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2015年10

植物表型研究、调制叶绿素仪荧光仪、便携式光合-荧光测量系统


农学院 朱建楚

 

 

承蒙西北农林科技大学科学技术发展研究院及农学院院的大力支持,我于20151013日至1020日在上海泽泉科技股份有限公司位于浦东新区张江镇孙桥农业示范园上海乾菲诺(AgriPhenoTM)农业科技有限公司对植物表型研究、调制叶绿素仪荧光仪、便携式光合荧光测量系统等设备进行了为期7天的操作培训和学习。

 上海乾菲诺(AgriPhenoTM)农业科技有限公司为泽泉公司的农业实验研究科研平台。该平台为亚洲第一个开放式高通量植物表型研究平台,20153月正式运行。AgriPhenoTM实验平台有植物培养设施、高通量表型研究平台、植物生理生态测量设备,同时拥有专业研究与分析团队。该开放平台可以进行植物表型、植物生理、植物基因型等方面的实验研究。

 

一、本次学习内容:

一)、植物表型平台设备学习

德国Lemna Tec公司高通量植物(3D)成像技术——Scanalyzer系列。包括:台式——Scanalyzer  PL;实验室高通量型——Scanalyzer  HTS;温室高通量型——Scanalyzer 3D,荷兰KeyGene公司移动式激光3D植物表型平台——PlantEye

通过测量可以得到以下数据:叶片长度、宽度、叶角度、叶面积、叶绿素含量、植株茎秆直径、植株高度、宽度和密度、植株生长速率、植株胁迫环境下的色素变化、植株紧凑性(叶角度和紧密行)、植株和叶片的颜色分析,包含发育状态、病理学等信息、住着节间高度、住着叶片卷曲程度等信息。

1、台式植物表型成像系统——Scanalyzer  PL

简单方便、可用于较小样品分析。摄像头可选择可见光(VIS)、近红外(NIR)、红外(IR)或荧光的一种。通过可见光可以测量植物的结构、宽度、密度、对称性、叶长、叶宽、叶面积、叶角度、叶颜色、叶病斑种子颜色、种子颜色面积等参数。通过近红外可分析植物的水分状态、水力学研究、胁迫生理学研究、通过红外成像可对植物干旱胁迫和蒸腾研究、通过应该成像可以分析植物生理状态。例如对拟南芥种子通过GFPRFPGFPRFP双标记和无标记荧光成像标记对种子进行应该成像,经软件处理可快速分类鉴定。样品最大可达25 cm x 30 cm

2、实验室高通量型——Scanalyzer  HTS

全自动、高通量对大量植株进行成像。特别适合植物功能基因组学和植物表型组学和遗传育种、突变植株筛选、表型筛选。可高通量对大量小植株进行成像分析。可选可见光、近红外、红外成像、荧光成像或激光扫描3D成像(15cm以下小植株)的一种或多种成像头。系统可每天对样品进行成像可获得样品时间动力学变化规律,该系统可以提供顶部光源有底部光源。例如通过荧光成像进一步分析植物的生理状态,植物可见光成像更多的是反映植物表观信息,对生理状态反映有限。儿荧光成像可以较深入的反映到植物的生理状态,如叶片进行热水处理,可见光成像反映不出区别,而荧光可以反映受伤部位。通过该系统可以获得大量植物表型参数,利用参数可以绘制雷达图,可作为反映植株形态的“指纹图谱”根据图谱对植株进行分类因而特别适用于数量性状基因座(QTL)研究。高通量测量大量样品,可选421426384个多孔板的版本,兼容较大样品,可选择分辨率,适用于96孔板测量。

3、温室高通量型——Scanalyzer 3D

可选VISNIRIR、根系NIR成像、荧光成像、高光谱中的一种或多种,包括顶部和(多个)侧面成像,获得3D成像信息,样品高度可达2 m3 m或订做更高版本,可选传送10501001502503755008001400盆或更多盆的传送装置,可增加自动浇水、自动称重、自动喷淋(农药)装置。从幼苗到成株均可3D成像,分析数据同前系统。

 

