Name: high-throughput analysis of non-photochemical quenching in crops using pulse amplitude modulated chlorophyll fluorometry
Uploaded: 2022-07-06T12:50:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about High-Throughput Analysis of Non-Photochemical Quenching in Crops Using Pulse Amplitude Modulated Chlorophyll Fluorometry at JoVE.com

Este trabajo está respaldado por el proyecto de investigación Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) que está financiado por la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación para la Investigación de Alimentos y Agricultura y la Oficina de Relaciones Exteriores, Commonwealth y Desarrollo del Reino Unido bajo el número de subvención OPP1172157.

1. Siembra de semillas
<ol><li>Elija un sitio de campo con suelo fértil, bien drenado, pero no arenoso, y con un pH de casi 6.5. Marque parcelas de 1,2 m de fila con un espaciado de 0,75 m anotando el suelo con una azada.</li>
	<li>Plantar 50 semillas/m de G.max cv. IA3023 a 3 cm de profundidad a lo largo de cada parcela al comienzo de la temporada de crecimiento cuando las temperaturas del suelo estén entre 25 y 30 °C. NOTA: Con el propósito de evaluar la diversidad genética, se esper...

<ol>
	<li>Blankenship, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Molecular Mechanisms of Photosynthesis. , (2021).</li><li>Murchie, E. H., Niyogi, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manipulation+of+photoprotection+to+improve+plant+photosynthesis.">Manipulation of photoprotection to improve plant photosynthesis.</a> Plant Physiology. 155 (1), 86-92 (2011).</li><li>Horton, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+light+harvesting+and+photoprotection:+molecular+mechanisms+and+physiological+consequences.">Optimization of light harvesting and photoprotection: molecular mechanisms and physiological consequences.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 367 (1608), 3455-3465 (2012).</li><li>Slattery, R. A., Ort, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photosynthesis:+photosynthetic+efficiency+improvement.">Photosynthesis: photosynthetic efficiency improvement.</a> Encyclopedia of Biological Chemistry III (Third Edition). , 256-267 (2021).</li><li>Zhu, X. -. G., Ort, D. R., Whitmarsh, J., Long, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+slow+reversibility+of+photosystem+II+thermal+energy+dissipation+on+transfer+from+high+to+low+light+may+cause+large+losses+in+carbon+gain+by+crop+canopies:+a+theoretical+analysis.">The slow reversibility of photosystem II thermal energy dissipation on transfer from high to low light may cause large losses in carbon gain by crop canopies: a theoretical analysis.</a> Journal of Experimental Botany. 55 (400), 1167-1175 (2004).</li><li>Kromdijk, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+photosynthesis+and+crop+productivity+by+accelerating+recovery+from+photoprotection.">Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection.</a> Science. 354 (6314), 857-861 (2016).</li><li>Maxwell, K., Johnson, G. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chlorophyll+fluorescence-a+practical+guide.">Chlorophyll fluorescence-a practical guide.</a> Journal of Experimental Botany. 51 (345), 659-668 (2000).</li><li>Murchie, E. H., Lawson, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chlorophyll+fluorescence+analysis:+a+guide+to+good+practice+and+understanding+some+new+applications.">Chlorophyll fluorescence analysis: a guide to good practice and understanding some new applications.</a> Journal of Experimental Botany. 64 (13), 3983-3998 (2013).</li><li>Baker, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chlorophyll+fluorescence:+a+probe+of+photosynthesis+in+vivo.">Chlorophyll fluorescence: a probe of photosynthesis in vivo.</a> Annual Review of Plant Biology. 59 (1), 89-113 (2008).</li><li>Bilger, W., Bj&#246;rkman, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+the+xanthophyll+cycle+in+photoprotection+elucidated+by+measurements+of+light-induced+absorbance+changes,+fluorescence+and+photosynthesis+in+leaves+of+Hedera+canariensis.">Role of the xanthophyll cycle in photoprotection elucidated by measurements of light-induced absorbance changes, fluorescence and photosynthesis in leaves of Hedera canariensis.</a> Photosynthesis Research. 25 (3), 173-185 (1990).</li><li>Li, X. -. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+pigment-binding+protein+essential+for+regulation+of+photosynthetic+light+harvesting.">A pigment-binding protein essential for regulation of photosynthetic light harvesting.</a> Nature. 403 (6768), 391-395 (2000).</li><li>Niyogi, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PHOTOPROTECTION+REVISITED:+genetic+and+molecular+approaches.">PHOTOPROTECTION REVISITED: genetic and molecular approaches.</a> Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 50 (1), 333-359 (1999).</li><li>Ruban, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonphotochemical+Chlorophyll+fluorescence+quenching:+mechanism+and+effectiveness+in+protecting+plants+from+photodamage.">Nonphotochemical Chlorophyll fluorescence quenching: mechanism and effectiveness in protecting plants from photodamage.</a> Plant physiology. 170 (4), 1903-1916 (2016).</li><li>Krause, G. H., Vernotte, C., Briantais, J. -. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoinduced+quenching+of+chlorophyll+fluorescence+in+intact+chloroplasts+and+algae.+Resolution+into+two+components.">Photoinduced quenching of chlorophyll fluorescence in intact chloroplasts and algae. Resolution into two components.</a> Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 679 (1), 116-124 (1982).</li><li>Nilkens, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+a+slowly+inducible+zeaxanthin-dependent+component+of+non-photochemical+quenching+of+chlorophyll+fluorescence+generated+under+steady-state+conditions+in+Arabidopsis.">Identification of a slowly inducible zeaxanthin-dependent component of non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence generated under steady-state conditions in Arabidopsis.</a> Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 1797 (4), 466-475 (2010).</li><li>Krause, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoinhibition+of+photosynthesis.+An+evaluation+of+damaging+and+protective+mechanisms.">Photoinhibition of photosynthesis. An evaluation of damaging and protective mechanisms.</a> Physiologia Plantarum. 74 (3), 566-574 (1988).</li><li>Brooks, M. D., Sylak-Glassman, E. J., Fleming, G. R., Niyogi, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+thioredoxin-like/&#946;-propeller+protein+maintains+the+efficiency+of+light+harvesting+in+Arabidopsis.">A thioredoxin-like/&#946;-propeller protein maintains the efficiency of light harvesting in Arabidopsis.