四通道動態(tài)LED陣列近紅外光譜儀 DUAL-KLAS-NIR

四通道動態(tài)LED陣列近紅外光譜儀

DUAL-KLAS-NIR

同步測量PSII活性（葉綠素?zé)晒猓?/span>和PSI活性（P700）

PC（質(zhì)體藍素）Fd（鐵氧還蛋白）的氧化還原變化

2016年2月Photosynthesis Research雜志發(fā)表了Schreiber博士團隊研究文章Deconvolution of ferredoxin, plastocyanin, and P700 transmittance changes in intact leaves with a new type of kinetic LED array spectrophotometer，隆重介紹了設(shè)計的DUAL-KLAS-NIR四通道動態(tài)LED陣列近紅外光譜儀。之后2016年4月，2017年3月Schreiber博士團隊再次發(fā)表文章，進一步闡述DUAL-KLAS-NIR的實際應(yīng)用。

作為PSI的電子供體和電子受體，PC（質(zhì)體藍素）和Fd（鐵氧還蛋白）對PSI的氧化還原起著至關(guān)重要的調(diào)控作用。但一直缺乏科學(xué)便捷的手段對其運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行檢測。集成以DUALl-PAM-100為標(biāo)志的第二代PAM的基本功能，采用*的去卷積技術(shù)（一種根據(jù)來源不同對信號進行分離的技術(shù)），WALZ公司推出了可以測量PC和Fd氧化還原狀態(tài)的新一代PAM熒光儀—DUAL-KLAS-NIR四通道動態(tài)LED陣列近紅外光譜儀。

DUAL-KLAS-NIR不但集成了Dual-PAM-100的基本功能，可以同時測量PSP和PSI，而且能夠測量4組不同波段（780-820nm，820-870nm，840-965nm，870-965nm）的信號，實現(xiàn)對P700（PSI反應(yīng)中心）、PC和Fd的氧化還原狀態(tài)分別測量。另外，它還可以測量由540nm和460nm光化光激發(fā)的葉綠素?zé)晒?。利用DUAL-KLAS-NIR四通道動態(tài)LED陣列近紅外光譜儀，可以準(zhǔn)同步地測量各種不同的信號，不僅在馳豫動力下，還可持續(xù)地在自然穩(wěn)態(tài)下同時獲取各組分的信息。

突出特點

?  可測量活體葉片或懸浮液，對P700、PC和Fd分別進行連續(xù)的實時的去卷積分析。

?  同時測量分別由540nm（整個葉片）和460nm（表層細胞層）波段激發(fā)的兩種葉綠素?zé)晒狻?/span>

?  通過集成發(fā)光二極管技術(shù)，高度緊湊的固態(tài)照明系統(tǒng)，提供635nm，460nm的光化光和740nm波段遠紅光，以及635nm單周轉(zhuǎn)和多周轉(zhuǎn)飽和閃光。

?  擁有和DUAL-PAM-100相似的光學(xué)部件幾何結(jié)構(gòu)，可與3010-DUAL兼容，結(jié)合GFS-3000光合儀，在可控條件（光照，溫度，濕度，CO₂濃度）下，同步測量氣體交換和電子傳遞相關(guān)的氧化還原。

?  測量光頻率范圍廣（1 - 400 kHz），允許連續(xù)評估Fo，可以在高時間分辨率下記錄快速動態(tài)瞬變（如多相熒光上升動力學(xué)或脈沖弛豫動力學(xué)）。

主要功能

?  測定質(zhì)體藍素（PC），PS I反應(yīng)中心（P700）和鐵氧還蛋白（Fd）的氧化還原變化。

?  通過應(yīng)用創(chuàng)新的分析方法獲得PC，P700和Fd光譜特征。在線監(jiān)測P700，PC和Fd的氧化還原變化，并確定PC / P700和Fd / P700的比值。

?  可以通過綠色或藍色PAM測量光來激發(fā)熒光。綠光比藍光更深入到葉子中。因此，綠色激發(fā)的熒光包括來自更深葉層的信息，因此非常適合與整個葉子的NIR吸收測量進行對比分析。

