JIP-Test檢測叢枝菌根菌調節(jié)玉米PSII異質性免受高溫脅迫的研究

 

       基于生物膜中能量流動理論的快速葉綠素a熒光動力學OJIP曲線和JIP-test分析，具有無損、精確、快速的特點，如今已經廣泛應用于植物逆境生理的研究。
 

       OJIP曲線對各種環(huán)境的改變非常敏感，如光脅迫、化學物質、高溫、寒冷、干旱、重金屬或鹽脅迫、營養(yǎng)不良、大氣CO₂或臭氧增加和病害等生長環(huán)境變化。

      植物在遭受不同的逆境脅迫后，其OJIP曲線呈現(xiàn)不同的變化，而JIP-test分析則對OJIP曲線的變化提供定量分析。因此，OJIP曲線和JIP-test分析可以用于分析環(huán)境變化對植物光合生理過程的影響并用于篩選抗逆品種。

      2020年1月，Industrial Crops & Products刊出了印度印多爾市德維阿希利亞大學生命科學學院Sonal Mathur教授與生物技術學院 Anjana Jajoo教授合作完成的題為Arbuscular mycorrhizal fungi protects maize plants from high temperature stress by regulating photosystem II heterogeneity的研究論文，報道了該合作團隊在叢枝菌根真菌（AMF）調節(jié)光系統(tǒng)II異質性保護玉米免受高溫脅迫的最新研究。
 

     不斷變化的全球環(huán)境導致作物受高溫脅迫現(xiàn)象增加。高溫脅迫會導致植物生長減緩及生物量下降。作物光合作用是受高溫脅迫影響最敏感的過程之一，會改變光系統(tǒng)II（PSII）氧化還原特性。

    玉米是世界上種植最廣泛的谷物之一，其產量和生產率會根據(jù)環(huán)境條件不斷變化。溫度過高可能影響玉米植株的生長發(fā)育。叢枝菌根真菌（AMF）在非生物脅迫條件下的保護作用廣為人知，但其作用機理尚不清楚。

     為了闡明AMF在調節(jié)光系統(tǒng)II異質性中的作用，此研究對高溫脅迫下富含AMF的玉米植株進行了研究。利用葉綠素a熒光誘導動力學研究了玉米對照、AMF、AMF+HT和HT的PSII異質性。

玉米植株在不同處理下的表現(xiàn)   
 

      本研究提出了一個新的假說，即PSII異質性在AMF誘導的高溫應激保護中的作用。此研究是有史以來第一個分析了在AMF和高溫應力背景下PSII異質性變化的研究。

本試驗設計如下：
 

• 對照=玉米植株生長在正常土壤中，植株不受高溫影響。
• AMF=玉米植株生長在富含AMF的土壤中，植株不受高溫影響。
• HT=在正常土壤中生長并經歷較高溫度（夏季自然溫度43°C）的玉米植株。
• AMF+HT=玉米植株生長在富含AMF的土壤中，經歷高溫脅迫。

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與對照植物以及AMF+HT和HT玉米植株相比，AMF植株的形態(tài)差異非常明顯。與對照植物相比，富含AMF的植物表現(xiàn)出更好的株高和葉寬（數(shù)據(jù)未顯示）。AMF+HT植株也表現(xiàn)出比僅HT植株更好的生長，表明AMF可以保護植株免受溫度誘導的傷害。

不同處理的熒光強度曲線

       葉綠素熒光分析是研究各種非生物脅迫的廣泛應用技術之一。上圖表明，高溫脅迫影響葉綠素誘導動力學（O-J-I-P）的形狀。O點至J點熒光升高的原因與一些PSII反應中心因Q_A^-減少而關閉有關。
 

       在這項研究中，在經歷高溫脅迫的植物中，O點至J點熒光減少，這表明PSII反應中心（RC）需要更多的時間來閉合，其次是次級電子的俘獲和緩慢還原。在經歷高溫的玉米植株中獲得了額外的K點，而在經歷類似條件的AMF+HT玉米植株中則沒有K點出現(xiàn)。K點的出現(xiàn)歸因于從OEC到RC的電子流有限。

不同處理間熒光參數(shù)顯著性分析

 

HT處理的Fv/Fm值降低，而在經歷類似條件的AMF+HT處理中有顯著恢復。與對照相比，高溫脅迫（HT）處理PI降低89%，在AMF+HT處理中PI降低27%。推測AMF定殖可能導致土壤性狀的改變，從而提高了植物的光合效率，保護了植物免受脅迫。

不同處理相對可變熒光的比較
 

     文章最后，作者作出如下總結：AMF對高溫脅迫下PSII非均質性有明顯的促進作用，在高溫脅迫下PSII異質性會發(fā)生變化。

      AMF+HT植株高溫吸水根系發(fā)達，保證高光合能力，防止光合機構受損。AMF植物表現(xiàn)出最大的PSII連接性，而高溫處理表現(xiàn)最少。AMF+HT顯示非Q_B還原中心數(shù)量恢復。

      在天線異質性中，AMF富集植物中存在最大α中心，從而增強初級光化學效率，增加活性中心數(shù)量、電子傳輸容量、PSII的量子產率。PSII異質性可以作為了解植物脅迫水平的生物學指標。

       PSII異質性的變化可能是AMF的一系列效應，例如蒸發(fā)速率、水分吸收、凈光合作用和氣孔導度。
       AMF通過調節(jié)PSII異質性發(fā)揮其有益作用。AMF的存在為非活性β和γ中心向活性α中心的轉化和非Q_B還原中心向還原中心的轉化提供了有利條件。這種涉及PS-II異質性的AMF作用的可能性在早期沒有報道。

本文來源：

Mathur S, Jajoo A. Arbuscular mycorrhizal fungi protects maize plants from high temperature stress by regulating photosystem II heterogeneity[J]. Industrial Crops and Products, 2020, 143: 111934.