葉綠素?zé)晒獬上裨谥参锷L(zhǎng)環(huán)境脅迫中的應(yīng)用

董貞芬 ，門宇恒 ，鄒秋瀅 ，李征明 ，劉珍珍 ，紀(jì)建偉

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，沈陽 110161；2.遼寧中醫(yī)藥大學(xué) 杏林學(xué)院，沈陽 110167）

葉綠素?zé)晒?chlorophyll fluorescence，CF)技術(shù)，亦稱葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)技術(shù)，是以葉綠素?zé)晒鉃樘结槞z測(cè)植物光合作用狀態(tài)分析植物抗脅迫能力的一種技術(shù)，是無損獲取植物信息的一種有效途徑。按獲取植物信息的方式，將葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定分為葉綠素?zé)晒鈪?shù)技術(shù)[1]、快速熒光動(dòng)力學(xué)技術(shù)[2]、葉綠素?zé)晒夤庾V技術(shù)[3]和葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外研究者在作物方面的熒光研究主要集中在前3種技術(shù)的分析和利用上，由于植物內(nèi)部因子分布的不均勻性，經(jīng)同一種脅迫條件下產(chǎn)生的傷害在空間上也可能是不均勻的，同時(shí)可能發(fā)生對(duì)光合能力和氣孔孔徑的不均勻影響，從而在同一時(shí)間同一片葉上也會(huì)展現(xiàn)出不同的熒光活性，為了檢測(cè)這種異質(zhì)性分布，熒光成像（chlorophyll fluorescence imaging，CFI）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。CFI允許研究整個(gè)葉面積上的葉綠素?zé)晒鈪?shù)的時(shí)空非均質(zhì)性特征。

CFI開創(chuàng)性使用是在1979年，BJ?RN等[4]應(yīng)用葉綠素?zé)晒獬上窠沂玖藢?duì)病原體反應(yīng)不均勻的葉片光合作用相關(guān)研究。在LADISLAV等[5]與PAM公司共同研發(fā)了第一代葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)FlourCam后成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中得到了廣泛使用。MAXWELL等[6]對(duì)葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)進(jìn)一步明確了葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)技術(shù)在植物檢測(cè)領(lǐng)域的意義。韓志國(guó)等[7]對(duì)多種植物葉綠素?zé)晒庑畔⒌牟杉?，為?guó)內(nèi)葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展起了推進(jìn)意義。但目前，CFI在植物自然生長(zhǎng)環(huán)境脅迫中的研究依然占少數(shù)[8]。本研究概述了葉綠素?zé)晒獬上裨谥参锷L(zhǎng)環(huán)境溫度、光照、水分、營(yíng)養(yǎng)、鹽脅迫研究中的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)工程中植物環(huán)境研究提供了良好的理論基礎(chǔ)。

1 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)通過激發(fā)光、作用光和測(cè)量光的相互交替獲取五個(gè)關(guān)鍵熒光強(qiáng)度值：F0，F(xiàn)0'，F(xiàn)m，F(xiàn)m'和Fs，根據(jù)公式計(jì)算植物的光化學(xué)淬滅，非光化學(xué)淬滅以及PS II效率等參數(shù)，判斷植物光合系統(tǒng)的健康狀態(tài)、能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)以及植物葉片受光能損害狀態(tài)等。熒光成像系統(tǒng)在CF基礎(chǔ)上，提出了一種從宏觀上獲取細(xì)胞、葉子或植物熒光的方式，在獲取熒光參數(shù)或光譜的同時(shí)也獲得了快速、直觀和精確的圖像信息。熒光成像技術(shù)中為了便于觀察圖像上的異質(zhì)性，通常使用不同顏色編碼、不同數(shù)值的偽彩色調(diào)色板來逐像素地表示圖像中的不均勻性[8]。以發(fā)生冷害的番茄幼苗葉片為例，圖1為普通相機(jī)所采集的圖像和藍(lán)光版IMAGING-PAM采集的圖像，熒光圖像可以檢測(cè)到普通數(shù)碼相機(jī)無法“看”到的低溫?fù)p傷。試驗(yàn)中熒光成像技術(shù)不僅可以從植物的熒光圖像中提取熒光參數(shù)、紋理、熒光強(qiáng)度等信息，還能提取顏色相關(guān)的信息進(jìn)行處理并加以分析，最終應(yīng)用于實(shí)際脅迫檢測(cè)。

