葉綠素熒光成像技術應用—水稻脅迫響應分析

水稻生長過程中，易遭受各種非生物脅迫（如干旱、鹽堿）與生物脅迫（稻瘟病、白葉枯病等），從而嚴重影響水稻生產。針對上述脅迫對水稻產生的影響進行精準可重復的表型分析是一項嚴峻挑戰。植物吸收的光能主要用以進行光化學反應、熱耗散及發出葉綠素熒光，三種途徑互為競爭，此消彼長。脅迫可能引起植物光反應系統中的捕光復合體結構改變，光能的利用及分配變化，光合色素減少，相關代謝變化等，從而影響葉片的光學性質。葉綠素熒光技術可直接、無損測量光量子效率等光合生理參數并獲取成像圖，作為反映植物光合生理狀態的重要量化指標，廣泛應用于水稻研究的方方面面。
 

案例1：捷克科學院的David等，通過Fluorcam葉綠素熒光成像，對受稻瘟病、白葉枯病及干旱脅迫的不同水稻水稻品種進行了無損檢測。結果顯示，肉眼上沒有受脅迫變化的葉片，Fv/Fm（最大光量子效率）實際已經降低，脅迫對植物的影響已經產生，且隨著脅迫時間增加，Fv/Fm降低的面積越大，尤其部分易感品種Fv/Fm降低明顯。表明葉綠素熒光成像及測量技術能靈敏檢測出植物遭受脅迫后的生理變化，并且為品種抗逆篩選提供量化指標。

A稻瘟病感染組   B白葉枯病感染組
 

稻瘟病感染組葉片Fv/Fm
 

白葉枯病感染組葉片Fv/Fm

此外，研究中還使用了使用手持式儀器進行溫室、野外檢測。通過FluorPen手持式葉綠素熒光測量儀檢測樣本光合生理，分析脅迫影響下水稻ΦPSⅡ（PSⅡ光量子效率）、Ft（實時熒光）兩個葉綠素熒光參數的響應。通過PolyPen（原WinePen）手持式光譜測量儀，檢測脅迫導致的水稻反射光譜變化，獲取與稻瘟病、葉綠素、光合作用等有關的植被指數，分析這些植被指數與水稻生理狀態變化的相關性。

案例2：意大利帕多瓦大學的Elide Formentin等從轉錄組和細胞生理分析的角度研究水稻鹽脅迫適應性和耐受性，其中針對耐鹽水稻Baldo和鹽敏感品種Vialone Nano的不同葉片進行Fluorcam葉綠素熒光成像分析。結果顯示，Vialone Nano的所有葉片的ΦPSⅡ在脅迫第二天即明顯降低，并隨著脅迫持續下降，說明其在鹽脅迫下光合效率不斷降低且未長出第4葉；Baldo的第1葉ΦPSⅡ在脅迫第6天發生明顯降低，而其他葉片前10天均未發生顯著變化，新長出的第4葉光合狀態正常。
 

成像結果圖還直觀顯示出葉片脅迫響應的同質性。相比對照組，Vialone Nano脅迫組同一葉片的ΦPSⅡ，在第3天即呈現整葉均一、劇烈的下降，Baldo脅迫組葉片ΦPSⅡ變化則呈現非均一性，第6天起，才出現葉片個別部位ΦPSⅡ降低。

研究中還發現，在耐鹽品種Baldo鹽脅迫組的第2葉、第3葉的NPQ（非光化學熒光淬滅）顯著高于對照，且ΦPSⅡ保持在較高狀態的葉片區域其NPQ越高，而在Vialone Nano中則未出現這種趨勢。說明NPQ的升高與水稻應對脅迫的能力有關。

光合生理是水稻遺傳分析、表型研究中的重要環節，光合狀態直接、靈敏地反應植物的生長狀態。易科泰作為葉綠素熒光技術權威機構PSI的國內獨家代理服務中心，下設植物葉綠素技術與植物表型業務部，可提供全面的Fluorcam葉綠素熒光研究產品與方案。

參考文獻：

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.