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (29), 2733-2740 (2013).</li><li>Demmig, B., Bj&#246;rkman, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+effect+of+excessive+light+on+chlorophyll+fluorescence+(77K)+and+photon+yield+of+O2+evolution+in+leaves+of+higher+plants.">Comparison of the effect of excessive light on chlorophyll fluorescence (77K) and photon yield of O2 evolution in leaves of higher plants.</a> Planta. 171 (2), 171-184 (1987).</li><li>Malno&#235;, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+plastid+lipocalin+LCNP+is+required+for+sustained+photoprotective+energy+dissipation+in+Arabidopsis.">The plastid lipocalin LCNP is required for sustained photoprotective energy dissipation in Arabidopsis.</a> The Plant Cell. 30 (1), 196-208 (2018).</li><li>Amstutz, C. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+atypical+short-chain+dehydrogenase-reductase+functions+in+the+relaxation+of+photoprotective+qH+in+Arabidopsis.">An atypical short-chain dehydrogenase-reductase functions in the relaxation of photoprotective qH in Arabidopsis.</a> Nature Plants. 6 (2), 154-166 (2020).</li><li>Dall'Osto, L., Cazzaniga, S., Wada, M., Bassi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+origin+of+a+slowly+reversible+fluorescence+decay+component+in+the+Arabidopsis+npq4+mutant.">On the origin of a slowly reversible fluorescence decay component in the Arabidopsis npq4 mutant.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 369 (1640), 20130221 (2014).</li><li>Chekanov, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-photochemical+quenching+in+the+cells+of+the+carotenogenic+chlorophyte+Haematococcus+lacustris+under+favorable+conditions+and+under+stress.">Non-photochemical quenching in the cells of the carotenogenic chlorophyte Haematococcus lacustris under favorable conditions and under stress.</a> Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects. 1863 (10), 1429-1442 (2019).</li><li>Allorent, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+dual+strategy+to+cope+with+high+light+in+Chlamydomonas+reinhardtii.">A dual strategy to cope with high light in Chlamydomonas reinhardtii.</a> The Plant Cell. 25 (2), 545-557 (2013).</li><li>Holzwarth, A. R., Lenk, D., Jahns, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+analysis+of+non-photochemical+chlorophyll+fluorescence+quenching+curves:+I.+Theoretical+considerations.">On the analysis of non-photochemical chlorophyll fluorescence quenching curves: I. Theoretical considerations.</a> Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 1827 (6), 786-792 (2013).</li><li>Barbagallo, R. P., Oxborough, K., Pallett, K. E., Baker, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid,+noninvasive+screening+for+perturbations+of+metabolism+and+plant+growth+using+chlorophyll+fluorescence+imaging.">Rapid, noninvasive screening for perturbations of metabolism and plant growth using chlorophyll fluorescence imaging.</a> Plant physiology. 132 (2), 485-493 (2003).</li><li>Nedbal, L., Soukupov&#225;, J., Kaftan, D., Whitmarsh, J., Trt&#237;lek, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetic+imaging+of+chlorophyll+fluorescence+using+modulated+light.">Kinetic imaging of chlorophyll fluorescence using modulated light.</a> Photosynthesis Research. 66 (1), 3-12 (2000).</li><li>Kuhlgert, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MultispeQ+Beta:+a+tool+for+large-scale+plant+phenotyping+connected+to+the+open+PhotosynQ+network.">MultispeQ Beta: a tool for large-scale plant phenotyping connected to the open PhotosynQ network.</a> Royal Society Open Science. 3 (10), 160592 (2016).</li><li>Cruz, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+environmental+photosynthetic+imaging+reveals+emergent+phenotypes.">Dynamic environmental photosynthetic imaging reveals emergent phenotypes.</a> Cell Systems. 2 (6), 365-377 (2016).</li><li>McAusland, L., Atkinson, J. A., Lawson, T., Murchie, E. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+throughput+procedure+utilising+chlorophyll+fluorescence+imaging+to+phenotype+dynamic+photosynthesis+and+photoprotection+in+leaves+under+controlled+gaseous+conditions.">High throughput procedure utilising chlorophyll fluorescence imaging to phenotype dynamic photosynthesis and photoprotection in leaves under controlled gaseous conditions.</a> Plant Methods. 15 (1), 109 (2019).</li><li>Woo, N. S., Badger, M. R., Pogson, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+rapid,+non-invasive+procedure+for+quantitative+assessment+of+drought+survival+using+chlorophyll+fluorescence.">A rapid, non-invasive procedure for quantitative assessment of drought survival using chlorophyll fluorescence.</a> Plant Methods. 4 (1), 27 (2008).</li><li>Bielczynski, L. W., &#321;&#261;cki, M. K., Hoefnagels, I., Gambin, A., Croce, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Leaf+and+plant+age+affects+photosynthetic+performance+and+photoprotective+capacity.">Leaf and plant age affects photosynthetic performance and photoprotective capacity.</a> Plant Physiology. 175 (4), 1634-1648 (2017).</li><li>Niyogi, K. K., Truong, T. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolution+of+flexible+non-photochemical+quenching+mechanisms+that+regulate+light+harvesting+in+oxygenic+photosynthesis.">Evolution of flexible non-photochemical quenching mechanisms that regulate light harvesting in oxygenic photosynthesis.</a> Physiology and metabolism. 16 (3), 307-314 (2013).</li><li>Delosme, R., Olive, J., Wollman, F. -. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Changes+in+light+energy+distribution+upon+state+transitions:+an+in+vivo+photoacoustic+study+of+the+wild+type+and+photosynthesis+mutants+from+Chlamydomonas+reinhardtii.">Changes in light energy distribution upon state transitions: an in vivo photoacoustic study of the wild type and photosynthesis mutants from Chlamydomonas reinhardtii.</a> Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 1273 (2), 150-158 (1996).</li><li>Quick, W. P., Stitt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+examination+of+factors+contributing+to+non-photochemical+quenching+of+chlorophyll+fluorescence+in+barley+leaves.">An examination of factors contributing to non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence in barley leaves.</a> Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 977 (3), 287-296 (1989).</li><li>Horton, P., Hague, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+on+the+induction+of+chlorophyll+fluorescence+in+isolated+barley+protoplasts.+IV.+Resolution+of+non-photochemical+quenching.">Studies on the induction of chlorophyll fluorescence in isolated barley protoplasts. IV. Resolution of non-photochemical quenching.</a> Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 932, 107-115 (1988).</li></ol>

