FKM葉綠素?zé)晒怙@微成像技術(shù)研究C4植物葉片花環(huán)結(jié)構(gòu)的光合特性

葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞組成的“花環(huán)”結(jié)構(gòu)，是C4植物的重要特征。C4植物的葉肉和維管束鞘細(xì)胞除了在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出這種特殊的“花環(huán)”，更重要的是形成其區(qū)別于C3植物的特殊光合途徑，使得C4植物能夠耐受更高的光強(qiáng)，并獲得更強(qiáng)的干旱抗性。

而對于光系統(tǒng)II（PSII）來說，過剩光能快速的分子適應(yīng)機(jī)制是與葉黃素循環(huán)相關(guān)的非光化學(xué)淬滅（non-photochemical quenching，NPQ）。過剩光能通過NPQ以熱能形式耗散，保護(hù)光系統(tǒng)II免受光抑制和光損傷。

C4植物光合作用中的暗反應(yīng)雖然都是在維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中發(fā)生的，但葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞的葉綠體都具備光系統(tǒng)II。那么在高光和干旱下，這兩種有很大差異的光合細(xì)胞的NPQ又有什么差異呢？它們對C4植物的高光與干旱耐受性的貢獻(xiàn)又有什么差別呢？

一般的葉綠素?zé)晒鈨x與葉綠素?zé)晒獬上駜x都可以測量NPQ。但是這兩種儀器都不能分別測量不同顯微結(jié)構(gòu)和細(xì)胞的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)變化曲線并計(jì)算NPQ等葉綠素?zé)晒鈪?shù)。目前上具備這種測量能力的儀器只有FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)。

四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的研究人員使用這套系統(tǒng)研究了兩個(gè)玉米品種維管束鞘葉綠體的非光化學(xué)淬滅NPQ對干旱脅迫的響應(yīng)。這一研究中使用的FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)由易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司提供，同時(shí)易科泰Ecolab生態(tài)實(shí)驗(yàn)室為其優(yōu)化了顯微葉綠素?zé)晒獬上駵y量參數(shù)。

在顯微葉綠素?zé)晒獬上駡D中，玉米葉片顯微結(jié)構(gòu)中的“花環(huán)”清晰可見。FKM系統(tǒng)進(jìn)行顯微葉綠素?zé)晒獬上駮r(shí)，還可以分別對葉肉和維管束鞘葉綠體進(jìn)行脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒獯銣鐒?dòng)力學(xué)分析。熒光淬滅動(dòng)力學(xué)分析可以獲得一系列反映植物光合生理的量化指標(biāo)。這一研究中主要分析了其中具代表性的兩個(gè)參數(shù)：大光化學(xué)效率Fv/Fm和非光化學(xué)淬滅NPQ。

Fv/Fm在植物未受到脅迫、生長良好時(shí)非常穩(wěn)定，而在受到脅迫后，會(huì)隨著脅迫程度升高而降低，是應(yīng)用廣泛的衡量植物抗性與受脅迫程度的指標(biāo)之一。中度干旱脅迫沒有造成葉肉葉綠體中Fv/Fm 的明顯變化，但重度干旱脅迫下，葉肉葉綠體中 Fv/Fm水平顯著下降。維管束鞘葉綠體的Fv/Fm 在中度干旱脅迫下即發(fā)生明顯降低。

左：干旱脅迫下玉米葉肉和維管束鞘葉綠體Fv/Fm顯微觀測；右：干旱脅迫下玉米葉肉和維管束鞘葉綠體NPQ顯微觀測

而作為本研究的主要目標(biāo)，F(xiàn)KM 技術(shù)不僅在維管束鞘細(xì)胞中檢測到NPQ，并且發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫加劇，維管束鞘細(xì)胞中NPQ水平顯著上升。更加值得注意的是，相較葉肉細(xì)胞，維管束鞘 NPQ 受干旱誘導(dǎo)升高趨勢更明顯，表明該細(xì)胞中可能具有更*的過剩光能的非光化學(xué)淬滅能力。

結(jié)合大光化學(xué)效率Fv/Fm和非光化學(xué)淬滅NPQ結(jié)果，說明相比于葉肉細(xì)胞，玉米維管束鞘細(xì)胞在干旱下更傾向于耗散更多的光能來保護(hù)光合系統(tǒng)，而不是更多地維持光系統(tǒng)光合能力。

FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)是目前功能為強(qiáng)大全面的植物顯微熒光研究儀器，是基于FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)的顯微成像定制系統(tǒng)。FKM使科研工作者在藻類和高等植物細(xì)胞與亞細(xì)胞層次深入理解光合作用過程及該過程中發(fā)生的各種變化，為直接研究葉綠體中光合系統(tǒng)的工作機(jī)理提供了為有力的工具。

參考文獻(xiàn)：

1. 劉文娟等，2020. 兩個(gè)玉米品種維管束鞘葉綠體的非光化學(xué)淬滅對干旱脅迫的響應(yīng). 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)  53(8): 1532-1544

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