光合熒光同步測量：促進番茄生長的溫室光轉換涂層也有副作用？
俄羅斯科研人員將一種含氟聚合物的涂層應用在溫室大棚的塑料薄膜上，該涂層可將有害的UV-A和紫光轉換為對植物有用的藍光和紅光。這一轉換可促進番茄的生長和光合作用。但是，在應用了新型涂層的大棚中，植物的耐熱能力卻出現了下降�？蒲腥藛T使用德國WALZ公司的GFS-3000光合-熒光測量系統(tǒng)與Dual-PAM-100雙通道葉綠素熒光儀聯用，對這一過程進行了深入研究。發(fā)現通常可提高抗逆能力的脅迫電信號對光合機構的保護作用減弱了，這一現象可以通過H2O2濃度的降低來解釋。因此，在生產實踐中，當使用光轉換技術時，需更加注意植物生長過程中栽培條件的穩(wěn)定。開發(fā)新的光配方時也應更細致地完善相關實證研究。
提高溫室的效率是農業(yè)中的一個緊迫問題。在溫帶和極地地區(qū)，最嚴重的問題之一是光照不足，特別是在光合反應過程中使用的波長。這個問題可以通過使用LED或其他光源的主動補光來解決。然而，這種方法卻提高了經濟和能源成本，并導致碳足跡的增加。另一種方法是使用薄膜和涂層進行被動光譜校正。迄今為止，溫室光活性涂層的研究主要集中在三個方面：對近紅外輻射的保護、對UV輻射的保護以及將非光合活性光譜范圍的光子轉換為藍光和紅光。后一種方法似乎特別有前途，因為它對各種植物的形態(tài)計量參數和生理過程的活性具有顯著的刺激作用。
除了植物的生產力外，抵抗各種脅迫影響也非常重要。在溫室條件下，對植物最重要的損害因素是晴天的高溫和各種病原生物。對于在整個植物水平上形成對應激源的復雜抗性，遠距離應激信號是重要的一種。通常，信號在植物最脆弱或敏感的區(qū)域產生，例如在上部幼葉中，然后傳播到全身，調節(jié)細胞內信號通路和生理過程的活性，從而導致抗性增加。根據性質，遠距離脅迫信號可細分為幾種類型，每種類型都由其自身的一組壓力源引起，并具有特征性的傳播速度和覆蓋范圍。主要有液壓、化學和電信號三種。電信號（ES）代表細胞膜上電位的一波變化，在快速增長的應激源的作用下尤其令人感興趣，需要在整個植物的水平上快速提高抗性。ROS和Ca2+信號系統(tǒng)參與ES的產生和增殖。Ca2+可能通過ROS激活的陽離子通道進入細胞，導致陰離子通道打開和質子ATP酶失活，由此產生電信號。這些信號由廣泛的刺激引起，包括溫度、濕度、過度照明和食葉昆蟲的啃食。ES以mm×s-1數量級的速度在植物中傳播，導致功能反應，首先，暫時抑制光合作用和蒸騰作用的光依賴和非光依賴反應，這使植物能夠以最小的損害度過不利時期。需要注意的是，參與長距離信號傳導的ROS和Ca2+系統(tǒng)受到光照的調節(jié)。
之前的研究發(fā)現含氟聚合物涂層可將UV-A和紫光轉換為藍光和紅光，從而刺激植物的生長、發(fā)育和產量，但抑制熱誘導的電信號。本文通過光合熒光同步測量技術進一步研究了這些光轉換涂層對電信號誘導的番茄植物對熱脅迫抗性的影響。
為了同時獲得光合同化速率、蒸騰速率、PSII和PSI的活性等信息，研究中使用了GFS-3000光合-熒光測量系統(tǒng)與Dual-PAM-100雙通道葉綠素熒光儀，兩者通過3010-Dual聯用葉室（Heinz Walz GmbH, Germany）進行了同步測量。
圖2 光轉換涂層對番茄植株葉面積的影響：（a，b）對照番茄植株的照片和使用ImageJ宏計算葉面積的“掩模”；（c） 對照植株和使用光轉換涂層（PhC）生長的植株的葉面積變化動態(tài)。*：p<0.05。
圖3 光轉換涂層對番茄植株光合作用活性和蒸騰強度的影響：（a）對照番茄植株對光照的吸收和蒸騰反應的典型記錄；（b–d）光轉換涂層對同化水平、蒸騰強度和細胞間隙CO2濃度的影響；（e） 對照番茄植株的光合作用對光照開啟的光驅動反應的典型記錄；（f） 光轉換涂層對光合作用光驅動反應的影響。A：CO2同化；E： 蒸騰作用；ci：細胞間隙CO2濃度；Fv/Fm：PSII光化學效率；ΦPSI和ΦPSII：光系統(tǒng)I和II光化學反應的量子產率；NPQ：熒光的非光化學猝滅；PhC：光轉換。*：p<0.05。