La elección cuidadosa y el manejo de los discos de hoja son fundamentales para obtener mediciones confiables de NPQ. En primer lugar, el daño al tejido, como el manejo brusco con pinzas, introducirá estrés, lo que resultará en valores bajos para la máxima eficiencia cuántica de la fotosíntesis. Las plantas no estresadas suelen tener valores de Fv/Fm de alrededor de 0,8318, con disminuciones significativas que indican una reducción en el rendimiento ...

La fotosíntesis consiste en la absorción de luz, la transferencia primaria de electrones, la estabilización de energía y la síntesis y transporte de productos fotosintéticos1. Comprender cada paso es vital para guiar los esfuerzos para aumentar la eficiencia fotosintética de los cultivos. La luz afecta la velocidad de la fotosíntesis, lo que requiere equilibrar el suministro de energía, en forma de fotones, con la demanda de equivalentes reductores. Cuando la oferta excede la demanda, por ejemplo, bajo mucha luz o durante la fijación reducida de CO2 causada por el cierre estomático, la acumulación de potencia reductora aumenta la probabilidad de formación de especies reactivas de oxígeno con el potencial de dañar el aparato fotosintético y perjudicar el transporte de electrones. Por lo tanto, para prevenir daños, las plantas han desarrollado varios mecanismos de fotoprotección, incluida la desintoxicación de especies reactivas de oxígeno y el enfriamiento no fotoquímico de los estados de clorofila excitada (NPQ)2.
Mantener altas tasas de fotosíntesis es un desafío en un entorno de campo. Los cambios estacionales y diurnos, junto con las fluctuaciones ambientales, como los movimientos de las hojas inducidos por el viento y la nubosidad transitoria, causan cambios en la cantidad e intensidad de la luz recibida por las plantas para la fotosíntesis3. NPQ disipa el exceso de energía de la luz y puede ayudar a prevenir el daño fotográfico al tiempo que permite tasas sostenidas de fotosíntesis con mucha luz4. Sin embargo, la NPQ prolongada durante las transiciones de alta a baja luz continúa disipando la energía que podría usarse para la reducción de carbono5. Como resultado, acelerar la relajación de NPQ puede aumentar la eficiencia de la fotosíntesis6, haciendo de la relajación de NPQ un objetivo atractivo para la mejora de cultivos.
El análisis de fluorescencia de clorofila modulada por amplitud de pulso (PAM) se puede utilizar para calcular el NPQ a partir de parámetros medibles (Tabla suplementaria 1 y Tabla suplementaria 2)7,8,9. Este artículo se centra en determinar las tasas de relajación de NPQ en plantas cultivadas en el campo con el fin de detectar la variación natural en el germoplasma. Sin embargo, el análisis de fluorometría de clorofila PAM también se puede utilizar para una amplia variedad de propósitos, aplicado a especies que van desde algas hasta plantas superiores, y se revisa en otros lugares 7,8,9.
En una hoja o célula adaptada a la oscuridad, los centros de reacción del fotosistema II (PSII) están abiertos para recibir electrones y no hay NPQ. Encender una luz de medición de baja intensidad provoca fluorescencia de clorofila al tiempo que evita el transporte de electrones a través de PSII. La fluorescencia mínima registrada en este estado adaptado a la oscuridad se describe mediante el parámetro Fo. La aplicación de un pulso de luz de alta intensidad a una hoja adaptada a la oscuridad puede reducir rápidamente el primer grupo estable de aceptores de electrones de quinonas unidas al sitio de la quinona A. Esto bloquea temporalmente la capacidad de transferencia de electrones en los centros de reacción PSII, que luego se dice que están cerrados y no pueden recibir electrones de la división del agua. Al usar una duración de pulso corta, no hay tiempo suficiente para estimular npq. La fluorescencia de clorofila resultante es equivalente al valor máximo obtenible en ausencia de NPQ, o fluorescencia máxima, Fm. La diferencia entre fluorescencia mínima y máxima se conoce como fluorescencia variable, Fv. El rendimiento cuántico fotoquímico máximo del fotosistema II (Fv/Fm) se calcula a partir de estos dos parámetros utilizando la siguiente ecuación:
Fv/Fm = (Fm-F o)/Fm
Esto puede proporcionar un indicador importante de la función del fotosistema y el estrés. Encender una luz actínica (fotosintética) estimula el enfriamiento no fotoquímico, y la posterior aplicación de un flash saturador permite la medición de la fluorescencia máxima adaptada a la luz, Fm'. Al comparar la diferencia entre la fluorescencia máxima oscura y la adaptada a la luz, el NPQ se puede calcular de acuerdo con la ecuación de Stern-Volmer10:
NPQ = Fm/Fm' - 1
En plantas superiores, se ha descrito que npQ consta de al menos cinco componentes distintos, incluidos qE, qT, qZ, qI y qH. Los mecanismos precisos que intervienen en el PNP no se comprenden plenamente; sin embargo, qE se considera el componente principal de NPQ en la mayoría de las plantas. Se ha encontrado que los factores cruciales para la participación total de la qE incluyen la acumulación de un gradiente de protones a través de la membrana tilacoidea, la actividad del fotosistema II subunidad S 11,12 y las xantofilas desoxidadas, la anteraxantina, la luteína y, en particular, la zeaxantina13. qE relaja el más rápido de cualquier componente NPQ (< 2 min)14, y la activación reversible de qE es, por lo tanto, particularmente importante para la adaptación a las intensidades de luz cambiantes. Una segunda fase más lenta de relajación de NPQ (~ 2-30 min) abarca tanto qT, relacionada con las transiciones de estado, como qZ, que implica la interconversión de zeaxantina a violaxantina15. La relajación lenta (> 30 min) de NPQ puede incluir tanto el enfriamiento fotoinhibitorio (qI)16 como procesos independientes del fotodaño17,18, como qH, que es un enfriamiento sostenido en las antenas periféricas de PSII mediado por una proteína plastid lipocalina19,20.
