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熱釋光技術(shù)快速檢測(cè)植物脂質(zhì)過氧化
發(fā)布時(shí)間： 2021-05-31 點(diǎn)擊次數(shù)： 2080次由高溫、低溫、干旱、重金屬以及病蟲害引起的植物脅迫，導(dǎo)致每年農(nóng)作物的產(chǎn)量降低，品質(zhì)下降。各類脅迫都會(huì)導(dǎo)致活性氧（ROS）的累積。當(dāng)植物細(xì)胞的細(xì)胞膜或者細(xì)胞器膜的磷脂分子受到ROS攻擊之后，便會(huì)發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，形成脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物。脂質(zhì)過氧化使細(xì)胞膜的流動(dòng)性和通透性發(fā)生改變，最終導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變。
目前，脂質(zhì)過氧化通常通過測(cè)定降解產(chǎn)物（如丙二醛MDA）含量或檢測(cè)抗氧化劑活性進(jìn)行評(píng)估，前者可采用熒光法或TBA法，后者往往采用高效液相色譜法或紫外可見光分光光度法。這些檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如TBA-MDA法設(shè)備要求低，但靈敏度差；高效液相色譜法儀器定量明確，但儀器昂貴、操作繁瑣。
本文介紹一種快速簡單的檢測(cè)方法。該方法基于植物熱釋光技術(shù)。通過測(cè)定的TL曲線的特征波峰快速檢測(cè)植物的氧化脅迫，測(cè)定脂質(zhì)過氧化水平。
晶體受到輻射照射后，會(huì)產(chǎn)生自由電子，這些電子被晶格缺陷俘獲而積攢起來，在加熱過程中以光的形式釋放出來。這種現(xiàn)象即為熱釋光（英文名稱Thermoluminescence，縮寫為TL）。
熱釋光測(cè)定基本的實(shí)驗(yàn)過程是將葉片或藻液快速冷凍到某一溫度，之后給葉片一個(gè)足夠強(qiáng)，但時(shí)間盡量短（一般<5µs）的單反轉(zhuǎn)光（single turn-over ?ash），用于誘導(dǎo)熱釋光；然后逐漸升溫，同時(shí)測(cè)量樣品放出的熱釋光，繪制TL譜帶。
目前商業(yè)化的植物熱釋光測(cè)量系統(tǒng)為TL6000。北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司提供TL6000完備的系統(tǒng)配置及專業(yè)的售后服務(wù)。
大量研究發(fā)現(xiàn)：熱釋光測(cè)量能夠反映光合生物的脂質(zhì)過氧化水平。熱釋光強(qiáng)度會(huì)在120℃至140℃升溫過程產(chǎn)生特異性波峰。該波峰代表由三重態(tài)羰基及單線態(tài)氧引起的脂質(zhì)過氧化的水平，即波峰越高脂質(zhì)過氧化程度越高，并且波峰高低與其他脂質(zhì)過氧化檢測(cè)指標(biāo)存在相關(guān)關(guān)系。如下圖，熱釋光特征峰強(qiáng)度與MDA濃度呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性相關(guān)性（黑色實(shí)心方形），引自1998年的《Photochemistry and Photobiology》，原文題目為《The Origin of 115-130°C Thermoluminescence Bands in Chlorophyll-Containing Material》。
該特征波峰在20世紀(jì)90年代被發(fā)現(xiàn)后，便廣泛用于各類脅迫研究中。如2003年，《PNAS》刊登了題為《Early light-induced proteins protect Arabidopsis from photooxidative stress》的論文：Claire等人使用了植物熱釋光技術(shù)，評(píng)估了高光下低溫脅迫對(duì)野生型和突變體的氧化損傷。相比于野生型，高光環(huán)境低溫脅迫下的chaos突變體（葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)元件cpSRP亞基缺失）遭受了嚴(yán)重的光氧化損傷，即135℃左右的熱釋光信號(hào)強(qiáng)烈，并表現(xiàn)為葉片褪綠。
Renata等人使用Thermoluminescence TL 系統(tǒng)研究了新型污染物納米二氧化鈦TiO2對(duì)擬南芥生長和抗氧化物含量及基因表達(dá)、抗氧化酶活性等方面的影響，發(fā)現(xiàn)高濃度TiO2處理擬南芥種子造成了成熟個(gè)體葉片的脂質(zhì)過氧化。論文發(fā)表于2016年《Environmental Pollution》雜志，題為《Titanium dioxide nanoparticles (100-1000 mg/l) can affect vitamin E response in Arabidopsis thaliana》。
中科院水生生物研究所王強(qiáng)課題組對(duì)比了常溫和低溫環(huán)境下極地雪藻和模式藻萊茵衣藻的生長、光合活性、膜脂質(zhì)過氧化、抗氧化活性，揭示了極地雪藻低溫適應(yīng)的光合調(diào)節(jié)基礎(chǔ)。脂質(zhì)過氧化的評(píng)估除了測(cè)定了MDA的含量，還使用Thermoluminescence TL系統(tǒng)考察了脂質(zhì)過氧化水平。結(jié)果顯示低溫下萊茵衣藻表現(xiàn)出*的脂質(zhì)過氧化水平，而極地雪藻卻沒有顯著升高，表明極地雪藻在低溫環(huán)境中能夠有效清除活性氧。該特性可能是極地雪藻適應(yīng)低溫的原因之一。論文發(fā)表于2020年的《Frontiers in Microbiology》雜志，題為《Low-Temperature Adaptation of the Snow Alga Chlamydomonas nivalis Is Associated With the Photosynthetic System Regulatory Process》。
