叶绿素荧光成像农学领域应用——作物篇

本期文章将聚焦叶绿素荧光成像技术在大田作物研究领域的应用，通过三个案例展开深度解析：一、依托该技术实现光诱导条件下马铃薯采后品质下降的无损检测；二、揭示叶绿素荧光成像作为指示玉米热胁迫响应的核心工具；三、深入分析不同处理方式下，冬小麦遭遇干热风胁迫后叶片的荧光信号差异，为抗逆栽培策略优化提供科学依据。透过这些实践案例，我们将清晰看到叶绿素荧光成像技术如何突破传统研究局限，为现代农业科研与生产实践注入新动能。

案例1：光诱导下马铃薯采后品质下降的无损检测

在不当的采收或储存条件下，阳光直射会导致马铃薯品质直线下降，会引起马铃薯表面变绿，这是由于叶绿素形成所致，过程中伴随着有毒化学物质——生物碱的生成，当食用储存不当的马铃薯时，可能会对人体健康产生威胁，这也是“绿土豆有毒”的来源。匈牙利农业与生命科学大学的食品科学与技术研究所通过检测不同储存方式下马铃薯中叶绿素的形成，间接研究阳光诱导马铃薯中叶绿素相关化合物的生成。

研究中针对初始黄色的马铃薯和初始有绿色斑点的马铃薯，并分别进行阳光直射和遮荫处理，随着储存时间的变化，持续测定。结果表明：阳光照射后的马铃薯叶绿素含量显著升高，其叶绿素荧光参数（F0、Fm）的结果显示：随着储存时间变长，叶绿素荧光也不断增加；初始状态下，绿色马铃薯的叶绿素荧光显著高于黄色马铃薯。

本研究证明，阳光和储藏时间过长能够诱导叶绿素的生成，马铃薯的有害物质的产生，伴随着叶绿素的产生，也间接证明了“绿色土豆有毒”。

案例2：叶绿素荧光成像：指示玉米热胁迫的工具

玉米是世界三大作物之一，与水稻和小麦齐名。在玉米的生长过程中，干旱和热风胁迫对其生产的破坏最大，因此，进一步开展选育耐热风玉米品系的育种工作是十分必要的。一篇发表在《Cereal Research Communications》上的研究，探究叶绿素荧光成像技术系统是否能快速测定植物的热胁迫。

实验中选择了耐热品种Kwangpyeongok作为对照组、热胁迫品种Ilmichal作为实验组将两个品种的玉米幼苗在 35±2°C、相对湿度 35% 的生长箱中，经 96 小时热风处理后，检测其叶绿素荧光成像参数值（Fo、Fm、Fv/Fm、ΦPSII、NPQ 和 Rfd），并进行比较分析。

结果如下图，结果显示，热处理后的24h内两种玉米幼苗玉米幼苗表面上看起来相似，很难用肉眼判断其损伤情况，但通过叶绿素荧光成像发现，尽管热风胁迫下玉米叶片的 Fv/Fm 比值没有明显差异，但是实验组Ilmichal的Fm、F0显著低于对照组Kwangpyeongok。

随后，研究中又检测了Kwangpyeongok、Ilmichal两个品种在热风胁迫处理下的叶绿素荧光参数值，结果如下图所示，发现热风胁迫下玉米叶片的 Fv/Fm 比值几乎处于正常水平，但 Fm 和 Fv 值却远低于对照幼苗。实验组Ilmichal的玉米幼苗热风胁迫后，所有测量的荧光参数均降至对照幼苗Kwangpyeongok的一半以上，其中NPQ增加，ΦPSII降低。因此，NPQ 和 ΦPSII 可用于测定热风胁迫下玉米叶片的情况。

本研究证明：通过叶绿素荧光成像技术直接检测叶绿素荧光相关参数能够侧面确定玉米的热胁迫程度，叶绿素荧光技术的分析及其相关参数可以作为一种快速指示技术，用于测定玉米的热风胁迫。

案例3：分析不同处理下冬小麦遭遇干热风后叶片的响应

黄淮海地区作为中国冬小麦的核心产区，其小麦产量占全国总量的一半以上，然而该区域在冬小麦灌浆增重关键期常遭遇兼具高温、低湿、大风特征的干热风灾害，且在全球变暖的背景下，灾害态势扩大会加速小麦蒸腾耗水、破坏光合系统，导致小麦早衰，严重时可造成小麦减产。为缓解这一问题，科研团队展开了大田实验，通过用叶绿素荧光技术找到应对干热风灾害的方案。

实验共设6种处理：空白对照CK（拔节期和开花期均喷施自来水处理）、制剂组对照CKP（两个时期均喷施磷酸二氢钾溶液处理）、拔节期喷施磷胺制剂（BA）、拔节期喷施磷酯制剂（BZ）、开花期单次喷施磷胺制剂（HA）、开花期单次喷施磷酯制剂（HZ），测定在不同处理下的旗叶的叶绿素荧光参数值，实验结果如下：

试验期间小麦在花后24d和26d遭受了轻度干热风过程，实验结果表明:喷施磷糖类制剂处理对不同荧光参数的调控时期存在差异，表现为提升干热风发生过程后（24d和26d）旗叶Fv/Fm，降低整个灌浆活跃期（11d）NPQ，增加灌浆中后期旗叶qP；在开花期喷施磷酯制剂通过增加旗叶Fv/Fm和qP提高小麦抗干热风能力，开花期喷施磷胺制剂通过使叶片 NPQ 值稳定保持在较低水平，提高电子传递效率，从而缓解干热风对小麦的生理危害。

实验根据叶绿素荧光参数值得出结论：建议磷胺和磷酯制剂喷施的最佳时期分别为拔节期和开花期，认为开花期喷施磷酯制剂处理对小麦抗干热风影响的调控效果较好。

参考文献：

[1] Zsom-Muha, V., Nguyen, L. L. P, et al. (2021). An attempt to the nondestructive investigation of photo-induced potato postharvest quality degradation–Preliminary results. Progress in Agricultural Engineering Sciences, 17(S1), 99-109.

[2] Park J Y, Yoo S Y, Kang H G, et al. (2016). Use of chlorophyll a fluorescence imaging for photochemical stress assessment in maize (Zea mays L.) leaf under hot air condition. The Korean Journal of Crop Science, 61(4): 270-276.

[3] XU Ya-nan, HAN Yan, WU Yue, et al. (2023). Effects of Foliar-spray Chemical Regulators on Wheat Winter Resistance through Dry-hot Wind Stress. Chinese Journal of Agrometeorology, 44(11): 995-1008.

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