La NPQ aumenta durante la exposición a la luz alta. La transferencia posterior a poca luz puede resultar en una regulación a la baja del NPQ. La desintegración de las fases relajantes rápidas, intermedias y lentas se puede capturar en los parámetros de una funciónbiexponencial 15,21,22,23 
NPQ = Aq1(-t/τ1) + Aq2(-t/τ2) + Aq3
La base teórica para la función biexponencial se basa en el supuesto de la utilización de primer orden de quenchers hipotéticos, incluyendo qE (Aq1), la relajación combinada de qZ y qT (Aq2), con las correspondientes constantes de tiempo τq1 y τq2, y NPQ a largo plazo, que incluye qI y procesos independientes de fotodaño (Aq3). Como tal, la función biexponencial proporciona una representación más realista de los múltiples procesos biológicos conectados involucrados en el enfriamiento de la fluorescencia de clorofila en comparación con una ecuación de Hill más simple que carece de una base teórica24.
NpQ se puede medir utilizando una variedad de fluorómetros PAM disponibles comercialmente25,26, desde simples dispositivos de mano27 hasta sistemas cerrados más avanzados28. Sin embargo, una limitación de varios de estos enfoques es un rendimiento relativamente bajo, lo que hace que la detección de grandes colecciones de plantas sea un desafío sin múltiples dispositivos y un equipo de investigadores. Para abordar este problema, McAusland et al. desarrollaron un procedimiento basado en el tejido foliar extirpado y lo utilizaron para identificar diferencias en la fluorescencia de clorofila entre dos cultivares de trigo29. El atractivo de este enfoque es que la obtención de imágenes de discos de hojas, tomadas de múltiples plantas con un solo dispositivo, puede facilitar la detección de cientos de genotipos en un día. Esto permite evaluar la variación en la relajación de NPQ como parte de los estudios de asociación de todo el genoma, o para detectar poblaciones reproductoras con el potencial de aumentar la eficiencia fotosintética de los cultivos y, en última instancia, el rendimiento.
Sobre la base de los hallazgos de McAusland et al.29, utilizamos el análisis de fluorescencia de clorofila PAM de discos foliares para el cribado de alto rendimiento de las tasas de relajación de NPQ en Glycine max (G.max; soja). Este protocolo utiliza el CF Imager25, que es comparable a otros sistemas pam cerrados disponibles comercialmente, como la popular FluorCam26. Con una sala oscura para la adaptación de muestras, los usuarios pueden obtener imágenes de placas de 96 pocillos, placas de Petri y plantas pequeñas. La ventaja clave de este enfoque es el aumento en el rendimiento que ofrece el uso de discos de hoja en comparación con el análisis secuencial de plantas individuales. A continuación presentamos resultados representativos y un método para el muestreo, la medición y el análisis de NPQ en plantas cultivadas en el campo.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>24 well tissue culture plate</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>FB012929</td>
			<td>Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96 well tissue culture plate</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>FB012931</td>
			<td>Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum foil</td>
			<td>Antylia Scientific</td>
			<td>&#160;61018-56</td>
			<td>Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Black marker pen</td>
			<td>Sharpie</td>
			<td>SAN30001</td>
			<td>Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CF imager</td>
			<td>Technologica Ltd.</td>
			<td>N/A</td>
			<td>chlorophyll fluorescence imager 
			Country of Origin: United Kingdom</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cork-borer, 7mm</td>
			<td>Humboldt Mfg Co</td>
			<td>H9665</td>
			<td>Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FluorImager V2.305 Software</td>
			<td>Technologica Ltd.</td>
			<td>N/A</td>
			<td>imaging software 
			Country of Origin: United Kingdom</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iHank-Nose 100-Pack of Premium Nasal Aspirator Hygiene Filters</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>&#160;B07P6XCTGV</td>
			<td>Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Marker stakes</td>
			<td>John Henry Company</td>
			<td>KN0151</td>
			<td>Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paper scissors</td>
			<td>VWR</td>
			<td>82027-596</td>
			<td>Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm</td>
			<td>Bemis Company Inc.</td>
			<td>&#160;S3-594-6</td>
			<td>Semi -transparent flexible film 
			Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solid rubber stoppers</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-130M</td>
			<td>Country of Origin: United States of America</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-throughput analysis of non-photochemical quenching in crops using pulse amplitude modulated chlorophyll fluorometry

