光合熒光同步測量：促進(jìn)番茄生長的溫室光轉(zhuǎn)換涂層也有副作用？

瀏覽次數(shù)：1336　發(fā)布日期：2023-3-23　來源：澤泉

俄羅斯科研人員將一種含氟聚合物的涂層應(yīng)用在溫室大棚的塑料薄膜上，該涂層可將有害的UV-A和紫光轉(zhuǎn)換為對植物有用的藍(lán)光和紅光。這一轉(zhuǎn)換可促進(jìn)番茄的生長和光合作用。但是，在應(yīng)用了新型涂層的大棚中，植物的耐熱能力卻出現(xiàn)了下降。科研人員使用德國WALZ公司的GFS-3000光合-熒光測量系統(tǒng)與Dual-PAM-100雙通道葉綠素?zé)晒鈨x聯(lián)用，對這一過程進(jìn)行了深入研究。發(fā)現(xiàn)通常可提高抗逆能力的脅迫電信號對光合機(jī)構(gòu)的保護(hù)作用減弱了，這一現(xiàn)象可以通過H₂O₂濃度的降低來解釋。因此，在生產(chǎn)實踐中，當(dāng)使用光轉(zhuǎn)換技術(shù)時，需更加注意植物生長過程中栽培條件的穩(wěn)定。開發(fā)新的光配方時也應(yīng)更細(xì)致地完善相關(guān)實證研究。

提高溫室的效率是農(nóng)業(yè)中的一個緊迫問題。在溫帶和極地地區(qū)，最嚴(yán)重的問題之一是光照不足，特別是在光合反應(yīng)過程中使用的波長。這個問題可以通過使用LED或其他光源的主動補(bǔ)光來解決。然而，這種方法卻提高了經(jīng)濟(jì)和能源成本，并導(dǎo)致碳足跡的增加。另一種方法是使用薄膜和涂層進(jìn)行被動光譜校正。迄今為止，溫室光活性涂層的研究主要集中在三個方面：對近紅外輻射的保護(hù)、對UV輻射的保護(hù)以及將非光合活性光譜范圍的光子轉(zhuǎn)換為藍(lán)光和紅光。后一種方法似乎特別有前途，因為它對各種植物的形態(tài)計量參數(shù)和生理過程的活性具有顯著的刺激作用。

除了植物的生產(chǎn)力外，抵抗各種脅迫影響也非常重要。在溫室條件下，對植物最重要的損害因素是晴天的高溫和各種病原生物。對于在整個植物水平上形成對應(yīng)激源的復(fù)雜抗性，遠(yuǎn)距離應(yīng)激信號是重要的一種。通常，信號在植物最脆弱或敏感的區(qū)域產(chǎn)生，例如在上部幼葉中，然后傳播到全身，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號通路和生理過程的活性，從而導(dǎo)致抗性增加。根據(jù)性質(zhì)，遠(yuǎn)距離脅迫信號可細(xì)分為幾種類型，每種類型都由其自身的一組壓力源引起，并具有特征性的傳播速度和覆蓋范圍。主要有液壓、化學(xué)和電信號三種。電信號（ES）代表細(xì)胞膜上電位的一波變化，在快速增長的應(yīng)激源的作用下尤其令人感興趣，需要在整個植物的水平上快速提高抗性。ROS和Ca²⁺信號系統(tǒng)參與ES的產(chǎn)生和增殖。Ca²⁺可能通過ROS激活的陽離子通道進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致陰離子通道打開和質(zhì)子ATP酶失活，由此產(chǎn)生電信號。這些信號由廣泛的刺激引起，包括溫度、濕度、過度照明和食葉昆蟲的啃食。ES以mm×s^-1數(shù)量級的速度在植物中傳播，導(dǎo)致功能反應(yīng)，首先，暫時抑制光合作用和蒸騰作用的光依賴和非光依賴反應(yīng)，這使植物能夠以最小的損害度過不利時期。需要注意的是，參與長距離信號傳導(dǎo)的ROS和Ca²⁺系統(tǒng)受到光照的調(diào)節(jié)。

