FluorCam叶绿素荧光成像技术应用案例 --- OJIP、QA再氧化、Kautsky分析Cd对拟南芥光合作用的影响

    叶绿素荧光动力学（Kautsky诱导效应）主要用于区分光化学非光化学反应，获得光化学效率等参数。而快速叶绿素荧光动力学（OJIP）则主要用以获取与光系统（PS）尤其是光系统（PSⅡ）和电子传递元件的结构和功能有关的信息，如量子产率、PSⅡ受体到PSⅠ电子传递效率、光反应中心活性等。QA再氧化取决于QB接受电子的能力以及质体醌库的氧化还原状态，更针对性地研究光化学反应过程中QA-QB-PQ的电子传递状态。

       Küpper等科学家采用Fluorcam叶绿素荧光成像、FKM多光谱荧光动态显微成像技术，通过OJIP、QA再氧化、Kautsky成像等测量方法，开展一系列实验，分析在Zn/Cd影响下，拟南芥不同叶龄、不同部位的光合生理指标变化，从宏观和显微角度，在组织、细胞水平上更深入地研究了Cd毒性对拟南芥光合作用的影响。结果表明，从光合作用的异质抑制可以明显看出不同组织对镉的敏感性不同。

Fluorcam叶绿素荧光成像Kautsky诱导效应测量结果： 

Cd处理组叶肉与叶脉之间最大光量子产量Fm、光系统饱和度（Fp-Fs）/Fp的差异比不同叶龄间的差异更明显。另外，叶片的实际光量子效率ΦPSⅡ显著受Cd毒性抑制，而NPQ则仍维持在较高水平。Cd毒性明显抑制了PSⅡ的运行效率。

Fluorcam叶绿素荧光成像OJIP快速荧光动力学测量结果：

OJIP曲线反映Cd诱导F0的增加，且叶脉中的F0变化程度更大，Cd影响下，曲线J-I相变平、J-P相荧光上升幅度变小。OJIP成像直观显示叶片光合状态异质性以及光合作用对不同浓度Cd毒性的响应，Cd毒性导致光合电子传递效率下降。结果表明，叶脉比叶肉细胞对Cd毒性更敏感，光合反应的受抑制程度与Cd浓度呈线性关系。反映出Cd毒性对PSⅡ、PSⅡ到PSⅠ的逐步抑制。

左1：OJIP快速荧光淬灭动力学曲线（control:10μM Zn,Cd：50μM Cd处理2月）

左2：叶肉OJIP荧光参数；左3：叶脉OJIP荧光参数

OJIP荧光成像参数（control:10μM Zn,Cd15：15μM Cd处理2月，Cd75：75μM Cd处理2月）

ΦPo:PSⅡ原初光化学反应的最大光量子产量；  ΦET2o：QA到QB的电子传递量子产量；

ΦRE1o：到PSⅠ的电子传递量子产量；        Jabs/RC:单位反应中心吸收的光量子通量

FKM多光谱荧光显微成像QA再氧化测量结果：

PSII反应中心被逐步抑制，QA、QB之间以及进一步向PSI受体的电子传输的量子产率降低，均与降低QA再氧化的动力学和降低PSII的运行效率相关。随着Cd浓度增大，快相和慢相QA再氧化产率下降，进一步证明了Cd毒性导致电子传递受损。

叶肉细胞FKM多光谱荧光显微成像Kautsky诱导效应测量结果：

Zn对照组叶肉细胞的Fm、Fv/Fm等参数细胞间大小均匀，而Cd处理组部分细胞受到了明显毒性抑制。Cd毒性在细胞水平的影响具有明显异质性。

 参考文献 

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