評估化學(xué)脅迫下微藻非光化學(xué)淬滅對溫度和光照相互作用的新方法

基于葉綠素a熒光評估光合生物生理狀態(tài)的方法是近50多年來植物和微藻研究的首選技術(shù)。葉綠素?zé)晒庾鳛闊o損的探針可以直接探測細(xì)胞的光合機(jī)制，特別是光系統(tǒng)II（PSII），另外，一定程度上也可以探測到光系統(tǒng)I（PSI）。葉綠素?zé)晒獾难芯拷Y(jié)果可以用來理解光合生物體的生理過程，但也不僅限于此，因?yàn)榇蠖鄶?shù)生物代謝途徑直接或間接地依賴于光合作用。多年來，研究人員已經(jīng)開發(fā)了大量葉綠素a熒光測量的技術(shù)和方法并得到了廣泛用的應(yīng)用，例如直接閃光誘導(dǎo)熒光，脈沖幅度調(diào)制熒光（PAM），高分辨率快速熒光誘導(dǎo)，快速重復(fù)頻率熒光（fRRF），以及星載的地面熒光觀測。所使用的儀器最初是由研究人員自己制造的，后來漸漸地商業(yè)化。其中一種儀器是德國WALZ公司生產(chǎn)的IMAGING-PAM，它通過CCD相機(jī)測量葉綠素a熒光并將熒光數(shù)據(jù)圖像化。葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時測量多個樣品或大型光合生物的多個區(qū)域，可以輕松評估樣品的異質(zhì)性。

了解溫度、光照、營養(yǎng)物質(zhì)、pH值和CO2等多種非生物脅迫對光合生物生理性能的交互影響是預(yù)測和理解植物應(yīng)對氣候變化響應(yīng)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)上，評估以上多重脅迫的相互作用既費(fèi)時又費(fèi)力，亟需新的方法來改善這類研究過程。近日，New BIOTECHNOLOGY (IF=5.1)雜志刊登了悉尼科技大學(xué)Andrei Herdean的最新研究文章“Phenoplate: An innovative methodfor assessing interacting effects of temperature and light on non-photochemicalquenching in microalgae under chemical stress”。文章中作者展示了一個新的實(shí)驗(yàn)方案，用于同時沿多個脅迫梯度進(jìn)行高通量光生理測量。具體方案的細(xì)節(jié)是通過將IMAGING-PAM與實(shí)驗(yàn)室PCR實(shí)驗(yàn)中廣泛使用的熱循環(huán)儀相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 Phenoplate方案及示例數(shù)據(jù)：IMAGING-PAM+熱循環(huán)儀，示例數(shù)據(jù)

上述文章的實(shí)驗(yàn)旨在研究微藻對多種環(huán)境脅迫相互作用的短期響應(yīng)，從而揭示其部分表型。改變不同樣品中磷（P）的含量，目的是為了限制其對類囊體膜ATP合酶的可用性，以觀察這種限制如何影響光合對不同溫度的反應(yīng)。表型組學(xué)是藻類研究中的一門新興學(xué)科，將在一系列生物技術(shù)應(yīng)用中產(chǎn)生廣泛影響；然而，開發(fā)新的工具以滿足在特定系列條件下快速篩選多個菌株/物種/突變體仍然是一個技術(shù)難題。現(xiàn)在，Phenoplate的出現(xiàn)必將為此類研究學(xué)科的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，作者將該類實(shí)驗(yàn)過程命名為“Phenoplate Analysis”。

快速光照曲線是評估光合生物生理狀態(tài)使用最廣泛的方法之一。該方法在過去20年中已應(yīng)用于一系列生理學(xué)研究，但它在適應(yīng)多參數(shù)表型的現(xiàn)代應(yīng)用中進(jìn)展甚微。為了推進(jìn)快速光曲線應(yīng)用于評估多種因素生理影響的研究，開發(fā)了Phenoplate。Phenoplate可以用于同時評估溫度和光梯度。研究人員把它用于測量三種海洋微藻在溫度梯度上的快速光照曲線，并疊加不同磷含量處理，改變磷酸鹽的可用性。結(jié)果表明，在較低溫度下，Tetraselmis sp.藻光保護(hù)機(jī)制的激活效率較高，當(dāng)溫度超過一定閾值時，光保護(hù)的弛豫受到負(fù)面影響。此外，研究結(jié)果還觀察到Thalassiosira pseudonana 和Nannochloropsis oceanica 表現(xiàn)出兩種獨(dú)特的延遲非光化學(xué)淬滅特征：分別是弱光低溫和黑暗高溫組合。這些發(fā)現(xiàn)表明，這些發(fā)現(xiàn)表明，Phenoplate方法可以作為一種快速而簡單的工具來深入了解微藻的光生物學(xué)特性。以下是部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
 

圖2 三種藻在不同溫度下光系統(tǒng)II的相對電子傳遞速率

圖3 三種藻在不同溫度和磷含量下光系統(tǒng)II的相對電子傳遞速率

圖4 不同磷含量處理?xiàng)l件下生長的Tetraselmis sp.藻的NPQ數(shù)據(jù)變化

圖5 三種藻在不同溫度，磷含量處理下光曲線+暗弛豫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與差異

—— 原文 ——
Herdean A, Sutherland D, Ralph P. Phenoplate: an innovative method for assessing interacting effects of temperature and light on non-photochemical quenching in microalgae under chemical stress. New Biotechnology, 2021.