La fotosíntesis no está optimizada en las variedades de cultivos modernos y, por lo tanto, brinda una oportunidad de mejora. Acelerar la relajación del enfriamiento no fotoquímico (NPQ) ha demostrado ser una estrategia efectiva para aumentar el rendimiento fotosintético. Sin embargo, el potencial de reproducirse para mejorar el NPQ y una comprensión completa de la base genética de la relajación del NPQ es deficiente debido a las limitaciones del sobremuestreo y la recopilación de datos de las plantas de cultivo cultivadas en el campo. Sobre la base de informes anteriores, presentamos un ensayo de alto rendimiento para el análisis de las tasas de relajación de NPQ en Glycine max (soja) utilizando fluorometría de clorofila de amplitud modulada por pulso (PAM). Los discos de hoja se muestrean de soja cultivada en el campo antes de su transporte a un laboratorio donde se mide la relajación de NPQ en un fluorómetro PAM cerrado. Los parámetros de relajación de NPQ se calculan ajustando una función biexponencial a los valores de NPQ medidos después de una transición de luz alta a baja. Usando este método, es posible probar cientos de genotipos en un día. El procedimiento tiene el potencial de detectar paneles mutantes y de diversidad para detectar la variación en la relajación de NPQ y, por lo tanto, se puede aplicar tanto a preguntas de investigación fundamentales como aplicadas.

