葉綠素熒光成像技術應用—OJIP、Q_A再氧化、Kautsky分析Cd對擬南芥光合作用的影響

葉綠素熒光動力學（Kautsky誘導效應）主要用于區分光化學非光化學反應，獲得光化學效率等參數。而快速葉綠素熒光動力學（OJIP）則主要用以獲取與光系統（PS）尤其是光系統（PSⅡ）和電子傳遞元件的結構和功能有關的信息，如量子產率、PSⅡ受體到PSⅠ電子傳遞效率、光反應中心活性等。QA再氧化取決于QB接受電子的能力以及質體醌庫的氧化還原狀態，更針對性地研究光化學反應過程中QA-QB-PQ的電子傳遞狀態。

Küpper等科學家采用Fluorcam葉綠素熒光成像、FKM多光譜熒光動態顯微成像技術，通過OJIP、Q_A再氧化、Kautsky成像等測量方法，開展一系列實驗，分析在Zn/Cd影響下，擬南芥不同葉齡、不同部位的光合生理指標變化，從宏觀和顯微角度，在組織、細胞水平上更深入地研究了Cd毒性對擬南芥光合作用的影響。結果表明，從光合作用的異質抑制可以明顯看出不同組織對鎘的敏感性不同。

Fluorcam葉綠素熒光成像Kautsky誘導效應測量結果： Cd處理組葉肉與葉脈之間大光量子產量Fm、光系統飽和度（Fp-Fs）/Fp的差異比不同葉齡間的差異更明顯。另外，葉片的實際光量子效率ΦPSⅡ顯著受Cd毒性抑制，而NPQ則仍維持在較高水平。Cd毒性明顯抑制了PSⅡ的運行效率。

Fluorcam葉綠素熒光成像OJIP快速熒光動力學測量結果：OJIP曲線反映Cd誘導F0的增加，且葉脈中的F0變化程度更大，Cd影響下，曲線J-I相變平、J-P相熒光上升幅度變小。OJIP成像直觀顯示葉片光合狀態異質性以及光合作用對不同濃度Cd毒性的響應，Cd毒性導致光合電子傳遞效率下降。結果表明，葉脈比葉肉細胞對Cd毒性更敏感，光合反應的受抑制程度與Cd濃度呈線性關系。反映出Cd毒性對PSⅡ、PSⅡ到PSⅠ的逐步抑制。

左1：OJIP快速熒光淬滅動力學曲線（control:10μM Zn,Cd：50μM Cd處理2月）

左2：葉肉OJIP熒光參數；左3：葉脈OJIP熒光參數

OJIP熒光成像參數（control:10μM Zn,Cd15：15μM Cd處理2月，Cd75：75μM Cd處理2月）

ΦPo:PSⅡ原初光化學反應的大光量子產量；  ΦET2o：QA到QB的電子傳遞量子產量；

ΦRE1o：到PSⅠ的電子傳遞量子產量；        J^abs/RC:單位反應中心吸收的光量子通量

FKM多光譜熒光顯微成像Q_A再氧化測量結果：PSII反應中心被逐步抑制，QA、QB之間以及進一步向PSI受體的電子傳輸的量子產率降低，均與降低QA再氧化的動力學和降低PSII的運行效率相關。隨著Cd濃度增大，快相和慢相Q_A再氧化產率下降，進一步證明了Cd毒性導致電子傳遞受損。

葉肉細胞FKM多光譜熒光顯微成像Kautsky誘導效應測量結果：Zn對照組葉肉細胞的Fm、Fv/Fm等參數細胞間大小均勻，而Cd處理組部分細胞受到了明顯毒性抑制。Cd毒性在細胞水平的影響具有明顯異質性。

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參考文獻

1. Filis Morina , Hendrik Küpper. Direct inhibition of photosynthesis by Cd dominates over inhibition caused by micronutrient deficiency in the Cd/Zn hyperaccumulator Arabidopsis halleri [J]. Plant Physiology and Biochemistry,2020

2. Küpper, H., Benedikty, Z., Morina, F., et al. Analysis of OJIP Chlorophyll Fluorescence Kinetics and QA Reoxidation Kinetics by Direct Fast Imaging[J]. Plant Physiology, 2019