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叶绿素荧光成像技术应用——水稻胁迫响应分析

叶绿素荧光成像技术应用——水稻胁迫响应分析

叶绿素荧光成像技术应用——水稻胁迫响应分析

水稻生长过程中,易遭受各种非生物胁迫(如干旱、盐碱)与生物胁迫(稻瘟病、白叶枯病等),从而严重影响水稻生产。针对上述胁迫对水稻产生的影响进行精准可重复的表型分析是一项严峻挑战。植物吸收的光能主要用以进行光化学反应、热耗散及发出叶绿素荧光,三种途径互为竞争,此消彼长。胁迫可能引起植物光反应系统中的捕光复合体结构改变,光能的利用及分配变化,光合色素减少,相关代谢变化等,从而影响叶片的光学性质。叶绿素荧光技术可直接、无损测量光量子效率等光合生理参数并获取成像图,作为反映植物光合生理状态的重要量化指标,广泛应用于水稻研究的方方面面。

案例1:捷克科学院的David等,通过Fluorcam叶绿素荧光成像,对受稻瘟病、白叶枯病及干旱胁迫的不同水稻水稻品种进行了无损检测。结果显示,肉眼上没有受胁迫变化的叶片,Fv/Fm(最大光量子效率)实际已经降低,胁迫对植物的影响已经产生,且随着胁迫时间增加,Fv/Fm降低的面积越大,尤其部分易感品种Fv/Fm降低明显。表明叶绿素荧光成像及测量技术能灵敏检测出植物遭受胁迫后的生理变化,并且为品种抗逆筛选提供量化指标。

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A稻瘟病感染组   B白叶枯病感染组

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稻瘟病感染组叶片Fv/Fm

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白叶枯病感染组叶片Fv/Fm

此外,研究中还使用了使用手持式仪器进行温室、野外检测。通过FluorPen手持式叶绿素荧光测量仪检测样本光合生理,分析胁迫影响下水稻ΦPSⅡ(PSⅡ光量子效率)、Ft(实时荧光)两个叶绿素荧光参数的响应。通过PolyPen(原WinePen)手持式光谱测量仪,检测胁迫导致的水稻反射光谱变化,获取与稻瘟病、叶绿素、光合作用等有关的植被指数,分析这些植被指数与水稻生理状态变化的相关性。

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案例2:意大利帕多瓦大学的Elide Formentin等从转录组和细胞生理分析的角度研究水稻盐胁迫适应性和耐受性,其中针对耐盐水稻Baldo和盐敏感品种Vialone Nano的不同叶片进行Fluorcam叶绿素荧光成像分析。结果显示,Vialone Nano的所有叶片的ΦPSⅡ在胁迫第二天即明显降低,并随着胁迫持续下降,说明其在盐胁迫下光合效率不断降低且未长出第4叶;Baldo的第1叶ΦPSⅡ在胁迫第6天发生明显降低,而其他叶片前10天均未发生显著变化,新长出的第4叶光合状态正常。

成像结果图还直观显示出叶片胁迫响应的同质性。相比对照组,Vialone Nano胁迫组同一叶片的ΦPSⅡ,在第3天即呈现整叶均一、剧烈的下降,Baldo胁迫组叶片ΦPSⅡ变化则呈现非均一性,第6天起,才出现叶片个别部位ΦPSⅡ降低。

研究中还发现,在耐盐品种Baldo盐胁迫组的第2叶、第3叶的NPQ(非光化学荧光淬灭)显著高于对照,且ΦPSⅡ保持在较高状态的叶片区域其NPQ越高,而在Vialone Nano中则未出现这种趋势。说明NPQ的升高与水稻应对胁迫的能力有关。

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光合生理是水稻遗传分析、表型研究中的重要环节,光合状态直接、灵敏地反应植物的生长状态。易科泰作为叶绿素荧光技术权威机构PSI的国内独家代理服务中心,下设植物叶绿素技术与植物表型业务部,可提供全面的Fluorcam叶绿素荧光研究产品与方案。

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参考文献:

2. Sebela, Quinones, V.cruz, et al. Chlorophyll Fluorescence and Reflectance-Based Non-Invasive Quantification of Blast, Bacterial Blight and Drought Stresses in Rice[J]. Plant & Cell Physiology, 2018.

2. Elide F , Cristina S , Giorgio P , et al. Transcriptome and Cell Physiological Analyses in Different Rice Cultivars Provide New Insights Into Adaptive and Salinity Stress Responses[J]. Frontiers in Plant Science, 2018, 9:204.