之前的研究發(fā)現(xiàn)含氟聚合物涂層可將UV-A和紫光轉(zhuǎn)換為藍(lán)光和紅光，從而刺激植物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量，但抑制熱誘導(dǎo)的電信號。本文通過光合熒光同步測量技術(shù)進(jìn)一步研究了這些光轉(zhuǎn)換涂層對電信號誘導(dǎo)的番茄植物對熱脅迫抗性的影響。
為了同時獲得光合同化速率、蒸騰速率、PSII和PSI的活性等信息，研究中使用了GFS-3000光合-熒光測量系統(tǒng)與Dual-PAM-100雙通道葉綠素?zé)晒鈨x，兩者通過3010-Dual聯(lián)用葉室（Heinz Walz GmbH, Germany）進(jìn)行了同步測量。

圖1 （a）含熒光團(tuán)和金納米顆粒的含氟聚合物膜的歸一化光致發(fā)光光譜（實線），不含光轉(zhuǎn)換成分（虛線）；（b）含氟聚合物光轉(zhuǎn)換膜和含氟聚合物均衡濾波器的光譜強(qiáng)度之間的差異。研究使用了中國深圳產(chǎn)UV紫外光源。

圖2 光轉(zhuǎn)換涂層對番茄植株葉面積的影響：（a，b）對照番茄植株的照片和使用ImageJ宏計算葉面積的“掩模”；（c）對照植株和使用光轉(zhuǎn)換涂層（PhC）生長的植株的葉面積變化動態(tài)。*：p<0.05。

圖3 光轉(zhuǎn)換涂層對番茄植株光合作用活性和蒸騰強(qiáng)度的影響：（a）對照番茄植株對光照的吸收和蒸騰反應(yīng)的典型記錄；（b–d）光轉(zhuǎn)換涂層對同化水平、蒸騰強(qiáng)度和細(xì)胞間隙CO₂濃度的影響；（e）對照番茄植株的光合作用對光照開啟的光驅(qū)動反應(yīng)的典型記錄；（f）光轉(zhuǎn)換涂層對光合作用光驅(qū)動反應(yīng)的影響。A：CO₂同化；E：蒸騰作用；ci：細(xì)胞間隙CO₂濃度；Fv/Fm：PSII光化學(xué)效率；ΦPSI和ΦPSII：光系統(tǒng)I和II光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)率；NPQ：熒光的非光化學(xué)猝滅；PhC：光轉(zhuǎn)換。*：p<0.05。

圖4 光轉(zhuǎn)換涂層對番茄植株耐熱性的影響，這由加熱后生理過程的殘余活性表征：（a）同化的殘余活性；（b）蒸騰殘余活性；（c）光驅(qū)動光合作用反應(yīng)的殘余活性。剩余活性以百分比表示，其中100%對應(yīng)于HS之前的水平。測量方案顯示在左側(cè)。首先記錄光合作用水平（方案中為灰色矩形）；然后，植物在46°C的溫度下經(jīng)受45分鐘的熱應(yīng)激（方案中為紅色矩形）。熱脅迫后1小時記錄光合作用的殘留水平。A：CO₂同化；E：蒸騰作用；Fv/Fm：PSII光化學(xué)效率；ΦPSI和ΦPSII：光系統(tǒng)I和II光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)率；NPQ：熒光的非光化學(xué)猝滅；PhC：光轉(zhuǎn)換。*：“HS后”和“HS前”之間的差異顯著，p<0.05；#：“對照”和“光轉(zhuǎn)換”之間的差異顯著，p<0.05。

圖5 番茄植株中的局部加熱感應(yīng)電信號：（a）對照番茄植株電信號的測量方案和典型記錄。電信號是通過用加熱至55°C的水逐漸加熱試管中的上部成葉尖端而產(chǎn)生的。用電極（El）記錄加熱葉片葉柄上的電勢。光合參數(shù)由第二片頂部成葉測得。（b）對照番茄植株的電信號引起的同化和蒸騰反應(yīng)。（c）對照番茄植株的電信號引起的光驅(qū)動光合作用的反應(yīng)。A：CO₂同化；E：蒸騰作用；Fv/Fm：潛在量子產(chǎn)率；ΦPSI和ΦPSII：光系統(tǒng)I和II光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)率；NPQ：熒光的非光化學(xué)猝滅。