?  專業(yè)數(shù)據(jù)記錄軟件，入門特別簡單?？墒褂肈UAL-KLAS-NIR軟件的自動測量程序?qū)嶒?，也可以編輯腳本（Script）或者保存手動測量程序（Trigger），輕松執(zhí)行復(fù)雜的測量協(xié)議。可自定義測量動作用于特殊誘導(dǎo)過程動力學(xué)曲線數(shù)據(jù)獲取和分析。

?  兼具慢速動力學(xué)曲線（飽和脈沖分析、誘導(dǎo)曲線和光響應(yīng)曲線）和快速動力學(xué)曲線（飽和脈沖動力學(xué)曲線、高達30µs分辨率的馳豫動力學(xué)曲線）。

應(yīng)用領(lǐng)域

光合作用電子傳遞過程各復(fù)合體的氧化還原狀態(tài)深入剖析，類囊體膜蛋白組分功能研究。

可廣泛應(yīng)用于光合合成生物學(xué)研究相關(guān)的植物學(xué)，植物生理學(xué)，分子生物學(xué)，農(nóng)學(xué)，林學(xué)的領(lǐng)域。

應(yīng)用案例

DUAL-KLAS-NIR為光合作用開辟了一個全新的研究領(lǐng)域，實時顯示P700，PC和Fd在活體材料中的氧化還原狀態(tài)，在線解卷積氧化還原信號。實現(xiàn)PS I及其供體側(cè)和受體側(cè)氧化還原動力學(xué)的同步測量，從而了解它們圍繞光系統(tǒng)I的復(fù)雜相互作用，另外還可以探究PS I周圍的循環(huán)電子傳遞的信息。

在DUAL-KLAS-NIR出現(xiàn)之前，測量光系統(tǒng)I的有效量子產(chǎn)量，P700信號總是會摻雜Fd的貢獻和PC的變量。上圖中圖C顯示了不同光強梯度下甘藍型油菜葉片PSI的有效PSI量子產(chǎn)量Y(I)，PSII的有效量子產(chǎn)量Y(II)和經(jīng)PSI熒光修正后的PSII的有效量子產(chǎn)率Y(II)corr。經(jīng)過修正后，Y(II)corr和Y(I)在低光強下相似（小于500μmol m^-2 s^-1）。然而，當(dāng)光強大于500μmol m^-2 s^-1時，Y(I)明顯高于Y(II)，Y(I)/Y(II)可達1.45.

光系統(tǒng)I的有效天線尺寸測量。植物樣品從在黑暗條件轉(zhuǎn)移到光下時，在PSI附近，首先PC被氧化，開始積累，之后才是P700被氧化。單純的PC信號變化的初始斜率可以用作PS I的有效天線尺寸的度量。

DUAL-KLAS-NIR軟件設(shè)有一個窗口顯示P700和PC氧化還原狀態(tài)的相對變化。該功能可以用來計算PC和P700之間的表觀平衡常數(shù)。這對研究P700與其供體側(cè)的相互關(guān)系是非常重要的。

 對暗適應(yīng)的葉子施加飽和脈沖，測量Fd氧化還原動力學(xué)。我們不難發(fā)現(xiàn)，飽和脈沖產(chǎn)生的電子將Fd還原，飽和脈沖之后的黑暗中，F(xiàn)d被緩慢再氧化。之后，PSI的受體側(cè)的電子流被激活，再氧化動力學(xué)變得更快。在激活PSI的受體側(cè)之后，可以通過監(jiān)測脈沖后Fd再氧化的速率來研究Fd的暗滅活。這些動力學(xué)變化可以通過指數(shù)擬合程序擬合。圖A給出了Fd再氧化動力學(xué)曲線指數(shù)擬合程序擬合的實例，圖B顯示了常春藤葉片不同暗適應(yīng)時間后的PSI受體側(cè)的暗滅活動力學(xué)差異。

