使用徒手和半薄切片评估 小麦和 Zea mays 的 C3 和 C4 光合作用分化的结构特征

Summary

评估 C₃ 和 C₄ 叶横截面之间的解剖学差异有助于了解光合作用效率。本文描述了徒手和半薄叶横截面的制备和检查，以及作物物种 Triticum aestivum 和 Zea mays 的准备注意事项。

Abstract

与 C₃ 机制相比，C₄ 光合作用的效率更高，源于其将 CO₂ 浓缩在束鞘细胞中的能力。C₄ 光合作用的有效性和内在水分利用效率与叶肉和束状叶细胞的份额、束状叶鞘的大小和密度以及束状鞘状细胞的大小、密度和细胞壁厚度直接相关。可以使用常规光学显微镜对徒手和半薄切片进行这些性状的快速显微镜分析，通过识别和检查特定细胞类型提供有关 C₄ 作物光合效率的宝贵信息。此外，还显示了影响解剖测量和细胞类型诊断的手绘和半薄片制备错误，以及如何避免这些错误。这种显微镜方法提供了一种有效的方法来收集对环境变化的光合适应的见解，并有助于快速筛选作物以适应未来的气候。

Introduction

光合作用是将光能转化为化学能的基本过程，是陆地营养网络的基石。大多数植物遵循光合作用的 C₃ 途径，其中主要的光合作用产物是三碳化合物甘油酸酯 3-磷酸盐。C₃ 光合作用是在 20 多亿年前在大气中进化而来的，其中 CO₂ 含量丰富，O₂¹ 含量较低。在这些条件下进化的关键光合酶核酮糖 1,5 二磷酸羧化酶/加氧酶 （Rubisco） 在当前低 CO₂ 高 O₂ 条件下是次优的，因为它与 O₂ 竞争性反应，启动光呼吸²。光呼吸是一种浪费的途径，它消耗能量而不是产生能量并释放 CO₂ 作为副产品。因此，在叶绿体中 Rubisco 周围保持高 CO₂ 浓度以防止氧合至关重要 ^3,4。由于 C₃ 植物无法浓缩 CO₂，因此 CO₂ 从环境空气中大量吸收到叶绿体中，抑制光合作用并影响植物生长和生物质生产 ^2,5,6。

Protocol

1. 植物生长条件

1. 分别选择小麦 （Triticum aestivum L. Var. 冬小麦， “Fredis”） 和玉米 （Zea mays L. Var. Saccharata， “Golden Bantam”） 作为代表性的 C₃ 和 C₄ 植物。在环境受控的生长室中用种子培养这两种植物。
2. 将相对湿度保持在 55%，空气温度为 25 °C/18 °C（昼/夜），光照时间为 12 小时。将植物表面的光合光子通量密度 （Q） 保持在 1200 μmol/m

Discussion

在本文中，我们讨论了测量叶片解剖结构的定量和定性方法以及优化它们的方法。此外，该方法应用于代表性作物物种，以确定哪些解剖性状在区分 C₃ 和 C₄ 横截面时最有用。了解这些特征至关重要，因为被称为 C₂ 光合作用的杂交物种正在成为一种更有前途的研究途径。截至目前，只有一种作物物种 Diplotaxis tenuifolia （芝麻菜）被确定使用 C₂ 光合作用，但?.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Disodium hydrogen phosphate dihydrate (Na2HPO42H2O) pure	PENTA, CZ	10028-24-7
Embedding Film, 7.8 mil Thick, 8 x 12.5, (203 x 318mm)	ACLAR, US	10501-10
Ethanol, abs. 100% a.r.	Chem-Lab NV, BE	CL00.0505.1000	Danger: Highly inflammable liquid and vapour.
EVOS Invitrogen FL Auto 2 Imaging System	Thermo Fisher Scientific, US
Flat Embedding PTFE Mold with Metal Frame, 16 cavities	PELCO, US	10501
Glass vial 2 ml	VWR Life Science, US	548-0045
Glutaraldehyde 50% solution	VWR Life Science, US	23H2856331	Danger: Fatal if inhaled. Toxic if swallowed. Causes severe skin burns and eye damage. May cause respiratory irritation. Wear protective gloves, protective clothing, eyes and face protection.
Histo diamond knife	Diatome, US
LEICA EM UC7	Leica Vienna, AT
LR White resin hard grade	Electron Microscopy Sciences, US	14383	Danger: Causes skin irritation. Causes severe eye irritation May cause respiratory irritation. May cause drowsiness or dizziness Wear protective gloves, protective clothing, eyes and face protection.
Microscope slides	Normax, PT	5470308A
Nikon Eclipse E600 and Nikon DS0Fi1 5 MP	Nikon Corporation, JP
Osmium Tetroxide (OsO4)	Agar Scientific Ltd, GB	R1019	Danger: Fatal if swallowed, in contact with skin or if inhaled. Causes severe skin burns and eye damage Wear double protective gloves, protective clothing, eyes and face protection.
Pipette and pipette tips	Thermo Scientific, FI	KJ16047
Sodium dihydrogen phosphate dihydrate (NaH2PO4 . 2H2O) pure	PENTA, CZ	13472-35-0
Syringe 10 ml	Ecoject, DE	20010
Toluidine blue, general purpose grade	Fisher Scientific, GB	2045836