La Figura 1A muestra una medición típica del NPQ en la soja cultivada en el campo. Las plantas se cultivaron en Urbana, IL (latitud 40.084604°, longitud -88.227952°) durante el verano de 2021, con semillas plantadas el 5 de junio. 2021. Los discos foliares fueron muestreados después de 30 días de siembra de semillas, y se realizaron mediciones con el protocolo proporcionado (Tabla 1). Se calcularon los valores de Fv/Fm y NPQ para cada disco fo...

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High-Throughput Analysis of Non-Photochemical Quenching in Crops Using Pulse Amplitude Modulated Chlorophyll Fluorometry

El protocolo introduce un método de alto rendimiento para medir la relajación del enfriamiento no fotoquímico mediante fluorometría de clorofila modulada por amplitud de pulso. El método se aplica a Glycine max cultivada en el campo y se puede adaptar a otras especies para detectar la diversidad genética o las poblaciones reproductoras.

Análisis de alto rendimiento del enfriamiento no fotoquímico en cultivos mediante fluorometría de clorofila modulada por amplitud de pulso

Photosynthesis is not optimized in modern crop varieties, and therefore provides an opportunity for improvement. Speeding up the relaxation of ...

Este método puede proporcionar una idea de la variación genética en el enfriamiento no fotoquímico disponible dentro de los paneles de diversidad genética o las poblaciones reproductoras. La principal ventaja de esta técnica es el potencial de examinar un gran número de genotipos para detectar variaciones en el enfriamiento no fotoquímico en un solo día. El protocolo se presenta para la glicina máxima o la soja, pero se puede adaptar para analizar otros espacios vegetales de los que se pueden recoger discos de elevación.Para alguien que realiza el protocolo por primera vez, la clave es manejar el disco de elevación para evitar daños o esponjas sobresaturadas con agua. Para comenzar, muestree las plantas en el sitio de campo 30 días después de la germinación. Llene 1/3 de nivel de agua destilada en todos los pozos de una placa de 24 pocillos.Etiquete la tapa y el lado de la placa con las réplicas que se van a muestrear. Sostenga la hoja más joven expandida presente en la parte superior de la planta contra un tapón de goma. Presione un barrenador de corcho de Humboldt número dos a través de la hoja y gire para cortar un disco, evitando la costilla media.Recolectar consecutivamente cinco discos de la misma hoja para réplicas técnicas. Empuje los discos de la hoja fuera del barrenador del corcho en un solo pozo de una placa de 24 pocillos con un hisopo de algodón y repita esto para una planta diferente del mismo genotipo. Compruebe que todos los discos de hojas estén flotando en el agua.De lo contrario, mueva suavemente los discos de las hojas pegados al costado de un pozo en una posición flotante con un hisopo de algodón. Pase a los discos de muestreo de la siguiente gráfica. Coloque la tapa y el sello con una película flexible semitransparente.después de completar el muestreo en toda la placa de 24 pocillos. Guarde el plato fuera de la luz solar directa en una bolsa, caja o refrigerador vacío. En un espacio de laboratorio limpio, toque la tapa de la placa sellada para desalojar los discos de hojas pegados a la tapa durante el transporte.Desenvuelva la película y retire la tapa. Transfiera un disco de hoja desde la primera posición de la placa de 24 pocillos a una placa fresca de 96 pocillos con el disco de hoja mirando hacia abajo en la parte inferior del pozo. Corte un filtro aspirador nasal por la mitad.Sumerja el filtro resultante hasta la mitad en agua y aplique una toalla de papel para eliminar el exceso de líquido. Inserte el filtro en el pozo con el disco de la hoja para mantener la humedad. Tome un segundo disco de hoja de la primera posición de la placa de 24 pocillos y colóquelo boca abajo en la siguiente posición disponible de la placa de 96 pocillos.Sumerja la mitad restante del filtro nasal producido en agua y aplíquelo en una toalla de papel antes de insertarlo en el pozo con el segundo disco de hoja. Pega con cinta adhesiva la esquina superior derecha para ayudar a orientar la placa en la oscuridad para obtener imágenes. Selle las placas con una película flexible semitransparente y envuelva la placa en papel de aluminio.Escriba los ID de la trama y la identificación de la placa en el papel de aluminio. Coloque las placas en una caja oscura o gabinete durante un mínimo de 30 minutos para la relajación de las dos primeras fases de enfriamiento no fotoquímico. Use un período prolongado de incubación oscura de una hora antes de la toma de imágenes si las fases a largo plazo de enfriamiento no fotoquímico son de interés.Prepare una placa ficticia adicional para enfocar durante el análisis colocando un disco de hoja en cada esquina de una placa fresca de 96 pocillos y una en el centro. Asegure los discos de las hojas con filtros nasales como se hizo con las placas anteriores, selle la placa e incube en la oscuridad a temperatura ambiente y 50% de humedad relativa. Encienda el generador de imágenes y abra el software de imágenes.Haga clic en Configuración seguido de Protocolo para abrir una ventana para la