易科泰叶绿素荧光成像技术应用于园艺科学研究—热带水果

易科泰叶绿素荧光成像技术

应用于园艺科学研究

—热带水果

FluorCam叶绿素荧光成像技术能够灵敏、快捷、无损地测量植物光合能力、光合电子传递链功能和光系统逆境响应，因此从技术问世之初就被广泛应用于花卉、水果、蔬菜等园艺植物研究中。在水果相关研究中，FluorCam既可以针对果树叶片进行光合与抗逆研究，也可以直接测量果实的逆境损伤与采后保存研究，乃至果实本身的光合贡献与产量的关系。

柠檬、梨、苹果的FluorCam叶绿素荧光成像图（Obenland,    2005; Liang, 2019; Zhao, 2021）

除了苹果、梨、西瓜、甜瓜等温带水果外，热带水果也是重要的研究对象。下面介绍部分近期研究案例：

1、香蕉冷害损伤评估

香蕉果实对冷害非常敏感，很容易在采后保存过程中造成品质损失。德国莱布尼茨农业工程和生物经济研究所利用FluorCam叶绿素荧光成像系统和FluorPen手持式叶绿素荧光仪测量了冷害对香蕉果实的Z 大光化学效率Fv/Fm、性能指数PIABS、Z 大初级PSII产额Fv/Fo、Z 大荧光Fm、可变荧光Fv等，发现5℃, 10℃，11.5℃和13℃的低温处理对香蕉果实的光合活性和光保护都造成了不同程度的影响。同时结合高光谱数据如归一化植被指数NDVI、光化学反射指数PRI、叶绿素/类胡萝卜素比率、类胡萝卜素指数等解释香蕉中相关色素的含量变化，能够更好地了解冷害过程中的生理变化。这一研究将进一步改进果实冷害监控和预测技术。

不同温度处理下香蕉外观表现

不同温度处理下PIABS、Fv/Fo变化曲线

左图：不同温度处理下Fv/Fm、Fm、Fv变化曲线；

右图：不同温度处理下NDVI、PRI、叶绿素/类胡萝卜素比率、类胡萝卜素指数变化曲线；

2、高温造成木瓜叶片的

光化学损伤

木瓜是一种热带和亚热带水果，但在其Z适度以上的温度环境下，其光合系统也会受损。巴西State University of North Fluminense的研究人员将两个基因型的木瓜叶圆片放到水浴中进行不同温度、不同时长的处理。通过FluorCam叶绿素荧光成像系统，测量了木瓜叶圆片的Z小荧光Fo、Z 大荧光Fm、Z 大光化学效率QYmax（即Fv/Fm）、光稳态实际量子产额QYLss（也称为实际光化学效率）、非光化学淬灭系数NPQ（与光系统热耗散相关，同时反映植物光保护能力）、荧光衰减比率Rfd（也称为活力指数）。

FluorCam能够同时测量多个叶圆片，既大大减轻工作量，也能够缩短实验时间，减少因为测量时间差异造成的误差。而在测量计算相关荧光参数时，同步获取的荧光成像图能够非常直观地反映出光合系统的热胁迫响应过程。如随胁迫处理程度加重，NPQ先升高再降低，即反映了光系统的光保护机制激活-逐渐增强-逐渐降低-失活的过程。研究结果认为Rfd从40℃15分钟处理开始的下降即表明木瓜叶片的光化学效率受损。

Fo、Fm、QYmax、QYLss的

叶绿素荧光成像图

NPQLss、NPQD、Rfd的

叶绿素荧光成像图

3、根内生真菌增强香蕉抗病能力

根内生真菌Serendipita indica广泛存在于包括香蕉的多种宿主植物中，同时为其宿主带来多种益处。香蕉在全 球都受到一种土壤真菌病原体Fusarium oxysporum f. sp. cubense(Foc)的威胁。福建农林大学的研究人员希望利用Serendipita indica改善香蕉对Foc的抗性。

根系病害通常都会经过植物内部传导，造成植物叶片光合系统的改变与损伤。因此利用FluorCam叶绿素荧光成像技术来检测根系病害由来已久。本研究中，FluorCam对分别接种了内生真菌和病原菌的香蕉叶片，测量并计算了Z 大光化学效率Fv/Fm、PSII光化学能量转化量子产额Y(II)（即QY）、PS II调节性能量耗散的量子产额Y(NPQ)、PS II非调节性能量耗散的量子产额Y(NO)。若Y(NO)较高，则表明光化学能量转换和保护性的调节机制（如热耗散）不足以将植物吸收的光能完全消耗掉。Y(NO)是光损伤的重要指标。

左图：接种内生真菌和病原菌的香蕉根系症状；

右图：接种内生真菌和病原菌的香蕉叶片叶绿素荧光数据图

结果发现，Y(II)和Y(NPQ)在不同处理间没有显著差异。接种Foc显著降低了Fv/Fm，同时接种内生真菌与Foc的叶片Fv/Fm则要显著高于只接种Foc。只接种Foc显著提高了Y(NO)，而接种内生真菌与Foc的叶片则与对照组和只接种内生真菌相近。说明内生真菌部分补偿了病害造成的光合能力降低，并回复了其光保护调节能力。

4、多种热带水果叶片的

耐脱水能力评估

印度农业研究理事会将多种水果的叶片进行离体脱水处理，通过FluorCam叶绿素荧光成像系统来评估其耐脱水能力。研究成果可用于水资源管理、缓解非生物胁迫的新型农业化学品功效评估等。

研究的水果包括酸橙、葡萄、刺黄果、芒果、山榄果和甜橙的叶片。所有的样品都由于脱水造成Z 大光化学效率QYmax的降低。而山榄果和甜橙的PSII耐脱水能力则要高于芒果和葡萄。

左图：不同水果叶片QYmax叶绿素荧光成像图;

右图：不同水果叶片荧光参数的脱水时间动态曲线;

参考文献

1. Herppich W B, Zsom T. Comprehensive Assessment of the Dynamics of Banana Chilling Injury by Advanced Optical Techniques. Applied Sciences, 2021, 11(23): 11433.

2. Souza G A R, de Andrade Neves D, Ruas K F, et al. Supra-Optimal Temperatures Induce Photochemical Leaf Damages and Reduce Photosynthetic O2 Evolution in Carica Papaya L. Genotypes. Environmental and Experimental Botany 2022, 203: 105051

3. Cheng C, et al. The root endophytic fungus Serendipita indica improves resistance of Banana to Fusarium oxysporum f. sp. cubensetropical race 4. European Journal of Plant Pathology 2020,156: 87–100

4. Rane J, et al. 2021. Desiccation tolerance of Photosystem II in dryland fruit crops. Scientia Horticulturae 288: 110295

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