圖1 番茄葉片的熒光圖像Figure 1 The fluorescence image of tomato leaves

2 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)在植物生長(zhǎng)環(huán)境脅迫中的應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)應(yīng)用較少，許多研究是使用CFI來計(jì)算所有葉片中給定參數(shù)的平均值。目前在作物生長(zhǎng)過程中的應(yīng)用主要為植物病害脅迫的研究[9-11]。自2017年開始，國(guó)內(nèi)才有部分學(xué)者開始使用葉綠素?zé)晒獬上襁M(jìn)行植物生長(zhǎng)過程中環(huán)境脅迫的研究。國(guó)外葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)應(yīng)用較早，使用范圍廣泛。國(guó)內(nèi)外在植物環(huán)境溫度、光照、水分、營(yíng)養(yǎng)和鹽脅迫方面使用CFI的研究介紹如下，研究中所涉及的葉綠素?zé)晒鈪?shù)及其定為：F0和Fm分別是在暗適應(yīng)下樣品中測(cè)量的最小和最大熒光強(qiáng)度，F(xiàn)0'和Fm'分別是由光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)過程中飽和脈沖法確定的最小和最大熒光強(qiáng)度，F(xiàn)s是光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)期間達(dá)到的熒光強(qiáng)度穩(wěn)態(tài)值；非光化學(xué)淬滅（qN或NPQ，NPQ(T)）是由熱耗散引起的熒光淬滅，光化學(xué)淬滅（qP或qL）是由光合作用的引起的熒光淬滅，而在當(dāng)前的光照狀態(tài)下光系統(tǒng)II的實(shí)際光合效率Y(II)=ΦPSII=ΔPSII反映了光合機(jī)構(gòu)目前的實(shí)際光能轉(zhuǎn)換效率；Y(NO)=ΦNO代表的是被動(dòng)的耗散為熱量和發(fā)出熒光的能量，Y(NPQ)=ΦNPQ代表的是通過調(diào)節(jié)性的光保護(hù)機(jī)制耗散為熱的能量，光系統(tǒng)II的最大光合效率Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm反映了植物的潛在最大光能轉(zhuǎn)換效率，而Rfd=Fd/Fs=(Fm-Fs)/Fs則反映了葉綠素?zé)晒鉁p少率[8]。

2.1 溫度脅迫

在作物生長(zhǎng)過程中，溫度過低或過高都會(huì)影響作物的生長(zhǎng)和生產(chǎn)力。為了讓植物生長(zhǎng)在最佳溫度下，有必要知道每個(gè)物種或品種的最佳溫度范圍。而當(dāng)植物受到低溫或高溫脅迫時(shí)植物的光合作用都會(huì)受到影響，因此與光合作用相關(guān)的CFI技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)溫度對(duì)植物脅迫的影響。

