模塊式植物表型分析技術方案（七）

——擬南芥UV脅迫的響應機制

植物面對各種生物和非生物脅迫時，會調整它們的響應機制來優(yōu)化發(fā)育和適應程序。UV輻射作為一種環(huán)境因子，會影響植物的光合過程并觸發(fā)細胞死亡。華沙生命科學大學的Anna Rusaczonek評估了紅/遠紅光感受器光敏色素A和光敏色素B在擬南芥UV脅迫響應中的作用。通過測量相關突變株的CO₂同化、葉綠素熒光（包括熒光淬滅動力學曲線和OJIP快速熒光動力學曲線）、活性氧積累等，他發(fā)現(xiàn)UV脅迫干擾了光系統(tǒng)II，并增加了相關突變體的死亡率。

圖1. UV處理的擬南芥野生型及突變株

CO₂同化速率反映了光合作用整個過程的ZZ結果，而葉綠素熒光則直接反映光合作用光反應部分的光系統(tǒng)電子傳遞過程變化。因此理想的情況是能夠同步測量這兩類數(shù)據。本研究中就使用了光合儀和光合聯(lián)用型FluorCam葉綠素熒光成像儀，同步測量了光合作用光響應曲線和CO₂相應曲線。

圖2. 左：光響應曲線；右：CO₂相應曲線

為了進一步驗證光系統(tǒng)II受損的機理過程，除了葉綠素熒光淬滅參數(shù)以外，本研究還使用封閉式FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)測量了OJIP快速熒光動力學曲線。封閉式FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)是目前國際上可以進行葉片OJIP成像測量的商用儀器。在不需要成像圖的情況下，也可以使用FluorPen葉綠素熒光儀測量OJIP曲線及相應參數(shù)。

圖3. OJIP快速熒光動力學參數(shù)

在測量SOD過氧化物歧化酶時，需要對樣品進行暗處理和光處理進行對照實驗。SL3500 智能LED光源以其高光強、高純度、精確調控，成為了這一實驗的不二之選。如果使用培養(yǎng)配備SL3500光源的FytoScope植物生長箱同步調控光照和溫度，數(shù)據精度還能進一步提高。

圖4. 不同型號、光質的SL3500 智能LED光源

同時為了確定在微觀尺度，單個葉綠體的變化，還需要進行顯微葉綠素熒光測量。很遺憾的是，因為作者的條件所限，只能使用普通的熒光顯微鏡。而普通的熒光顯微鏡因為不具備脈沖調制功能，因此只能測量一個實時的平均熒光強度，根本無法進行真正的葉綠素熒光淬滅測量。FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)是目前國際上可進行亞細胞級PAM脈沖調制葉綠素熒光測量的儀器，是研究植物/藻類細胞、葉綠體微觀光合能力必不可少的。無論是成像質量還是測量真正有意義的光合表型參數(shù)，F(xiàn)KM系統(tǒng)都要遠遠優(yōu)于普通熒光顯微鏡。

圖5. 本研究中使用普通熒光顯微鏡獲得的葉綠素熒光成像圖及平均熒光強度

圖6. Nature Plants發(fā)表文章：使用FKM系統(tǒng)測量秋海棠特異葉綠體熒光成像圖及Fv/FmZD光化學效率（Jacobs，2016）

模塊式植物表型分析技術方案推薦：

1. 基礎方案：LCi T便攜式光合儀+光合聯(lián)用型FluorCam葉綠素熒光成像儀+FP110手持式葉綠素熒光儀+SL3500 智能LED光源

2. 進階方案：LCPro T 全自動便攜式光合儀+光合聯(lián)用型FluorCam葉綠素熒光成像儀+封閉式FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)（配備OJIP成像功能）+FytoScope植物生長箱

3. 方案：LCPro T 全自動便攜式光合儀+光合聯(lián)用型FluorCam葉綠素熒光成像儀+封閉式FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)（配備OJIP成像功能）+FytoScope植物生長箱+FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)

參考文獻：

1. 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

2. Jacobs M, et al. 2016. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency. Nature Plants, doi:10.1038/nplants.2016.162