4、移动式激光3D植物表型平台——PlantEye

移动时激光3D植物表型平台PlantEye用于野外非常严酷的条件下工作可以长期耐受全日照辐射而不影响测量,可以安装在移动的支架上例如移动灌溉系统、天车、拖拉机。可以自动获取植物三维点阵云图,并构建植物三维结构图,自动计算植物高度、单个叶面、积总面积、叶片数目、植株数目、叶片角度、植物直径、盖度等参数。可用于植物表型研究、植物育种研究、植物抗逆研究等。

 

学习了以上设备的原理,并对以上设备操作软件进行实际操作。在操作过程中老师强调设备操作应注意的事项。通过学习基本掌握了设备的操作。我认为我们学校应该也建一个表型研究平台,为植物育种的选择,植物生理表型与机理研究,突变体筛选提供服务。

二)、光合作用解决方案部分设备学习

  1.叶绿素荧光PAM系列,便携式调制叶绿素荧光仪——PAM2000;调制叶绿素荧光成像系统—IMAGING-PAMMAXI- Imager 3D版)

  2.气体交换:便携式光合荧光测量系统GFS-3000,手持式光合作用测量系统CI-340

3.P700DUAL-PAM-100

叶绿素荧光。本次学习德国WALZ公司生产的双通道PAM测量系统—Dual-PAM_100、调制叶绿素荧光成像系统——IMAGING-PAMMAXI-版(Imager 3D版)、便携式调制叶绿素荧光仪——PAM2500、超便携式调制叶绿素荧光仪经典mini-PAM

1.标准版Dual-PAM_100全球第一台调制荧光仪,全球唯一可同步测量光系统PSI活性(P700)和PSII活性(叶绿素荧光)与GFS-3000联用可同步测量CO2气体交换、p700和叶绿素荧光。主要功能:单独或同步测量叶绿素荧光和P700;可进行两个光系统的诱导动力学曲线(包括快相与慢相);植物光合两个光系统的快速光曲线和光响应曲线研究;淬灭分析、暗弛豫分析;典型的P700曲线测量。

常用叶绿素荧光参数:

u  Fv/Fm =(Fm-Fo)/Fm : PS II的最大量子产量,反映了植物的潜在最大光合能力(光合效率)

u  高等植物:0.8-0.84;绿藻:0.7-0.75

u  硅藻/甲藻:0.65-0.7;蓝藻/红藻:无固定值

u  当植物受到胁迫(Stress)时,Fv/Fm显著下降!

u  Y(II)=ΦPS II=(Fm’-Fs)/Fm’=ΔF/Fm’=qP·Fv’/Fm’ :

u      任一光照状态下PS II的实际量子产量(实际光合能力、实际光合效率)

u      不需暗适应,不需测定Fo’,适合野外调查

u 光化学淬灭

u qP=(Fm’-Fs)/Fv’=1-(Fs-Fo’)/(Fm’-Fo’) (基于沼泽模型

u qL=(Fm’-F)/(Fm’-Fo’)·Fo’/F=qP·Fo’/F   (基于“湖泊模型”)

u 即由光合作用引起的荧光淬灭,反映了光合活性的高低

u 非光化学淬灭

l  qN=(Fv-Fv’)/Fv=1-(Fm’-Fo’)/(Fm-Fo)

l  NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’=Fm/Fm’-1 不需测定Fo’,适合野外调查

u qNNPQ反映了植物耗散过剩光能为热的能力,反映了植物的光保护能力

u Y(NPQ)=1-Y(II)-1/(NPQ+1+qL(Fm/Fo-1)) (Kramer et al., 2004) (需要Fo’)

u Y(NPQ)=F/Fm’ – F/Fm (Genty et al., 1996; Klughammer and Schreiber, 2008 )

u 调节性能量耗散的量子产量

u PS II处调节性能量耗散的量子产量。若Y(NPQ)较高,一方面表明植物接受的光强过剩,另一方面则说明植物仍可以通过调节(如将过剩光能耗散为热)来保护自身。YNPQ)是光保护的重要指标。

u Y(NO)=1/(NPQ+1+qL(Fm/Fo-1)) (Kramer et al., 2004) (需要Fo’)

u Y(NO)=F/Fm (Genty et al., 1996; Klughammer and Schreiber, 2008 )

u 非调节性能量耗散的量子产量

PS II处非调节性能量耗散的量子产量。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。也就是说,入射光强超过了植物能接受的程度。这时,植物可能已经受到损伤,或者(尽管还未受到损伤)继续照光的话植物将要受到损伤。YNO)是光损伤的重要指标。

