臭氧对黄豆叶片的急慢性毒性作用研究,采用气体交换与叶绿素荧光成像结合方式(LI-6400XT与CF Imager)

【字体: 时间:2014年03月27日 来源:北京力高泰

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  通过结合使用CF Imager与LI-6400XT两种仪器,本文探索臭氧(O3)对于叶片的急慢性毒性作用。

调制式叶绿素a荧光成像系统(CF Imager,Technologica,UK)可原位、定量、可视化测量叶片不同部位PSⅡ的电子传递效率Fq′/Fm′(Baker & Oxborough 2004;Oxborough 2004b);也可以用于检验植物的生理变化过程和胁迫:例如叶片不同部位的CO2同化速率(Genty & Meyer 1994)、叶片不同部位的胞间二氧化碳浓度Ci(Meyer & Genty 1998);探索植物的生理节律(Rascher et al.2001);间接评价动物啃食对植物生理的影响(Aldea et al.2005);观测气孔的聚块分布(West et al.2005)以及解释植物-病菌的相互作用(Chaerle et al.2004)等。

通过结合使用CF Imager与LI-6400XT两种仪器,本文探索臭氧(O3)对于叶片的急慢性毒性作用。

Fv′/Fm′是光下PSⅡ最大的量子效率,其大小反映了PSⅡ反应中心的相对完整性。一般情况下,其值下降会伴随PSⅡ反应中心受损或PSⅡ的下调(Baker & Oxborough 2004)。Fq′/Fv′与QA库的氧化状态成非线性相关关系。Fq′/Fv′减小可以归因于PSⅡ电子传递下游的改变,包括1-5二磷酸核酮糖羧化/加氧酶(Rubisco)以及卡尔文循环的变化(Baker & Oxborough 2004)。

荧光数据的空间分析可以提供叶片臭氧(O3)急慢性毒性效应的更深入的机理解释。如果叶片的急慢性暴露实验的损伤机制是一样的,例如细胞的程序化死亡(PCD),应该可以观测到叶片尺度上相似的损伤模式。本文即通过对叶片光合作用气体交换参数与荧光参数的同步测量,利用空间分析技术定量评价植物叶片的光合作用的损伤机制。实验材料是黄豆(Glycine max cv. NE3399)。有研究表明,这种主要的粮食作物对臭氧(O3)变化非常敏感(Ashmore & Marshall 1999)。

图1 急性暴露实验400ppb暴露6h。黑条(■)是O3处理的,白条(□)是对照处理(n=4)。(a)电子传递效率(Fq′/Fm′);(b)叶片的净光合速率(A);(c)Fq′/Fm′的空间异质性参数(NbrSD),数据表示为Mean±SE,*表示p<0.05。

图2 慢性暴露实验90ppb[O3],8h/d,28d。●是O3暴露处理,○是对照处理。(a)是电子传递效率Fq′/Fm′(●);(b)叶片净光合速率(A)(■);(c)Fq′/Fm′的空间异质性参数(NbrSD)(▲)。数据表示为MEAN±SE,p值如表中所示。

图3 叶片尺度不同处理数字照片与荧光参数直观成像结果。第一排是数字照片,第二排是荧光参数Fv/Fm假彩色合成图片,第三排是荧光参数的频度直方图。(a)是对照组叶片;(b)是6h 400ppb急性暴露实验;(c)是90ppb[O3]8h/d暴露28d实验组。

图4 叶片不同部位(从基部到顶端)的Fv/Fm。(a)急性暴露实验400ppb 6h,数据表示为MEAN±SE;(b)慢性暴露实验90ppb[O3] 8h/d 暴露28d;数据表示为MEAN±SE;(c)两种不同处理Fv/Fm与对照组的比值;(d)p值列表。

结论:两种不同的实验处理均使得叶片的CO2同化速率较对照组下降了40%,PSⅡ效率下降了20%,但是急性暴露实验荧光参数的空间异质性更高。急性暴露实验Fq′/Fm′的下降源自PSⅡ最大量子效率以及反应中心开放比例的下降;而慢性暴露实验Fq′/Fm′的下降只与第一个因素的下降有关。因此,两种处理对叶片的损伤机制是不同的,野外实验中采取单一的实验处理并不能全面阐述叶片的损伤机制。

引自【Is a short, sharp shock equivalent to long-term punishment? Contrasting the spatial pattern of acute and chronic ozone damage to soybean leaves via chlorophyll fluorescence imaging】 CHARLES  2009

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