在低溫研究中，目前研究多是集中于在其他條件與溫度的共同脅迫情況下作物對(duì)溫度的反應(yīng)。2007年，HOGEWONING等[12]研究表明，光照條件下低溫脅迫在孔雀竹芋斑葉中引起嚴(yán)重的光抑制，測(cè)量中Fv/Fm的異質(zhì)性降低，葉片區(qū)域的值較低，葉綠素平均濃度較低，但在黑暗中冷害不會(huì)影響PSII效率。2010年，GRAY等[13]使用CFI在4℃冷適應(yīng)條件下研究低溫光合作用中光抑制和隨后恢復(fù)的響應(yīng)，并且將非適應(yīng)植物從23℃冷轉(zhuǎn)移到4℃，研究表明冷適應(yīng)導(dǎo)致植物對(duì)光抑制的耐受性增加，且冷移植物不像冷馴化植物那樣寬容，并討論了PSII修復(fù)周期，PSII猝滅中心的作用以及使用CFI監(jiān)測(cè)植物中的光抑制反應(yīng)。2011年，DEVACHT等[14]使用CFI來評(píng)估栽培品種“Hera”的幼株對(duì)低溫和高光強(qiáng)度的響應(yīng)，植物在不同的光強(qiáng)度下結(jié)合不同的溫度（16℃，8℃和4℃）進(jìn)行光響應(yīng)測(cè)量，量化光系統(tǒng)II的運(yùn)行效率和非光化學(xué)猝滅NPQ的參數(shù)對(duì)脅迫的嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，在幼株的工業(yè)菊苣植物中光合系統(tǒng)更容易適應(yīng)較低的生長(zhǎng)溫度。同年，LOOTENS等[15]建議將NPQ（光抑制猝滅）作為篩選菊苣植物冷敏感性的有用參數(shù)。2015年，HUMPLIK等[16]通過高通量植物表型自動(dòng)化分析豌豆芽的生物量和光系統(tǒng)效率的耐冷性，實(shí)驗(yàn)開發(fā)了自動(dòng)RGB圖像分析的新軟件，不僅從RGB成像獲得的數(shù)據(jù)相關(guān)性來驗(yàn)證，而且從圖像獲得的數(shù)據(jù)與非成像葉綠素?zé)晒庥?jì)測(cè)量的葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行比較，證實(shí)了所述程序的可靠性。2018年，DONG等[17]使用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)研究了番茄葉幼苗葉片在低溫脅迫下的葉綠素?zé)晒猱愘|(zhì)性，建議Y(II)作為監(jiān)測(cè)和識(shí)別番茄葉片冷敏感性的有用參數(shù)，并認(rèn)為葉綠素?zé)晒鈭D像的直方圖和紋理也具有低溫脅迫特征。

在高溫脅迫下，CO2同化和電子傳遞受到逐漸抑制，F(xiàn)0增加，F(xiàn)m和Fv/Fm相對(duì)于PSII失活減少。通常，溫和的熱脅迫導(dǎo)致PSII下調(diào)和防止過度光損傷（即刺激非光化學(xué)淬滅），強(qiáng)烈的熱脅迫抑制了NPQ反應(yīng)的保護(hù)機(jī)制。高溫脅迫一般伴隨著水分脅迫而發(fā)展。LANG等[18]測(cè)量了煙草葉片中兩種脅迫的同時(shí)效應(yīng)，并顯示葉綠素?zé)晒獍l(fā)射的梯度。紅色（F690）和遠(yuǎn)紅色（F740）葉綠素?zé)晒獍l(fā)射顯著增加，葉緣F440/F690和F440/F740比值下降，而葉片中部仍然呈現(xiàn)出規(guī)律性光合活性葉片的熒光標(biāo)記。CHRISTOPH等[19]以20種不同基因型野生大麥的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)（OJIP）動(dòng)力學(xué)參數(shù)成像觀察在熱脅迫下對(duì)PSII的影響為例，開發(fā)了允許葉片進(jìn)行重復(fù)測(cè)量熒光的標(biāo)準(zhǔn)化篩選程序，該研究的結(jié)果證明葉綠素?zé)晒鈪?shù)NPQ適合作為篩選熱脅迫癥狀檢測(cè)的有用參數(shù)，且CFI可以表征植物的基因型。

上述溫度脅迫從熒光RGB圖像的葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化和熒光比值多個(gè)方面進(jìn)行研究，表明植物受溫度脅迫后葉綠素平均濃度降低，反應(yīng)PSII光合能力變化的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Y(II)和NPQ敏感性高，F(xiàn)440/F690和F440/F740比值下降。但大多是進(jìn)行單一的溫度脅迫研究，只有LANG等[18]研究了高溫與水脅迫共同發(fā)生時(shí)的情況。