圖4 光轉換涂層對番茄植株耐熱性的影響，這由加熱后生理過程的殘余活性表征：（a）同化的殘余活性；（b） 蒸騰殘余活性；（c） 光驅動光合作用反應的殘余活性。剩余活性以百分比表示，其中100%對應于HS之前的水平。測量方案顯示在左側。首先記錄光合作用水平（方案中為灰色矩形）；然后，植物在46°C的溫度下經受45分鐘的熱應激（方案中為紅色矩形）。熱脅迫后1小時記錄光合作用的殘留水平。A：CO2同化；E： 蒸騰作用；Fv/Fm：PSII光化學效率；ΦPSI和ΦPSII：光系統(tǒng)I和II光化學反應的量子產率；NPQ：熒光的非光化學猝滅；PhC：光轉換。*：“HS后”和“HS前”之間的差異顯著，p<0.05；#：“對照”和“光轉換”之間的差異顯著，p<0.05。
圖5 番茄植株中的局部加熱感應電信號：（a）對照番茄植株電信號的測量方案和典型記錄。電信號是通過用加熱至55°C的水逐漸加熱試管中的上部成葉尖端而產生的。用電極（El）記錄加熱葉片葉柄上的電勢。光合參數由第二片頂部成葉測得。（b）對照番茄植株的電信號引起的同化和蒸騰反應。（c） 對照番茄植株的電信號引起的光驅動光合作用的反應。A：CO2同化；E： 蒸騰作用；Fv/Fm：潛在量子產率；ΦPSI和ΦPSII：光系統(tǒng)I和II光化學反應的量子產率；NPQ：熒光的非光化學猝滅。
圖6 光轉換涂層對電信號誘導的番茄植株耐熱能力的影響，這由加熱后生理過程的殘余活性表征：（a）同化的殘余活性；（b） 蒸騰殘余活性；（c–f）光驅動光合作用反應的殘余活性。剩余活性以百分比表示，其中100%對應于HS之前的水平。測量方案顯示在左側。首先記錄光合作用水平（方案中為灰色矩形）；然后，在一半的植物中，ES是由頂部葉片的短期加熱誘導的（方案中的橙色矩形和箭頭）；45分鐘后，所有植物在46°C的溫度下經受45分鐘的熱應激（方案中為粉紅色矩形）。熱脅迫后1小時記錄光合作用的殘留水平。A：CO2同化；E： 蒸騰作用；Fv/Fm: PSII光化學效率；ΦPSI和ΦPSII：光系統(tǒng)I和II光化學反應的量子產率；NPQ：熒光的非光化學猝滅；PhC: 光轉換。*: “無ES”和“有ES”之間的差異顯著，p<0.05；#: “對照”和“光轉換”之間的差異顯著，p<0.05。
圖7 光轉換涂層對番茄植株葉片中H2O2含量的影響：（a，b）對照番茄植株和在光轉換涂層下生長的植株葉片的照片，用DAB染色；（c） 對照植物和在光轉換涂層下生長的植物葉片中H2O2的相對含量。*: p<0.05。
便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)——GFS-3000
• 通過測量 P515/535 信號變化測量跨膜質子動力勢 pmf 及其組分跨膜質子梯度 ΔpH 和跨膜電位 Δψ
• "P515 Flux"信號能原位反映活體樣品處于穩(wěn)態(tài)的偶聯電子和質子的流動速率
• 通過測量 NADPH 熒光估算 NADP 的還原程度
• 通過測量 9-AA 熒光來估算跨膜質子梯度ΔpH
提高溫室的效率是農業(yè)中的一個緊迫問題。在溫帶和極地地區(qū)，最嚴重的問題之一是光照不足，特別是在光合反應過程中使用的波長。這個問題可以通過使用LED或其他光源的主動補光來解決。然而，這種方法卻提高了經濟和能源成本，并導致碳足跡的增加。另一種方法是使用薄膜和涂層進行被動光譜校正。迄今為止，溫室光活性涂層的研究主要集中在三個方面：對近紅外輻射的保護、對UV輻射的保護以及將非光合活性光譜范圍的光子轉換為藍光和紅光。后一種方法似乎特別有前途，因為它對各種植物的形態(tài)計量參數和生理過程的活性具有顯著的刺激作用。