entrada de pasos en el protocolo experimental PAM. Establezca las especificaciones técnicas de la máquina proporcionadas en el manuscrito. Configure el programa para que comience con un pulso saturado para medir la máxima eficiencia cuántica de la fotosíntesis adaptada a la oscuridad ingresando 20 segundos en la caja llamada Después de un retraso de.Haga clic en el cuadro Aplicar pulso e introduzca 1 en el cuadro titulado Este número de veces. Establezca el PPFD de pulso en 6, 152, la longitud del pulso en 800 milisegundos y marque la casilla Tomar imágenes principales F y FM con todos los pulsos. Marque Insertar después para agregar un segundo paso al protocolo.Introduzca 30 segundos en el cuadro titulado Después de un retraso de. Luego, seleccione la opción Cambiar actínico e ingrese 50 en el cuadro titulado PPFD actínico para establecer la intensidad de la luz en la cámara a 50 PPFD. Haga clic en Insertar después para agregar un nuevo paso al protocolo e introduzca 150 segundos en el cuadro titulado Después de un retraso de.Seleccione Aplicar pulso e ingrese 4 en el cuadro titulado Este número de veces para aplicar pulsos de medición cada 150 segundos cuatro veces seguidas mientras la luz actínica se mantiene a 50 PPFD. Ajuste el retardo y la intensidad de la luz para cada paso de acuerdo con los valores proporcionados en el manuscrito antes de guardar el protocolo como un archivo pcl en la ubicación deseada. Apague la luz y coloque la placa ficticia boca abajo en el escenario de la muestra para que la superficie adaxial de la hoja apunte hacia el detector y que la esponja esté mirando hacia abajo hacia la plataforma.Ajuste la altura del escenario de muestra de modo que los discos de hoja estén 140 milímetros por encima de la base del instrumento. Haga clic en el icono conectar/desconectar a la cámara del generador de imágenes y la cámara de hardware para iniciar la cámara. Haga clic en el símbolo de fluorescencia de enfoque, representado por un icono de flecha de dos lados de color rojo con dos líneas verdes en la base, y ajuste la lente y la exposición para enfocar la placa.Haga clic de nuevo en el icono de fluorescencia de enfoque para apagar la luz intermitente. Trabajando en la oscuridad, reemplace la placa ficticia con la placa a analizar. Colóquelo boca abajo con la cinta en el exterior utilizada para orientar la esquina superior derecha y haga clic en el icono de la cámara de imagen de mapa.Ajuste la exposición de la imagen abriendo o cerrando la abertura hasta que la barra de la ventana emergente se coloque en la zona verde. Haga clic en el botón Volver a intentarlo después de cada ajuste de la apertura hasta que la exposición se ajuste correctamente y el instrumento tome una imagen. Haga clic derecho en la imagen y seleccione Aplicar aislamiento de imagen para bloquear las señales de fondo.El área de la hoja enfocada se mostrará en gris y el fondo en azul. Seleccione el área o los píxeles de interés para incluir solo los discos de hoja ajustando el histograma y el nivel gamma en el menú desplegable Modificar imagen haciendo clic con el botón derecho en la imagen. Haga clic derecho en la imagen y seleccione Eliminar cortes altos y bajos para eliminar las áreas resaltadas de color azul claro.Haga clic derecho en la imagen y seleccione Eliminar extravíos para eliminar cualquier píxel que no toque los últimos tres píxeles. Cualquier área de la imagen que aparezca como islas aisladas se analizará por separado y se incluirá en la salida de datos final. Haga clic en el icono ejecutar protocolo para iniciar el programa.Aparecerá un temporizador en la parte inferior de la pantalla que le informará cuánto tiempo le queda por ejecutar el protocolo. Espere hasta que finalice el protocolo. Haga clic en Archivo y Guardar como para guardar los datos como un archivo igr.Cierre la ventana haciendo clic en la cruz roja en la parte superior derecha de la ventana antes de comenzar otra placa de muestra. Para exportar los datos de fluorescencia de clorofila, abra el archivo igr en el software de imágenes y haga clic en Archivo seguido de Exportar a carpeta para crear una nueva carpeta con todos los archivos necesarios. Una medición típica del enfriamiento no fotoquímico en soja cultivada en campo mostró que después de un destello de saturación inicial para determinar Fv / Fm cuando los discos de hoja se expusieron a poca luz de 50 micromoles por metro por segundo, el enfriamiento no fotoquímico fue inferior a uno.Además, al transferirse a alta luz de 2.000 micromoles por metro por segundo, el enfriamiento no fotoquímico aumentó hasta el valor máximo de cuatro después de 15 minutos. Una medición fallida mostró un aumento mínimo en el enfriamiento no fotoquímico al transferirse a alta luz. La orientación de las placas dentro del generador de imágenes y un plan claramente definido para el muestreo y el recubrimiento de los discos de hojas es esencial para garantizar que los datos estén vinculados al genotipo correcto.Este protocolo puede cuantificar el impacto de variables ambientales como la sequía y el desprendimiento en el enfriamiento no fotoquímico o evaluar el enfriamiento no fotoquímico en diferentes niveles de dosel para refinar los modelos de cultivo.