2.2 光照脅迫

光照是植物生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，非適量的光照對(duì)作物生長(zhǎng)會(huì)造成脅迫傷害，因此在溫室/田間生產(chǎn)中需要早期檢測(cè)光脅迫，在細(xì)胞發(fā)生氧化損傷之前根據(jù)植物接收到的日照強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)遮陰或輔助補(bǔ)光。OMASA等[20]開發(fā)了一種新的影像儀器系統(tǒng)可以用于定量分析暗光轉(zhuǎn)換過程中葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度的快速變化，試驗(yàn)中在沒有明顯損傷的整個(gè)單葉上進(jìn)行動(dòng)態(tài)CFI成像，既顯示了光合作用活性的局部變化，也顯示了葉綠體中光合電子傳遞系統(tǒng)的抑制位點(diǎn)。SANDHU等[21]通過測(cè)量F680和F740nm等穩(wěn)定狀態(tài)熒光圖像評(píng)估了UV-B輻射（290～320nm）對(duì)黃瓜葉片的影響，熒光圖像揭示了UV-B脅迫引起的變化，幫助評(píng)估UV-B對(duì)植物光合組織引起的損傷。MAZZA等[22]認(rèn)為紫外線輻射造成的損害主要取決于物種或栽培品種，因?yàn)樵耘嗥贩N在葉片紫外線滲透中存在明顯的差異，且可以通過CFI進(jìn)行測(cè)量。

TAKAYAMA等[23]開發(fā)了一種CFI系統(tǒng)，能夠在液氮下捕獲葉片的葉綠素?zé)晒鈭D像（F683和F730），F(xiàn)683主要由PSII和捕光復(fù)合體II發(fā)射，而F730主要由PSI和LHCI發(fā)射。試驗(yàn)中蕓豆的葉片區(qū)域遭遇輕度光脅迫后F683的下降與F730/F683和非光化學(xué)淬滅NPQ的增加有關(guān)。因此，參數(shù)NPQ可以用來評(píng)估植物所受輕度脅迫。但是目前NPQ的估算是從葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量的脈沖幅度調(diào)制PAM測(cè)量得來的，并且需要測(cè)量完全暗適應(yīng)后材料中的最大熒光產(chǎn)量Fm，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到條件阻礙，尤其是在成像應(yīng)用中Fm的測(cè)量會(huì)受殘余光的影響引入假象。TIETZ等[24]為了解決這些限制，對(duì)擬南芥葉片進(jìn)行研究，推導(dǎo)并表征了一組新的參數(shù)，NPQ(T)可以在幾秒鐘內(nèi)測(cè)量，且參數(shù)可以在不需要Fm的情況下估算NPQ，實(shí)現(xiàn)高通量和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

上述光照脅迫研究中，評(píng)估了紫外輻射對(duì)植物的影響，提出紫外線輻射造成的損害主要取決于物種或栽培品種，熒光比率F730/F683可以用于研究葉片表面上的輕度光脅迫，建議參數(shù)NPQ用來評(píng)估植物所受輕度脅迫，且有研究提出了不受殘余光假象影響的新參數(shù)NPQ(T)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2.3 水分脅迫

水資源利用率是植物生產(chǎn)力最重要的限制因素之一，水脅迫能夠改變農(nóng)業(yè)作物代謝，延緩生長(zhǎng)并抑制植物的光合作用，因此適當(dāng)監(jiān)測(cè)植物水分脅迫對(duì)于開發(fā)可持續(xù)的作物生產(chǎn)灌溉計(jì)劃至關(guān)重要。MENG等[25]利用葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)研究了煙草葉片的內(nèi)部水源轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)證明快速誘導(dǎo)和碳水化合物輸入之間存在相關(guān)性，較高的線粒體呼吸可以為卡爾文循環(huán)提供CO2。ZARCOTEJADA等[26]對(duì)橄欖樹和桃園使用熒光成像進(jìn)行水分脅迫試驗(yàn)，證明了從空氣中的圖像中提取樹木葉綠素?zé)晒獾目尚行?，證明CFI可以作為整個(gè)葉面積光合功能指標(biāo)，同時(shí)可以幫助早期識(shí)別植物水分脅迫，用于優(yōu)化灌溉管理。

