fei)光(guang)化學淬(cui)滅NPQ對(dui)幹(gan)旱(han)脅迫的響(xiang)應。這壹研究(jiu)中使用(yong)的FKM多(duo)光譜熒(ying)光動態顯微(wei)成像系(xi)統由易(yi)科泰生態(tai)技(ji)術有(you)限(xian)公司(si)提(ti)供(gong)，同時(shi)易(yi)科泰Ecolab生態(tai)實驗(yan)室為其(qi)優化了(le)顯微(wei)葉綠(lv)素(su)熒(ying)光成像測量(liang)參數(shu)。

在顯(xian)微(wei)葉綠(lv)素(su)熒(ying)光成像圖(tu)中，玉米(mi)葉片(pian)顯(xian)微(wei)結(jie)構中的(de)“花環”清(qing)晰(xi)可(ke)見。FKM系統(tong)進(jin)行顯微(wei)葉綠(lv)素(su)熒(ying)光成像時(shi)，還(hai)可(ke)以分別(bie)對葉肉(rou)和(he)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)葉綠(lv)體(ti)進(jin)行脈沖(chong)調(tiao)制式葉綠(lv)素(su)熒(ying)光淬(cui)滅動(dong)力(li)學分析(xi)。熒(ying)光淬(cui)滅動(dong)力(li)學分析(xi)可(ke)以獲(huo)得壹(yi)系列反(fan)映(ying)植物光(guang)合生理的量(liang)化(hua)指(zhi)標。這壹研究(jiu)中主(zhu)要(yao)分析(xi)了(le)其(qi)中具(ju)代(dai)表性的兩(liang)個(ge)參數(shu)：大光(guang)化學效率Fv/Fm和(he)非(fei)光(guang)化(hua)學淬(cui)滅NPQ。

Fv/Fm在植物未(wei)受到(dao)脅迫、生長(chang)良好時(shi)非(fei)常(chang)穩定(ding)，而在受到脅迫後，會隨(sui)著(zhe)脅迫程(cheng)度(du)升高(gao)而降低，是(shi)應用(yong)廣泛的(de)衡(heng)量植物抗性與受脅迫程(cheng)度(du)的(de)指(zhi)標之壹(yi)。中度(du)幹(gan)旱(han)脅迫沒(mei)有(you)造成葉肉(rou)葉綠(lv)體(ti)中Fv/Fm 的(de)明顯(xian)變化，但(dan)重度(du)幹(gan)旱(han)脅迫下，葉肉(rou)葉綠(lv)體(ti)中 Fv/Fm水(shui)平(ping)顯(xian)著(zhu)下(xia)降。維(wei)管(guan)束鞘(qiao)葉綠(lv)體(ti)的Fv/Fm 在(zai)中度(du)幹(gan)旱(han)脅迫下即發生明顯(xian)降低。

左：幹旱(han)脅迫下玉米(mi)葉肉(rou)和(he)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)葉綠(lv)體(ti)Fv/Fm顯微(wei)觀測；右(you)：幹(gan)旱(han)脅迫下玉米(mi)葉肉(rou)和(he)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)葉綠(lv)體(ti)NPQ顯微(wei)觀測

而作(zuo)為本(ben)研究(jiu)的(de)主(zhu)要(yao)目標，FKM 技(ji)術不(bu)僅在維(wei)管(guan)束鞘(qiao)細(xi)胞中檢(jian)測到(dao)NPQ，並且發(fa)現，隨(sui)著(zhe)幹(gan)旱(han)脅迫加(jia)劇，維(wei)管(guan)束鞘(qiao)細(xi)胞中NPQ水(shui)平(ping)顯(xian)著(zhu)上升。更(geng)加(jia)值得(de)註(zhu)意(yi)的是(shi)，相(xiang)較(jiao)葉肉(rou)細(xi)胞，維(wei)管(guan)束鞘(qiao) NPQ 受(shou)幹(gan)旱(han)誘導升高(gao)趨勢(shi)更(geng)明(ming)顯(xian)，表(biao)明(ming)該細胞中可(ke)能具(ju)有(you)更(geng)*的(de)過(guo)剩光(guang)能(neng)的非(fei)光(guang)化學淬(cui)滅能(neng)力(li)。

結(jie)合大光(guang)化學效率Fv/Fm和(he)非(fei)光(guang)化(hua)學淬(cui)滅NPQ結(jie)果，說(shuo)明相(xiang)比於葉肉(rou)細(xi)胞，玉米(mi)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)細(xi)胞在幹(gan)旱(han)下(xia)更(geng)傾(qing)向於耗(hao)散更(geng)多(duo)的光能(neng)來保(bao)護光(guang)合系統，而不(bu)是(shi)更(geng)多(duo)地(di)維(wei)持光系統光合能力。

FKM多(duo)光譜熒(ying)光動態顯微(wei)成像系(xi)統是(shi)目(mu)前功(gong)能(neng)為(wei)強(qiang)大全(quan)面的(de)植物顯(xian)微(wei)熒(ying)光研究(jiu)儀器，是(shi)基(ji)於FluorCam葉綠(lv)素(su)熒(ying)光成像技(ji)術的顯微(wei)成像定(ding)制系統。FKM使科(ke)研工作(zuo)者在(zai)藻類(lei)和(he)高(gao)等植物細(xi)胞與亞細胞層(ceng)次(ci)深(shen)入(ru)理解(jie)光(guang)合作(zuo)用(yong)過程(cheng)及該過程(cheng)中發(fa)生的(de)各(ge)種(zhong)變化，為(wei)直接研究(jiu)葉綠(lv)體(ti)中光(guang)合系統的工作(zuo)機理(li)提(ti)供(gong)了(le)為有(you)力(li)的工具。

參考文獻：

1. 劉文娟(juan)等，2020. 兩(liang)個玉米(mi)品(pin)種(zhong)維(wei)管(guan)束鞘(qiao)葉綠(lv)體(ti)的非(fei)光(guang)化學淬(cui)滅對(dui)幹(gan)旱(han)脅迫的響(xiang)應. 中國(guo)農業(ye)科(ke)學  53(8): 1532-1544

北京(jing)易(yi)科泰生態(tai)技(ji)術公司(si)提(ti)供(gong)植物表(biao)型與脅迫響(xiang)應研究(jiu)全(quan)面技(ji)術方案(an)：

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