圖6 光轉(zhuǎn)換涂層對電信號誘導(dǎo)的番茄植株耐熱能力的影響，這由加熱后生理過程的殘余活性表征：（a）同化的殘余活性；（b）蒸騰殘余活性；（c–f）光驅(qū)動光合作用反應(yīng)的殘余活性。剩余活性以百分比表示，其中100%對應(yīng)于HS之前的水平。測量方案顯示在左側(cè)。首先記錄光合作用水平（方案中為灰色矩形）；然后，在一半的植物中，ES是由頂部葉片的短期加熱誘導(dǎo)的（方案中的橙色矩形和箭頭）；45分鐘后，所有植物在46°C的溫度下經(jīng)受45分鐘的熱應(yīng)激（方案中為粉紅色矩形）。熱脅迫后1小時記錄光合作用的殘留水平。A：CO₂同化；E：蒸騰作用；Fv/Fm: PSII光化學(xué)效率；ΦPSI和ΦPSII：光系統(tǒng)I和II光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)率；NPQ：熒光的非光化學(xué)猝滅；PhC: 光轉(zhuǎn)換。*: “無ES”和“有ES”之間的差異顯著，p<0.05；#: “對照”和“光轉(zhuǎn)換”之間的差異顯著，p<0.05。

圖7 光轉(zhuǎn)換涂層對番茄植株葉片中H₂O₂含量的影響：（a，b）對照番茄植株和在光轉(zhuǎn)換涂層下生長的植株葉片的照片，用DAB染色；（c）對照植物和在光轉(zhuǎn)換涂層下生長的植物葉片中H₂O₂的相對含量。*: p<0.05。

溫室的光轉(zhuǎn)換涂層增加了番茄植株的大小，并激活了光合作用過程。由于光質(zhì)的改變以及此類植物組織中ROS相關(guān)含量可能降低，開發(fā)計劃可能轉(zhuǎn)向產(chǎn)量，從而損害保護(hù)功能。使用光轉(zhuǎn)換技術(shù)培養(yǎng)的植物對熱脅迫的抵抗力降低，而且遠(yuǎn)距離電信號對抵抗力的調(diào)節(jié)也不那么明顯。因此，當(dāng)使用光轉(zhuǎn)換技術(shù)時，有必要更加注意在植物栽培期間保持穩(wěn)定的條件。為改進(jìn)溫室植物的實際生產(chǎn)而開發(fā)具體方法需要進(jìn)行額外的實驗研究，包括對光源的各種選擇，這些光源可以密切模擬日光和溫室中傳統(tǒng)使用的光源。

—— 參考文獻(xiàn) ——

Grinberg M, Gromova E, Grishina A, et al. Effect of Photoconversion Coatings for Greenhouses on Electrical Signal-Induced Resistance to Heat Stress of Tomato Plants[J]. Plants, 2022, 11(2): 229.

便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)——GFS-3000

GFS-3000光合-熒光測量系統(tǒng)，采用先進(jìn)的雙頻斬波技術(shù)，同時監(jiān)測差分信號和絕對信號，全面優(yōu)化后的分析器的精度更高，穩(wěn)定性更好；智能環(huán)境的控制系統(tǒng)可寬范圍的控制實驗條件，使得儀器在較苛刻條件下測量成為可能；同時GFS-3000可與多種熒光儀或熒光附件進(jìn)行聯(lián)用，實現(xiàn)光合-熒光的同步測量。

雙通道調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x——DUAL-PAM-100

同步測量PSII活性（葉綠素?zé)晒猓�、PSI活性（P700）的氧化還原變化。擴(kuò)展功能：
• 通過測量 P515/535 信號變化測量跨膜質(zhì)子動力勢 pmf 及其組分跨膜質(zhì)子梯度 ΔpH 和跨膜電位 Δψ
• "P515 Flux"信號能原位反映活體樣品處于穩(wěn)態(tài)的偶聯(lián)電子和質(zhì)子的流動速率
• 通過測量 NADPH 熒光估算 NADP 的還原程度
• 通過測量 9-AA 熒光來估算跨膜質(zhì)子梯度ΔpH