除了植物的生產力外，抵抗各種脅迫影響也非常重要。在溫室條件下，對植物最重要的損害因素是晴天的高溫和各種病原生物。對于在整個植物水平上形成對應激源的復雜抗性，遠距離應激信號是重要的一種。通常，信號在植物最脆弱或敏感的區(qū)域產生，例如在上部幼葉中，然后傳播到全身，調節(jié)細胞內信號通路和生理過程的活性，從而導致抗性增加。根據性質，遠距離脅迫信號可細分為幾種類型，每種類型都由其自身的一組壓力源引起，并具有特征性的傳播速度和覆蓋范圍。主要有液壓、化學和電信號三種。電信號（ES）代表細胞膜上電位的一波變化，在快速增長的應激源的作用下尤其令人感興趣，需要在整個植物的水平上快速提高抗性。ROS和Ca2+信號系統(tǒng)參與ES的產生和增殖。Ca2+可能通過ROS激活的陽離子通道進入細胞，導致陰離子通道打開和質子ATP酶失活，由此產生電信號。這些信號由廣泛的刺激引起，包括溫度、濕度、過度照明和食葉昆蟲的啃食。ES以mm×s-1數量級的速度在植物中傳播，導致功能反應，首先，暫時抑制光合作用和蒸騰作用的光依賴和非光依賴反應，這使植物能夠以最小的損害度過不利時期。需要注意的是，參與長距離信號傳導的ROS和Ca2+系統(tǒng)受到光照的調節(jié)。
之前的研究發(fā)現含氟聚合物涂層可將UV-A和紫光轉換為藍光和紅光，從而刺激植物的生長、發(fā)育和產量，但抑制熱誘導的電信號。本文通過光合熒光同步測量技術進一步研究了這些光轉換涂層對電信號誘導的番茄植物對熱脅迫抗性的影響。
為了同時獲得光合同化速率、蒸騰速率、PSII和PSI的活性等信息，研究中使用了GFS-3000光合-熒光測量系統(tǒng)與Dual-PAM-100雙通道葉綠素熒光儀，兩者通過3010-Dual聯用葉室（Heinz Walz GmbH, Germany）進行了同步測量。
圖1 （a） 含熒光團和金納米顆粒的含氟聚合物膜的歸一化光致發(fā)光光譜（實線），不含光轉換成分（虛線）；（b） 含氟聚合物光轉換膜和含氟聚合物均衡濾波器的光譜強度之間的差異。研究使用了中國深圳產UV紫外光源。
溫室的光轉換涂層增加了番茄植株的大小，并激活了光合作用過程。由于光質的改變以及此類植物組織中ROS相關含量可能降低，開發(fā)計劃可能轉向產量，從而損害保護功能。使用光轉換技術培養(yǎng)的植物對熱脅迫的抵抗力降低，而且遠距離電信號對抵抗力的調節(jié)也不那么明顯。因此，當使用光轉換技術時，有必要更加注意在植物栽培期間保持穩(wěn)定的條件。為改進溫室植物的實際生產而開發(fā)具體方法需要進行額外的實驗研究，包括對光源的各種選擇，這些光源可以密切模擬日光和溫室中傳統(tǒng)使用的光源。
—— 參考文獻 ——
Grinberg M, Gromova E, Grishina A, et al. Effect of Photoconversion Coatings for Greenhouses on Electrical Signal-Induced Resistance to Heat Stress of Tomato Plants[J]. Plants, 2022, 11(2): 229.便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)——GFS-3000
GFS-3000光合-熒光測量系統(tǒng)，采用先進的雙頻斬波技術，同時監(jiān)測差分信號和絕對信號，全面優(yōu)化后的分析器的精度更高，穩(wěn)定性更好；智能環(huán)境的控制系統(tǒng)可寬范圍的控制實驗條件，使得儀器在較苛刻條件下測量成為可能；同時GFS-3000可與多種熒光儀或熒光附件進行聯用，實現光合-熒光的同步測量。
雙通道調制葉綠素熒光儀——DUAL-PAM-100
同步測量PSII活性（葉綠素熒光）、PSI活性（P700）的氧化還原變化。擴展功能：• 通過測量 P515/535 信號變化測量跨膜質子動力勢 pmf 及其組分跨膜質子梯度 ΔpH 和跨膜電位 Δψ
• "P515 Flux"信號能原位反映活體樣品處于穩(wěn)態(tài)的偶聯電子和質子的流動速率
• 通過測量 NADPH 熒光估算 NADP 的還原程度
• 通過測量 9-AA 熒光來估算跨膜質子梯度ΔpH
GFS-3000與DUAL-PAM-100聯用
GFS-3000與DUAL-PAM-100聯用，做到了同步測量光合作用暗反應氣體交換和光反應葉綠素熒光與P700差式吸收，此外還可以擴展測量跨膜質子梯度ΔpH和跨膜電位ΔΨ。
電話：021-32555118
郵箱：sales@zealquest.com