干旱脅迫也可以通過CFI進(jìn)行診斷，觀察到葉片表面葉綠素?zé)晒獾漠愘|(zhì)性模式。LANG等[27]測(cè)定了煙葉F440/F690和F440/F740的線性增加，因?yàn)闊熑~的相對(duì)含水量低于88%～84%，并且他們能夠區(qū)分完整葉面積中這些比例的局部干擾。LICHTENTHALER等[28]以通過CFI測(cè)量豆葉不同部位的光合能力梯度，發(fā)現(xiàn)Rfd和Fm/Fs的比值隨著水分脅迫的進(jìn)展而降低。CALATAYUD等[29]在遭受漸進(jìn)性水分脅迫的玫瑰植物中觀察PSII光合能力的時(shí)空變化：在時(shí)間方面，非光化學(xué)過程在水分脅迫的第1天內(nèi)增加，但隨著相對(duì)含水量下降非光化學(xué)過程減少。這和ΦPSII，qP和qL的逐漸減少ΦNO增加有關(guān)；關(guān)于空間差異，F(xiàn)v/Fm，qP和qL在整個(gè)葉中是相當(dāng)均勻的。相反，在整個(gè)干旱期（9d），F(xiàn)0和Fm在中脈旁邊較高，ΦPSII，NPQ和NO僅在干旱時(shí)期的中期表現(xiàn)出空間差異。Fs/F0比率與NPQ和Φ(NPQ）強(qiáng)烈相關(guān)，直至RWC為20%。這與光化學(xué)猝滅和非光化學(xué)猝滅的降低以及ΦNO的增加相一致。SHIHCHIEH等[30]通過獲取卷心菜苗葉的熒光圖像顯影（460nm），結(jié)合來源于本研究中猝滅曲線定量模型的動(dòng)態(tài)熒光指數(shù)（DFI），建立了一種能夠?qū)Ω仕{(lán)幼苗水分脅迫進(jìn)行無損評(píng)估的動(dòng)態(tài)熒光圖像指標(biāo)體系，使用動(dòng)態(tài)熒光指數(shù)預(yù)測(cè)幼苗水分脅迫狀態(tài)的定量模型的最佳結(jié)果是使用720nm通道r=0.944和SEE=0.286MPa，其中Rfd用于評(píng)估熒光減少率。MISHRA等[31]得出結(jié)論，CFI可用于鑒定高通量篩選的高耐旱性，以篩選番茄中的抗性基因型。在干旱條件下，誘導(dǎo)脅迫7d后，F(xiàn)v/Fm，ΔPSII和NPQ在野生型和轉(zhuǎn)基因番茄植物之間產(chǎn)生良好的對(duì)比。姚潔妮[32]使用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)和多光譜熒光成像研究擬南芥干旱脅迫響應(yīng)表型分析，提出基于序列前向選擇特征選擇法和線性判別分類器可以實(shí)現(xiàn)干旱第1，3，8天不同干旱程度擬南芥的分類，野生型擬南芥和突變體擬南芥預(yù)測(cè)干旱第1，3，8天的平均準(zhǔn)確率分別為78.3%和88.3%。周春艷等[33]以460nm藍(lán)色LED為激發(fā)光源，融合了葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)和熒光圖像的研究方法，對(duì)不同干旱脅迫條件下的植物進(jìn)行水分脅迫和生長(zhǎng)狀態(tài)信息的觀測(cè)，對(duì)非易失水和易失水葉片分別進(jìn)行緩慢和快速水分脅迫，實(shí)驗(yàn)表明動(dòng)力學(xué)曲線上次峰值出現(xiàn)的時(shí)間及熒光比Rfd隨著脅迫的加劇均發(fā)生變化，確定了水分脅迫下葉綠素?zé)晒鈭D像與時(shí)間的關(guān)系。

上述研究通過葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)研究植物所受水份的脅迫，表明植物中水份與碳水化合物、F440/F690和F440/F740、Rfd、及PSII光合能力有關(guān)，同時(shí)CFI不僅可以用于診斷植物的水或旱脅迫，還可以篩選植物中的抗性基因型，為使用葉綠素?zé)晒鈭D像進(jìn)行植物環(huán)境水分脅迫提供理論依據(jù)。

