利用叶绿素荧光成像检测苹果低氧胁迫和低氧存储耐受水平

       FluorCam叶绿素荧光成像系统不只在植物研究领域应用广泛，在检测水果储存方面也具有相当大的应用潜力。近两年发表的两篇文章便将FluorCam与气调技术结合设计了一套果实低氧存储检测装置，来通过叶绿素荧光成像深入研究苹果低氧胁迫下的荧光动力学变化，探索更优的果实存储方案。

       商业化生产的苹果（Malus x domestica Borkh.）正在越来越多地以Dynamic Controlled Atmosphere（DCA，动态调控气体）形式存储，通过改变气调室内的气体组成（氧气O2和二氧化碳CO2）以及降低温度来延长苹果的保质期。 Lower Oxygen Limit（LOL）是水果能够容忍的zui低氧气水平，低于LOL的氧气水平，果实细胞的代谢就会从有氧变为发酵，从而导致发酵产物（如乙醛、乙醇和乙酸乙酯）的积累，影响果实品质。在DCA存储中，苹果一般存储在LOL+0.2-0.3 kPa O2的范围内，因此，了解LOL对于果实DCA储存至关重要。

       叶绿素荧光测量是确定LOL的常用方法之一，当然，相比非成像荧光测量，叶绿素荧光成像测量可以检测光合活性的空间异质性，更具优势。同时，叶绿素荧光测量技术也逐渐被用来监测低氧胁迫对水果的影响，有研究表明，Fo是检测植物和果实低氧胁迫的敏感参数。但这其中的关联机制尚不清晰，显然，有氧呼吸（线粒体）、发酵（细胞质）和叶绿素荧光（来自叶绿体和光系统PSII）的增加之间存在着某种关系（Wright et al.，2012）。

       2022年Schlie等人为了进一步了解苹果在贮藏过程中的荧光异质性，以及开发一种识别LOL的方法，利用FluorCam荧光成像系统对在足够的氧水平和低氧胁迫条件下处理的“Braeburn”和“Golden Delicious”两种苹果进行了测量。

“Golden Delicious”果实图像和叶绿素荧光参数Fo、Fm、Fv、Fv/Fm成像图

       结果可知，在低氧水平下，苹果的Fo升高，而Fv/Fm则降低，而二维成像图则展示了荧光变化的空间差异。得益于FluorCam二维成像技术的优点，我们不只可以获得由成千上万个像素组成的测量目标的荧光参数的平均值，还可以获得代表不同像素荧光空间分布的直方图，本文直方图分割计算，探索出一种识别LOL的新方法。提出的方法不仅适用于苹果，还可以用于其他类型的水果。

左图，文中不同参数的荧光参数直方图；右图，FluorCam软件参数直方图结果示例

       在之前研究的基础上，Schlie又进一步设计了实验，更深入地了解苹果在低氧胁迫下叶绿素荧光动态响应，特别是与空间分布的关系。研究中同样使用FluorCam运行叶绿素荧光动力学测量程序，对苹果低氧胁迫进行了早期检测，并探讨除了zui小荧光（Fo）参数之外，是否还有其他参数可以用来检测苹果的低氧胁迫。

研究中设计的实验装置示意图

        研究中，分别对18℃和2℃环境下，不同氧气含量的苹果果实进行了叶绿素荧光成像，使用的是FluorCam的Quenching程序（非光化学荧光淬灭动力学测量程序）。

对同一苹果果实作不同处理

       成像测量结果表明，随着氧含量下降，Fo升高，尤其在＜0.02KPa的发酵阶段，Fo显著升高。而Fv/Fm（暗适应下的zui大光量子通量）随着氧含量的下降而降低，说明低氧胁迫引起了苹果光合效率的下降。

不同参数的叶绿素荧光成像图

       同时，对通过FluorCam获得的荧光动力学曲线分析发现，在有氧和低氧发酵条件下，荧光动态曲线存在差异。在发酵条件下，饱和脉冲期间荧光强度下降。尤其在2°C的条件下，发酵产物积累之前，荧光动态曲线就已经发生变化。

       另外，文中还分析了多个其他荧光参数的变化，包括NPQ（非光化学荧光淬灭）、ɸPSII（PSII量子产额）等，都可以指征低氧胁迫对苹果生理变化的影响。这篇研究报告为如何利用叶绿素荧光技术来监测和优化苹果在储存过程中的低氧胁迫反应的深入见解。

       这两篇研究的方法和结论也为探索蔬菜、其他水果等的动态气调室存储方案，检测新鲜果蔬的存储品质等提供了极具价值的参考，并且还可适用于检测CO2含量、低温、水分流失等在果蔬存储中起到的作用。

参考文献：

[1] Schlie T P, Dierend W, Köpcke D, et al. Detecting low-oxygen stress of stored apples using chlorophyll fluorescence imaging and histogram division[J]. Postharvest Biology and Technology, 2022, 189: 111901.

[2] Schlie, Tim-Pascal, et al. "Recording of Low-Oxygen Stress Response Using Chlorophyll Fluorescence Kinetics in Apple Fruit." Food and Bioprocess Technology 17.4 (2024): 1004-1016.