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

瀏覽次數(shù)：1341　發(fā)布日期：2023-3-23　來(lái)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(duì)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(zhǎng)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�？蒲腥藛T使用德國(guó)WALZ公司的GFS-3000光合-熒光測(cè)量系統(tǒng)與Dual-PAM-100雙通道葉綠素?zé)晒鈨x聯(lián)用，對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了深入研究。發(fā)現(xiàn)通�？商岣呖鼓婺芰Φ拿{迫電信號(hào)對(duì)光合機(jī)構(gòu)的保護(hù)作用減弱了，這一現(xiàn)象可以通過(guò)H₂O₂濃度的降低來(lái)解釋。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，當(dāng)使用光轉(zhuǎn)換技術(shù)時(shí)，需更加注意植物生長(zhǎng)過(guò)程中栽培條件的穩(wěn)定。開(kāi)發(fā)新的光配方時(shí)也應(yīng)更細(xì)致地完善相關(guān)實(shí)證研究。

提高溫室的效率是農(nóng)業(yè)中的一個(gè)緊迫問(wèn)題。在溫帶和極地地區(qū)，最嚴(yán)重的問(wèn)題之一是光照不足，特別是在光合反應(yīng)過(guò)程中使用的波長(zhǎng)。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)使用LED或其他光源的主動(dòng)補(bǔ)光來(lái)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(dòng)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(gè)方面：對(duì)近紅外輻射的保護(hù)、對(duì)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?yàn)樗鼘?duì)各種植物的形態(tài)計(jì)量參數(shù)和生理過(guò)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(duì)植物最重要的損害因素是晴天的高溫和各種病原生物。對(duì)于在整個(gè)植物水平上形成對(duì)應(yīng)激源的復(fù)雜抗性，遠(yuǎn)距離應(yīng)激信號(hào)是重要的一種。通常，信號(hào)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(hào)通路和生理過(guò)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(hào)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(hào)三種。電信號(hào)（ES）代表細(xì)胞膜上電位的一波變化，在快速增長(zhǎng)的應(yīng)激源的作用下尤其令人感興趣，需要在整個(gè)植物的水平上快速提高抗性。ROS和Ca²⁺信號(hào)系統(tǒng)參與ES的產(chǎn)生和增殖。Ca²⁺可能通過(guò)ROS激活的陽(yáng)離子通道進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致陰離子通道打開(kāi)和質(zhì)子ATP酶失活，由此產(chǎn)生電信號(hào)。這些信號(hào)由廣泛的刺激引起，包括溫度、濕度、過(guò)度照明和食葉昆蟲(chóng)的啃食。ES以mm×s^-1數(shù)量級(jí)的速度在植物中傳播，導(dǎo)致功能反應(yīng)，首先，暫時(shí)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(guò)不利時(shí)期。需要注意的是，參與長(zhǎng)距離信號(hào)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(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量，但抑制熱誘導(dǎo)的電信號(hào)。本文通過(guò)光合熒光同步測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步研究了這些光轉(zhuǎn)換涂層對(duì)電信號(hào)誘導(dǎo)的番茄植物對(duì)熱脅迫抗性的影響。
為了同時(shí)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(cè)量系統(tǒng)與Dual-PAM-100雙通道葉綠素?zé)晒鈨x，兩者通過(guò)3010-Dual聯(lián)用葉室（Heinz Walz GmbH, Germany）進(jìn)行了同步測(cè)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(shí)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(guó)深圳產(chǎn)UV紫外光源。

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

圖3 光轉(zhuǎn)換涂層對(duì)番茄植株光合作用活性和蒸騰強(qiáng)度的影響：（a）對(duì)照番茄植株對(duì)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(duì)同化水平、蒸騰強(qiáng)度和細(xì)胞間隙CO₂濃度的影響；（e）對(duì)照番茄植株的光合作用對(duì)光照開(kāi)啟的光驅(qū)動(dòng)反應(yīng)的典型記錄；（f）光轉(zhuǎn)換涂層對(duì)光合作用光驅(qū)動(dòng)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(duì)番茄植株耐熱性的影響，這由加熱后生理過(guò)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(dòng)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(duì)應(yīng)于HS之前的水平。測(cè)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(shí)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(duì)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(hào)：（a）對(duì)照番茄植株電信號(hào)的測(cè)量方案和典型記錄。電信號(hào)是通過(guò)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(shì)。光合參數(shù)由第二片頂部成葉測(cè)得。（b）對(duì)照番茄植株的電信號(hào)引起的同化和蒸騰反應(yīng)。（c）對(duì)照番茄植株的電信號(hào)引起的光驅(qū)動(dòng)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(duì)電信號(hào)誘導(dǎo)的番茄植株耐熱能力的影響，這由加熱后生理過(guò)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(dòng)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(duì)應(yīng)于HS之前的水平。測(cè)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(shí)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(wú)ES”和“有ES”之間的差異顯著，p<0.05；#: “對(duì)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(duì)番茄植株葉片中H₂O₂含量的影響：（a，b）對(duì)照番茄植株和在光轉(zhuǎn)換涂層下生長(zhǎng)的植株葉片的照片，用DAB染色；（c）對(duì)照植物和在光轉(zhuǎn)換涂層下生長(zhǎng)的植物葉片中H₂O₂的相對(duì)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(guò)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(kāi)發(fā)計(jì)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(duì)熱脅迫的抵抗力降低，而且遠(yuǎn)距離電信號(hào)對(duì)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(shí)，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(shí)際生產(chǎn)而開(kāi)發(fā)具體方法需要進(jìn)行額外的實(shí)驗(yàn)研究，包括對(duì)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(cè)量系統(tǒng)——GFS-3000

GFS-3000光合-熒光測(cè)量系統(tǒng)，采用先進(jìn)的雙頻斬波技術(shù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)差分信號(hào)和絕對(duì)信號(hào)，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(shí)驗(yàn)條件，使得儀器在較苛刻條件下測(cè)量成為可能；同時(shí)GFS-3000可與多種熒光儀或熒光附件進(jìn)行聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)光合-熒光的同步測(cè)量。

雙通道調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x——DUAL-PAM-100

同步測(cè)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(guò)測(cè)量 P515/535 信號(hào)變化測(cè)量跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì) pmf 及其組分跨膜質(zhì)子梯度 ΔpH 和跨膜電位 Δψ
• "P515 Flux"信號(hào)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(dòng)速率
• 通過(guò)測(cè)量 NADPH 熒光估算 NADP 的還原程度
• 通過(guò)測(cè)量 9-AA 熒光來(lái)估算跨膜質(zhì)子梯度ΔpH