In vivo detection of spectral reflectance changes associated with regulated heat dissipation mechanisms complements fluorescence quantum efficiency in early stress diagnosis

IF 8.3 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES

New Phytologist Pub Date : 2024-11-12 DOI:10.1111/nph.20253

Sara Pescador-Dionisio, Maria Pilar Cendrero-Mateo, Adrián Moncholí-Estornell, Aida Robles-Fort, Miren I. Arzac, Begoña Renau-Morata, Beatriz Fernández-Marín, José Ignacio García-Plazaola, Rosa V. Molina, Carolina Rausell, José Moreno, Sergio G. Nebauer, Inmaculada García-Robles, Shari Van Wittenberghe

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在体内检测与调节散热机制相关的光谱反射率变化，是对早期应激诊断中荧光量子效率的补充

观察和描述整个叶片的自然动态效应具有在更大的监测尺度上放大机制的优势，但在体内观察到的吸光度变化的来源仍存在争议。535 nm 波长范围内的光诱导吸光度变化已被用于监测可逆 qE 激活（Ruban 等人，1993 年；Bilger & Björkman, 1994 年），而在同一光谱范围内，类胡萝卜素在电化学质子梯度产生的电场驱动下发生的 515 nm 波长范围内的电致变色（Kramer 等人，1999 年；Bailleul 等人，2010 年；Klughammer 等人，2013 年）也被描述为一种机制。因此，515-535 nm 波长吸光度增加的基本因果关系仍有待讨论，主要是因为这些变化在不同的时间尺度上会产生不同的影响。例如，从 500-600 纳米吸光度快速变化的动力学趋势来看，人们提出了不同的根本原因。一方面，毫秒级到秒级的超快变化证明了与 PSI 和 PSII 电荷分离的不同速度有关的几个阶段，其次是细胞色素 b6f 的活性（Joliot & Delosme, 1974）。另一方面，在秒到分钟的范围内，吸光度变化的动力学行为是由三个不同的高斯来模拟的，它们与蚂蚁和玉米的化学形成（30 秒-1 分钟）相吻合，随后是蚂蚁相关贡献的额外放大吸光度效应（1-3 分钟），波长约为 535 纳米（Van Wittenberghe 等人，2021a）。作者认为后一种效应对体内总吸光度的增加产生了主要影响（约为几个百分点），这种效应的形成相对于之前的 Chl 荧光淬灭和蚂蚁的形成有所延迟。脉冲幅度调制（PAM）Chla 荧光（ChlF）测量与饱和脉冲相结合，一直是监测体内松弛（"未淬灭"）和实际天线状态的标准方法。然而，从饱和脉冲信息中得出的荧光非光化学淬灭（基于 F 的非光化学淬灭，以下简称非光化学淬灭）除了快速非光化学淬灭成分（qE）外，还包含其他机制。与豌豆积累（qZ）以及叶绿体运动（qM）（Brugnoli & Björkman, 1992）和天线调节的状态转换（qT）（Krause & Jahns, 2004）等其他过程有关的较慢淬灭效应也可能影响 NPQF 参数，但不一定会增加多余激发能量的调节热耗散。这就进一步增加了仅根据 NPQF 参数来区分天线内能量再分配（如通过化学转换）、叶绿体吸收光避免和天线调节热耗散的复杂性。当太阳被用作光源时，利用地表太阳辐照度光谱中的某些吸收波段或利用过滤后的叶片表面辐照度从植被中获取被动发射的 ChlF 通常被称为太阳诱导荧光（SIF）（Meroni 等人，2009 年；Cendrero-Mateo 等人，2015 年；Mohammed 等人，2019 年）。从根本上说，ChlF 或 SIF 信号（此处定义为 650-850 纳米区域的总光子发射）还不能作为能量分配的直接指标（Porcar-Castell 等人，2014 年）。首先，需要对表面发射的荧光能量进行归一化，即计算荧光量子效率（FQE），其定义为发射的荧光光子与被 Chla 吸收的光子通量之比，即 APAR Chla（Van Wittenberghe 等人，2021b）。理论上，量子效率的范围可以从 0 到 1，但实际上，由于光合组织中高密度的 Chls 会产生强烈的再吸收，叶片确定的 FQE 是一个非常小的数量级（Agati 等人，1993 年；Pedrós 等人，2008 年；Frankenberg & Berry, 2018 年）。此外，由于光合量子产率和荧光量子产率并非总是呈线性关系，在胁迫下当然也是如此（Rosema 等人，1998 年；Porcar-Castell 等人，2014 年；van der Tol 等人，2014 年；Moreno，2021 年），因此需要提供有关调节散热的缺失信息。为此，通过光化学反射率指数（PRI），500-600 纳米吸光度变化已被用于遥感研究（Gamon 等人，1990 年；Gamon & Surfus, 1999 年）。PRI 的变化在短期内与 qE 密切相关（Ripullone 等人，1990 年；Gamon & Surfus，1999 年）。但由于与 Chls 的光谱重叠，色素池也会受到长期变化的影响（Wong & Gamon, 2015; Moncholi-Estornell 等人，2022 年）。为了独立于光谱重叠，通过光谱吸收特性的直接变化检索调节耗散，最近在色素吸收的光谱非混合方法中加入了 535-nm 特征（Van Wittenberghe 等人，2024 年）。然而，这种吸收非混合方案能否：检测快速调节散热的启动；以及解决荧光-光合成关系中的模糊性（这是目前遥感应用中的一个问题），还有待检验。为此，我们在番茄（Solanum lycopersicum L.）的时间历程实验中，采用光谱内含物非混合方法，同时获得了干旱和缺氮条件下的 FQE 和 535-nm 吸收特征。根据胁迫阶段的不同，预计 FQE 会先减后增，而 535-nm 吸收峰成分在两种处理中都会增加。我们的进一步目标是通过观察到的 FQE 和 535-nm 吸收峰变化来研究早期胁迫和恢复的诊断。我们的假设是，如果能在早期胁迫条件下检测到 535-nm 吸收峰（表明调节散热的快速分量），那么这一信息就能在光合作用下调的遥感诊断中与 FQE 相辅相成。

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New Phytologist 生物-植物科学

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.