FKM葉綠素熒光顯微成像技術研究C4植物葉片花環結構的光合特性

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

而對于光系統II（PSII）來說，過剩光能最快速的分子適應機制是與葉黃素循環相關的非光化學淬滅（non-photochemical quenching，NPQ）。過剩光能通過NPQ以熱能形式耗散，保護光系統II免受光抑制和光損傷。

C4植物光合作用中的暗反應雖然都是在維管束鞘細胞的葉綠體中發生的，但葉肉細胞和維管束鞘細胞的葉綠體都具備光系統II。那么在高光和干旱下，這兩種有很大差異的光合細胞的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又有什么差別呢？
 

一般的葉綠素熒光儀與葉綠素熒光成像儀都可以測量NPQ。但是這兩種儀器都不能分別測量不同顯微結構和細胞的葉綠素熒光動態變化曲線并計算NPQ等葉綠素熒光參數。目前國際上唯一具備這種測量能力的儀器只有FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光譜熒光動態顯微成像系統。
 

四川省農業科學院的研究人員使用這套系統研究了兩個玉米品種維管束鞘葉綠體的非光化學淬滅NPQ對干旱脅迫的響應。這一研究中使用的FKM多光譜熒光動態顯微成像系統由易科泰生態技術有限公司提供，同時易科泰Ecolab生態實驗室為其優化了顯微葉綠素熒光成像測量參數。
 

在顯微葉綠素熒光成像圖中，玉米葉片顯微結構中的“花環”清晰可見。FKM系統進行顯微葉綠素熒光成像時，還可以分別對葉肉和維管束鞘葉綠體進行脈沖調制式葉綠素熒光淬滅動力學分析。熒光淬滅動力學分析可以獲得一系列反映植物光合生理的量化指標。這一研究中主要分析了其中最具代表性的兩個參數：最大光化學效率Fv/Fm和非光化學淬滅NPQ。
 

Fv/Fm在植物未受到脅迫、生長良好時非常穩定，而在受到脅迫后，會隨著脅迫程度升高而降低，是應用最廣泛的衡量植物抗性與受脅迫程度的指標之一。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，FKM 技術不僅在維管束鞘細胞中檢測到NPQ，并且發現，隨著干旱脅迫加劇，維管束鞘細胞中NPQ水平顯著上升。更加值得注意的是，相較葉肉細胞，維管束鞘 NPQ 受干旱誘導升高趨勢更明顯，表明該細胞中可能具有更優越的過剩光能的非光化學淬滅能力。
 

結合最大光化學效率Fv/Fm和非光化學淬滅NPQ結果，說明相比于葉肉細胞，玉米維管束鞘細胞在干旱下更傾向于耗散更多的光能來保護光合系統，而不是更多地維持光系統光合能力。
 

FKM多光譜熒光動態顯微成像系統是目前功能最為強大全面的植物顯微熒光研究儀器，是基于FluorCam葉綠素熒光成像技術的顯微成像定制系統。FKM使科研工作者在藻類和高等植物細胞與亞細胞層次深入理解光合作用過程及該過程中發生的各種變化，為直接研究葉綠體中光合系統的工作機理提供了最為有力的工具。

參考文獻：

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

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