由此可見，基于Thermoluminescence TL 系統(tǒng)的脂質(zhì)過氧化檢測(cè)能夠快速、輕松、有效檢測(cè)植物的氧化脅迫，測(cè)定脂質(zhì)過氧化水平。本文提到的各類脂質(zhì)過氧化檢測(cè)方法采用了不同的手段，也反映了不同的側(cè)面。研究者可根據(jù)研究目的和實(shí)驗(yàn)條件選擇不同的檢測(cè)方法或同時(shí)選擇幾種方法對(duì)植物的脂質(zhì)過氧化進(jìn)行全面評(píng)估。
北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司提供完備的植物無損理化檢測(cè)的技術(shù)方案：
次生代謝產(chǎn)物預(yù)測(cè)和成像
氮素含量快速測(cè)定和成像
冠層含水量預(yù)測(cè)
色素含量無損檢測(cè)和成像
- TL熱釋光技術(shù)測(cè)定植物脂質(zhì)過氧化的部分論文有：
- Bacsó, R., Molnár, A., Papp, I., and Janda, T. (2008). Photosynthetic behaviour of Arabidopsis plants with a Cap Binding Protein 20 mutation under water stress. Photosynthetica 46, 268.
- Ducruet, J.-M. (2003). Chlorophyll thermoluminescence of leaf discs: simple instruments and progress in signal interpretation open the way to new ecophysiological indicators. Journal of Experimental Botany 54, 2419–2430.
- Havaux, M., and Niyogi, K.K. (1999). The violaxanthin cycle protects plants from photooxidative damage by more than one mechanism. PNAS 96, 8762–8767.
- Havaux, M., Bonfils, J.-P., Lütz, C., and Niyogi, K.K. (2000). Photodamage of the Photosynthetic Apparatus and Its Dependence on the Leaf Developmental Stage in the npq1 Arabidopsis Mutant Deficient in the Xanthophyll Cycle Enzyme Violaxanthin De-epoxidase. Plant Physiology 124, 273–284.
- Hutin, C., Nussaume, L., Moise, N., Moya, I., Kloppstech, K., and Havaux, M. (2003). Early light-induced proteins protect Arabidopsis from photooxidative stress. PNAS 100, 4921–4926.
- Merzlyak, M.N., Pavlov, V.K., and Zhigalova, T.V. (1992). Effect of Desiccation on Chlorophyll High Temperature Chemiluminescence in Acer platanoides L. and Aesculus hippocastanum L. Leaves. Journal of Plant Physiology 139, 629–631.
- M’rah, S., Ouerghi, Z., Berthomieu, C., Havaux, M., Jungas, C., Hajji, M., Grignon, C., and Lachaâl, M. (2006). Effects of NaCl on the growth, ion accumulation and photosynthetic parameters of Thellungiella halophila. Journal of Plant Physiology 163, 1022–1031.
- Szymańska, R., Ko?odziej, K., ?lesak, I., Zimak-Piekarczyk, P., Orzechowska, A., Gabruk, M., ??d?o, A., Habina, I., Knap, W., Burda, K., et al. (2016). Titanium dioxide nanoparticles (100–1000 mg/l) can affect vitamin E response in Arabidopsis thaliana. Environmental Pollution 213, 957–965.
- Vavilin, D.V., and Ducruet, J.-M. (1998). The Origin of115–130°C Thermoluminescence Bands in Chlorophyll-Containing Material. Photochemistry and Photobiology 68, 191–198.
- Zheng, Y., Xue, C., Chen, H., He, C., and Wang, Q. (2020). Low-Temperature Adaptation of the Snow Alga Chlamydomonas nivalis Is Associated With the Photosynthetic System Regulatory Process. Front. Microbiol. 11.
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