PC，P700和Fd的NIR透射率變化與這些復(fù)合物的在樣品中的含量成比例，并且PC，P700和Fd的消光系數(shù)的比率是恒定的。這可以用于探究不同物種或不同生長條件下（例如陽生/陰生，脅迫/非脅迫）樣品的PC / P700和Fd / P700比率，以及PC和Fd庫的相對大小?，F(xiàn)已觀察到高PC / P700比率與高電子傳遞速率（ETR）值相關(guān)。上圖顯示，在常春藤陽生和陰生葉片中，相對于P700，它們PC和Fd含量有著顯著的不同。

主要測量參數(shù)：

?  葉綠素?zé)晒鉁y量：Fo, Fm, Fm’, F, Fo’, Fv/Fm, Y(II), qP, qL, qN, NPQ, Y(NO), Y(NPQ) , ETR(II)等參數(shù)，以及各種熒光動力學(xué)曲線。

?  P700測量：必須能夠測量Pm, Pm’, Y(I), ETR(I)， Y(ND)和Y(NA)等參數(shù)，以及各種P700動力學(xué)曲線。

?  PC測量：PCm, PCm’, PCox, Rel PCox

?  Fd測量：Fdm, Fdm’, Fdred, Rel Fdred, Fd/PC

?  實時顯示數(shù)據(jù)采集，可以連續(xù)顯示數(shù)據(jù)采集過程即完整的動力學(xué)曲線過程

?  軟件程序：慢速動力學(xué)曲線，快速動動力學(xué)曲線，曲線擬合

產(chǎn)地：德國WALZ

代表文獻

數(shù)據(jù)來源：光合作用文獻Endnote數(shù)據(jù)庫

原始數(shù)據(jù)來源：Google Scholar

1.         Shimakawa, G. and C. J. P. D. Miyake (2018). "Changing frequency of fluctuating light reveals the molecular mechanism for P700 oxidation in plant leaves."  2(7): e00073. [Dual-KLAS-NIR應(yīng)用]

2.         Takagi, D. and C. J. P. p. Miyake (2018). "Proton gradient regulation 5 supports linear electron flow to oxidize photosystem I." [Dual-KLAS-NIR應(yīng)用]

3.         Nikkanen, L., et al. (2018). "Multilevel regulation of non‐photochemical quenching and state transitions by chloroplast NADPH‐dependent thioredoxin reductase." Physiologia plantarum. [Dual-KLAS-NIR應(yīng)用]

4.         Nikkanen, L., et al. (2018). "Regulation of cyclic electron flow by chloroplast NADPH‐dependent thioredoxin system." Plant Direct 2(11): e00093. [Dual-KLAS-NIR應(yīng)用]

5.         Vaseghi, M.-J., et al. (2018). "The chloroplast 2-cysteine peroxiredoxin functions as thioredoxin oxidase in redox regulation of chloroplast metabolism." eLife 7: e38194. [Dual-KLAS-NIR應(yīng)用]

6.         Lima-Melo, Y., et al. (2018). "Consequences of photosystem I damage and repair on photosynthesis and carbon utilisation in Arabidopsis thaliana." Plant J. [Dual-KLAS-NIR應(yīng)用]

7.         Kumar, V., et al. (2018). "Interference between arsenic-induced toxicity and hypoxia."  0(0). [Dual-KLAS-NIR應(yīng)用]

8.         Schreiber, U. (2017). "Redox changes of ferredoxin, P700, and plastocyanin measured simultaneously in intact leaves." Photosynthesis Research: 1-18. [Dual-KLAS-NIR應(yīng)用]

9.         Schreiber, U. and C. Klughammer (2016). "Analysis of Photosystem I Donor and Acceptor Sides with a New Type of Online-Deconvoluting Kinetic LED-Array Spectrophotometer." Plant and Cell Physiology: pcw044. [Dual-KLAS-NIR應(yīng)用]

10.     Klughammer, C. and U. Schreiber (2016). "Deconvolution of ferredoxin, plastocyanin, and P700 transmittance changes in intact leaves with a new type of kinetic LED array spectrophotometer." Photosynthesis Research.[Dual-KLAS-NIR原理]