l   rETR =PAR·Y(II)·0.84·0.5 : 光系统II的相对电子传递速率

l   rETRPAR的变化图即为光响应曲线,即使光化光的持续时间短至10 s,也可得出典型的光响应曲线,这被称为快速光曲线(Rapid Light Curves

l   ETR(II)l =PAR(II)×Y(II)/Y(II)max : 光系统II的绝对电子传递速率

l   首先需要利用MULTI-COLOR-PAM测定某个波长下的光系统II功能性光学截面积Sigma(II)λ(单位nm2)(其中λ为波长),然后求出光系统II的量子吸收速率PAR(II)=Sigma(II)λ×L×PAR=0.6022×Sigma(II)λ×PAR。其中L为阿伏伽德罗常数,系数0.6022是将1 μmol quanta m-2 (即6.022 × 1017 quanta m-2)转换为0.6022 quanta nm-2PAR(II)的单位为quanta/(PSII × s)。接下来就可以计算ETR(II)λ=PAR(II) × Y(II)/Y(II)max,其中Y(II)max是经过暗适应达到稳态后的光系统II的量子产量,也就是Fv/FmETR(II)的单位为electrons/(PSII × s)

Dual-PAM-100测量参数:

PSII参数:Fo,Fm,Fm’,Fv/Fm,Y(II)=ΔF/Fm’,Fo’,qP,qL,qN,NPQ,Y(NPQ),

Y(NO),ETR(II)

PSI参数:P700PmPm’P700redY(I)Y(ND)Y(NA)ETRI)等

2.调制叶绿素荧光成像系统—IMAGING-PAMMAXI- Imager 3D版)

IMAGING-PAM的特点

    全叶片光合作用分析

     叶片荧光参数的横向异质性

     胁迫损伤的早期检测(植物胁迫生理学)

     完全相同的条件下同时测量多个样品

     植物分子生物学、遗传育种、突变柱筛选

     植物病理学

     生态毒理学

     叶片吸光系数的测量

l  MAXI- Imager 3D版可分析10×13 cm2可同时测量96个微藻样品

可选探头: 标准蓝光版,450 nm,测叶片; 红光版,620 nm,测蓝藻

调制叶绿素荧光成像系统可以表观研究植物荧光表型,同时可对表型参数进行测量,具有直观性与科学数据行,对植物胁迫不仅从表观揭示,同时从本质进行分析。例如植物叶片进行半叶热处理,用IMAGING-PAM检测荧光活性,Fv/Fm的荧光成像清晰的示出了热胁的损伤,NPQ成像可揭示叶片不同部位的响应状况 ,同时可自动测量qN成像。

3. 便携式光合荧光测量系统GFS-3000

主要功能:测量光合作用、蒸腾作用、呼吸作用、叶绿素荧光;气体交换和荧光参数的光响应曲线和CO2响应曲线;同步测量CO2气体交换与其他光合指标。

主要特点:1.分析器:为高精度4通道绝对开放非扩散红外分析器

          2. CO2控制:仪器自动控制CO2浓度,精度高,速度快,小钢瓶CO2注入系统密闭性极佳可密封数月;

3.H2O控制:仪器可自控H2O浓度,还具有加湿功能,H2O控制范围大;

4.校准调零:具有叶室和分析器两种调零模式,提高测量精度;

5.光强控制:三个PAR探头,四种控制模式,控制叶片上部光强、下部光强、环境光强、跟随环境光强;

6.叶室:更换很方便,叶室可连接红蓝LED光源、荧光附件、荧光仪和荧光成像系统。

7.该仪器比较重,同时开机要预热30分钟。野外方便测量可以用CID的手持式光合作用测量系统CI-340.

 

本次外出学习,虽然时间短,但由于是进入亚洲第一开放表型平台,平台设备先进且种类多,设计的专业面广,使我大开眼界。短时间内对设备的原里和操作还没有达到融会贯通,熟练操作,我将会在平时工作中通过具体实验进行继续学习,为我校大型设备在科学研究中发挥作用,贡献自己一点微薄之力。最后感谢学校给予我这次培训学习的机会,感谢泽泉公司上海乾菲诺(AgriPhenoTM)农业科技有限公司的老师和工作人员对我学习中悉心指导和生活中热心关怀。