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易科泰叶绿素荧光成像技术应用—— OJIP、QA再氧化、Kautsky分析Cd对拟南芥光合作用的影响

易科泰叶绿素荧光成像技术应用—— OJIP、QA再氧化、Kautsky分析Cd对拟南芥光合作用的影响

易科泰叶绿素荧光成像技术应用——

OJIP、QA再氧化、Kautsky分析Cd对拟南芥光合作用的影响

叶绿素荧光动力学(Kautsky诱导效应)主要用于区分光化学非光化学反应,获得光化学效率等参数。而快速叶绿素荧光动力学(OJIP)则主要用以获取与光系统(PS)尤其是光系统(PSⅡ)和电子传递元件的结构和功能有关的信息,如量子产率、PSⅡ受体到PSⅠ电子传递效率、光反应中心活性等。QA再氧化取决于QB接受电子的能力以及质体醌库的氧化还原状态,更针对性地研究光化学反应过程中QA-QB-PQ的电子传递状态。

Küpper等科学家采用Fluorcam叶绿素荧光成像、FKM多光谱荧光动态显微成像技术,通过OJIP、QA再氧化、Kautsky成像等测量方法,开展一系列实验,分析在Zn/Cd影响下,拟南芥不同叶龄、不同部位的光合生理指标变化,从宏观和显微角度,在组织、细胞水平上更深入地研究了Cd毒性对拟南芥光合作用的影响。结果表明,从光合作用的异质抑制可以明显看出不同组织对镉的敏感性不同。

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Fluorcam叶绿素荧光成像Kautsky诱导效应测量结果: Cd处理组叶肉与叶脉之间最大光量子产量Fm、光系统饱和度(Fp-Fs)/Fp的差异比不同叶龄间的差异更明显。另外,叶片的实际光量子效率ΦPSⅡ显著受Cd毒性抑制,而NPQ则仍维持在较高水平。Cd毒性明显抑制了PSⅡ的运行效率。

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Fluorcam叶绿素荧光成像OJIP快速荧光动力学测量结果:OJIP曲线反映Cd诱导F0的增加,且叶脉中的F0变化程度更大,Cd影响下,曲线J-I相变平、J-P相荧光上升幅度变小。OJIP成像直观显示叶片光合状态异质性以及光合作用对不同浓度Cd毒性的响应,Cd毒性导致光合电子传递效率下降。结果表明,叶脉比叶肉细胞对Cd毒性更敏感,光合反应的受抑制程度与Cd浓度呈线性关系。反映出Cd毒性对PSⅡ、PSⅡ到PSⅠ的逐步抑制。

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左1:OJIP快速荧光淬灭动力学曲线(control:10μM Zn,Cd:50μM Cd处理2月)

左2:叶肉OJIP荧光参数;左3:叶脉OJIP荧光参数

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OJIP荧光成像参数(control:10μM Zn,Cd15:15μM Cd处理2月,Cd75:75μM Cd处理2月)

ΦPo:PSⅡ原初光化学反应的最大光量子产量;  ΦET2o:QA到QB的电子传递量子产量;

ΦRE1o:到PSⅠ的电子传递量子产量;        Jabs/RC:单位反应中心吸收的光量子通量

FKM多光谱荧光显微成像QA再氧化测量结果:PSII反应中心被逐步抑制,QA、QB之间以及进一步向PSI受体的电子传输的量子产率降低,均与降低QA再氧化的动力学和降低PSII的运行效率相关。随着Cd浓度增大,快相和慢相QA再氧化产率下降,进一步证明了Cd毒性导致电子传递受损。

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叶肉细胞FKM多光谱荧光显微成像Kautsky诱导效应测量结果:Zn对照组叶肉细胞的Fm、Fv/Fm等参数细胞间大小均匀,而Cd处理组部分细胞受到了明显毒性抑制。Cd毒性在细胞水平的影响具有明显异质性。

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参考文献

1. Filis Morina , Hendrik Küpper. Direct inhibition of photosynthesis by Cd dominates over inhibition caused by micronutrient deficiency in the Cd/Zn hyperaccumulator Arabidopsis halleri [J]. Plant Physiology and Biochemistry,2020

2. Küpper, H., Benedikty, Z., Morina, F., et al. Analysis of OJIP Chlorophyll Fluorescence Kinetics and QA Reoxidation Kinetics by Direct Fast Imaging[J]. Plant Physiology, 2019