Research

JoVE Journal

Biology

High-throughput Physical Mapping of Chromosomes using Automated in situ Hybridization

High-throughput Physical Mapping of Chromosomes using Automated in situ Hybridization

De alto rendimiento mapeo físico de cromosomas utilizando automatizado<em&gt; In situ</em&gt; La hibridación

Projects to obtain whole-genome sequences for 10,000 vertebrate species1 and for 5,000 insect and related arthropod species2 are expected to take place ...

Investigación

Biología

RNA Secondary Structure Prediction Using High-throughput SHAPE

ARN de predicción de estructura secundaria Utilizando SHAPE de alto rendimiento

Understanding the function of RNA involved in biological processes requires a thorough knowledge of RNA structure. Toward this end, the methodology dubbed ...

High-throughput Screening for Chemical Modulators of Post-transcriptionally Regulated Genes

Selección de alto rendimiento para moduladores químicos de genes post-transcripcionalmente regulados

Both transcriptional and post-transcriptional regulation have a profound impact on genes expression. However, commonly adopted cell-based screening assays ...

Detection of miRNA Targets in High-throughput Using the 3'LIFE Assay

La detección de los genes miARN objetivos en de alto rendimiento utilizando el ensayo 3&#39;LIFE

Luminescent Identification of Functional Elements in 3&#8217;UTRs (3&#8217;LIFE) allows the rapid identification of targets of specific miRNAs within an ...

Identification of Kinase-substrate Pairs Using High Throughput Screening

Identificación de los pares quinasa-sustrato Usando selección de alto rendimiento


We have developed a screening platform to identify dedicated human protein kinases for phosphorylated substrates which can be used to elucidate novel ...

Precise, High-throughput Analysis of Bacterial Growth

Análisis precisos, alto rendimiento de crecimiento bacteriano

Bacterial growth is a central concept in the development of modern microbial physiology, as well as in the investigation of cellular dynamics at the ...

High-throughput Measurement of Gut Transit Time Using Larval Zebrafish

Medida de alto rendimiento de tiempo de tránsito intestinal utilizando larvas peces cebra

Zebrafish are used as alternative model organisms for drug safety testing. The gastrointestinal (GI) tract of zebrafish has genetic, neuronal, and ...

Evaluation of Photosynthetic Efficiency in Photorespiratory Mutants by Chlorophyll Fluorescence Analysis

Evaluación de la eficiencia fotosintética en mutantes fotorrespiratorios mediante análisis de fluorescencia de clorofila

Photosynthesis and photorespiration represent the largest carbon fluxes in plant primary metabolism and are necessary for plant survival. Many of the ...

Determination of Self-(In)compatibility and Inter-(In)compatibility Relationships in Citrus Using Manual Pollination, Microscopy, and S-Genotype Analyses

Determination of Self-Incompatibility and Inter-Incompatibility Relationships in Citrus Using Manual Pollination, Microscopy, and S-Genotype Analyses

Determinación de las relaciones de autocompatibilidad e intercompatibilidad en cítricos mediante polinización manual, microscopía y análisis de genotipo S

Citrus uses S-RNase-based self-incompatibility to reject self-pollen and, therefore, requires nearby pollinizer trees for successful pollination and ...

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Desarrollo de métodos de transformación y edición de genes en bambú

In Planta Gene Expression and Gene Editing in Moso Bamboo Leaves

Autor destacado: Avance de la edición genética en hojas de bambú para alternativas sostenibles al plástico 

En Planta Expresión génica y edición génica en hojas de bambú Moso

A novel in planta gene transformation method was developed for bamboo, which avoids the need for time-consuming and labor-intensive callus induction and ...