JIP-Test檢測叢枝菌根菌調節玉米PSII異質性免受高溫脅迫的研究

 

       基于生物膜中能量流動理論的快速葉綠素a熒光動力學OJIP曲線和JIP-test分析，具有無損、精確、快速的特點，如今已經廣泛應用于植物逆境生理的研究。
 

       OJIP曲線對各種環境的改變非常敏感，如光脅迫、化學物質、高溫、寒冷、干旱、重金屬或鹽脅迫、營養不良、大氣CO₂或臭氧增加和病害等生長環境變化。

      植物在遭受不同的逆境脅迫后，其OJIP曲線呈現不同的變化，而JIP-test分析則對OJIP曲線的變化提供定量分析。因此，OJIP曲線和JIP-test分析可以用于分析環境變化對植物光合生理過程的影響并用于篩選抗逆品種。

      2020年1月，Industrial Crops & Products刊出了印度印多爾市德維阿希利亞大學生命科學學院Sonal Mathur教授與生物技術學院 Anjana Jajoo教授合作完成的題為Arbuscular mycorrhizal fungi protects maize plants from high temperature stress by regulating photosystem II heterogeneity的研究論文，報道了該合作團隊在叢枝菌根真菌（AMF）調節光系統II異質性保護玉米免受高溫脅迫的最新研究。
 

     不斷變化的全球環境導致作物受高溫脅迫現象增加。高溫脅迫會導致植物生長減緩及生物量下降。作物光合作用是受高溫脅迫影響最敏感的過程之一，會改變光系統II（PSII）氧化還原特性。

    玉米是世界上種植最廣泛的谷物之一，其產量和生產率會根據環境條件不斷變化。溫度過高可能影響玉米植株的生長發育。叢枝菌根真菌（AMF）在非生物脅迫條件下的保護作用廣為人知，但其作用機理尚不清楚。

     為了闡明AMF在調節光系統II異質性中的作用，此研究對高溫脅迫下富含AMF的玉米植株進行了研究。利用葉綠素a熒光誘導動力學研究了玉米對照、AMF、AMF+HT和HT的PSII異質性。

玉米植株在不同處理下的表現   
 

      本研究提出了一個新的假說，即PSII異質性在AMF誘導的高溫應激保護中的作用。此研究是有史以來第一個分析了在AMF和高溫應力背景下PSII異質性變化的研究。

本試驗設計如下：
 

• 對照=玉米植株生長在正常土壤中，植株不受高溫影響。
• AMF=玉米植株生長在富含AMF的土壤中，植株不受高溫影響。
• HT=在正常土壤中生長并經歷較高溫度（夏季自然溫度43°C）的玉米植株。
• AMF+HT=玉米植株生長在富含AMF的土壤中，經歷高溫脅迫。

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與對照植物以及AMF+HT和HT玉米植株相比，AMF植株的形態差異非常明顯。與對照植物相比，富含AMF的植物表現出更好的株高和葉寬（數據未顯示）。AMF+HT植株也表現出比僅HT植株更好的生長，表明AMF可以保護植株免受溫度誘導的傷害。

不同處理的熒光強度曲線

       葉綠素熒光分析是研究各種非生物脅迫的廣泛應用技術之一。上圖表明，高溫脅迫影響葉綠素誘導動力學（O-J-I-P）的形狀。O點至J點熒光升高的原因與一些PSII反應中心因Q_A^-減少而關閉有關。
 

       在這項研究中，在經歷高溫脅迫的植物中，O點至J點熒光減少，這表明PSII反應中心（RC）需要更多的時間來閉合，其次是次級電子的俘獲和緩慢還原。在經歷高溫的玉米植株中獲得了額外的K點，而在經歷類似條件的AMF+HT玉米植株中則沒有K點出現。K點的出現歸因于從OEC到RC的電子流有限。

不同處理間熒光參數顯著性分析

 

HT處理的Fv/Fm值降低，而在經歷類似條件的AMF+HT處理中有顯著恢復。與對照相比，高溫脅迫（HT）處理PI降低89%，在AMF+HT處理中PI降低27%。推測AMF定殖可能導致土壤性狀的改變，從而提高了植物的光合效率，保護了植物免受脅迫。

不同處理相對可變熒光的比較
 

     文章最后，作者作出如下總結：AMF對高溫脅迫下PSII非均質性有明顯的促進作用，在高溫脅迫下PSII異質性會發生變化。

      AMF+HT植株高溫吸水根系發達，保證高光合能力，防止光合機構受損。AMF植物表現出最大的PSII連接性，而高溫處理表現最少。AMF+HT顯示非Q_B還原中心數量恢復。

      在天線異質性中，AMF富集植物中存在最大α中心，從而增強初級光化學效率，增加活性中心數量、電子傳輸容量、PSII的量子產率。PSII異質性可以作為了解植物脅迫水平的生物學指標。

       PSII異質性的變化可能是AMF的一系列效應，例如蒸發速率、水分吸收、凈光合作用和氣孔導度。
       AMF通過調節PSII異質性發揮其有益作用。AMF的存在為非活性β和γ中心向活性α中心的轉化和非Q_B還原中心向還原中心的轉化提供了有利條件。這種涉及PS-II異質性的AMF作用的可能性在早期沒有報道。

本文來源：

Mathur S, Jajoo A. Arbuscular mycorrhizal fungi protects maize plants from high temperature stress by regulating photosystem II heterogeneity[J]. Industrial Crops and Products, 2020, 143: 111934.