2.4 營(yíng)養(yǎng)脅迫

葉綠素?zé)晒獾膽?yīng)用有助于避免過量施肥確保最佳生產(chǎn)力，而目前葉綠素?zé)晒獬上裱芯恐袑?duì)氮（N）和鐵（Fe）的研究較多。N是植物發(fā)育所需的最大量的營(yíng)養(yǎng)素，葉中大部分N（50%～80%）在光合作用中起重要作用，N的吸收和葉綠素含量的差異可以通過熒光成像系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，如高氮供應(yīng)的甜菜植物可以通過F440/F690和F440/F740值區(qū)別于低氮供應(yīng)的甜菜植物[34]。HEISEL等[35]獲得了類似的結(jié)果，上述比值的變化歸因于在690和740nm處熒光發(fā)射的減少。楊一璐等[36]對(duì)N營(yíng)養(yǎng)脅迫做了分析，提取辣椒葉片的25個(gè)葉綠素?zé)晒鈭D像的特征參數(shù)，對(duì)其中18個(gè)顯著相關(guān)(p＜0.01)的特征值用PCA降維至3個(gè)有效變量，將結(jié)果作為BPNN、GRNN和MLR模型的輸入變量，建立辣椒葉片N含量的預(yù)測(cè)模型。

鐵（Fe）是植物的必需元素，F(xiàn)e的缺失不僅導(dǎo)致光合速率下降，還降低穩(wěn)態(tài)光合作用下實(shí)際的光系統(tǒng)II效率。DONNINI等[37]在兩種不同的實(shí)驗(yàn)條件下確定黃瓜在Fe缺乏條件下測(cè)定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)有顯著變化，熒光成像有明顯的異質(zhì)性，這表明光合作用過程發(fā)生改變。OSóRIO等[38]發(fā)現(xiàn)草莓幼葉葉片葉綠素濃度在Fe脅迫下隨著時(shí)間的推移逐漸下降，葉綠素?zé)晒鈭D像（Fv/Fm，ΦPSII，NPQ，qP）表現(xiàn)出很大的空間變化，F(xiàn)v/Fm是受影響的最后一個(gè)參數(shù)，ΦPSII可以作為早期快速檢測(cè)Fe脅迫的指標(biāo)幫助管理施肥。WANSON等[39]通過適當(dāng)?shù)目刂茖?shí)現(xiàn)在體內(nèi)實(shí)時(shí)量化Ca+，pH和ROS的變化，研究可用于可視化的熒光細(xì)胞探針遺傳編碼傳感器。

上述N和Fe的研究文獻(xiàn)從葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度比值和圖像異質(zhì)性方向研究植物受脅迫后的情況，葉綠素濃度與脅迫時(shí)間呈負(fù)相關(guān)性，F(xiàn)440/F690和F440/F740值可以用于識(shí)別N脅迫的高低，ΦPSII可以作為早期檢測(cè)Fe脅迫的熒光參數(shù)，且提取熒光圖像上的特征參數(shù)可用于建立脅迫的預(yù)測(cè)建模。這些研究為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)影響脅迫提供了良好的基礎(chǔ)。

2.5 鹽脅迫

土壤鹽漬化是限制作物存活率，降低農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量的重要因素之一。鹽漬化土壤的改良與利用，能有效緩解世界人口增長(zhǎng)與可耕地面積減少等帶來糧食產(chǎn)量不足，種植作物種類受限，生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞等問題。YUAN等[40]采用葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)鑒定了外源腐胺對(duì)鹽脅迫下黃瓜幼苗光合性能和熱耗散能力的影響，試驗(yàn)中鹽脅迫降低了Fv/Fm、ΦPSII、qP和qN，并顯著增加了ΦNO，噴施外源腐胺在受脅迫的植物上增強(qiáng)了植物調(diào)節(jié)能量ΦNPQ的耗散并降低了ΦNO。MARIAM等[41]使用高通量表型系統(tǒng)捕獲擬南芥植物響應(yīng)鹽脅迫的生長(zhǎng)、形態(tài)、顏色和光合作用，研究顯示在鹽脅迫的早期階段耐鹽性與非光化學(xué)猝滅過程相關(guān)，而在后期階段植物性能與量子產(chǎn)率相關(guān)。RIGó等[42]通過測(cè)定非破壞性葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、ΦPSII成像篩選鹽、滲透和氧化脅迫耐受性，鑒定了20種擬南芥系在限制條件下具有優(yōu)異的性能。周鵬等[43]利用葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)研究鹽脅迫對(duì)柳樹葉片光合機(jī)構(gòu)的影響,結(jié)果顯示鹽脅迫下灌木柳Fv/Fm熒光圖像變化明顯，熒光參數(shù)Fv/Fm、Fm和ΦPSII值均顯著下降，qP則有所上升，F(xiàn)o則顯著高于對(duì)照組。王文森[44]對(duì)不同品種的大豆用NaCl進(jìn)行脅迫，發(fā)現(xiàn)在通過氣孔限制緩解NaCl脅迫下，苗期大豆葉片的Y(NO)變化不顯著，而當(dāng)主要因素為非氣孔限制時(shí)(NO)顯著提升，且光合系統(tǒng)受損。

上述研究表明鹽抑制了植物生長(zhǎng)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、ΦPSII降低，在鹽脅迫的早期階段耐鹽性與非光化學(xué)猝滅過程相關(guān)，而在后期階段植物性能與量子產(chǎn)率相關(guān)，當(dāng)Y(NO)顯著提升時(shí)已發(fā)生嚴(yán)重脅迫損傷。而外源腐胺可緩解鹽脅迫誘導(dǎo)的光合作用的不利影響，同時(shí)也增強(qiáng)了鹽脅迫下葉黃素循環(huán)色素的脫環(huán)氧化狀態(tài)，從而提高植物的耐鹽能力。

3 結(jié)論

本研究展示了CFI在植物生長(zhǎng)環(huán)境研究中的巨大潛力，CFI能將植物生長(zhǎng)環(huán)境中的脅迫損傷快速、直觀地反映出來，進(jìn)行篩選植物中的抗性基因型，從而提高植物的抗脅迫能力。CFI可以用作決策支持系統(tǒng)中的傳感器，監(jiān)測(cè)受控溫室中的植物，盡早鑒定新陳代謝受損和生長(zhǎng)受阻的植物，從而避免由于環(huán)境脅迫造成的產(chǎn)量損失，同時(shí)也避免主觀判斷，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確客觀地監(jiān)測(cè)植物健康。因此CFI是植物環(huán)境脅迫研究的有力工具，該項(xiàng)目對(duì)進(jìn)一步研究環(huán)境脅迫對(duì)植物的影響具有重要意義。

盡管CFI在植物生長(zhǎng)環(huán)境應(yīng)用中稱為一種無損快速的工具，但它還存在一些局限性，例如，由于光吸收的差異，熒光信號(hào)的成像可能會(huì)被非熒光組織干擾（例如卷曲或表面被灰塵污染的葉子）。而且，目前，大多試驗(yàn)都是進(jìn)行單一的脅迫研究，很少有同時(shí)研究區(qū)分兩種脅迫的試驗(yàn)，研究中也沒有明確的脅迫分級(jí)，不利于后期的脅迫調(diào)控。未來的工作需要針對(duì)兩個(gè)方向：第一，目前CFI在環(huán)境研究中，大都是RGB圖像結(jié)合葉綠素?zé)晒鈪?shù)或植物本身的生理參數(shù)的研究，可從熒光圖像本身的脅迫區(qū)域顏色、紋理、面積等特征入手建立不同的脅迫等級(jí)。第二，確定影響植物生產(chǎn)的環(huán)境因子的最佳范圍后，實(shí)現(xiàn)不同脅迫類型的自動(dòng)化識(shí)別和環(huán)境控制，達(dá)到預(yù)測(cè)和預(yù)防的實(shí)際生產(chǎn)需求。