Understanding Stress-induced Dynamics of Solar-induced Chlorophyll Fluorescence with Leaf-level Hyperspectral Imaging

Abstract

Proximal sensing of solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF) is widely used as a non-invasive indicator of photosynthetic activity. Together with photochemical quenching (PQ) and non-photochemical quenching (NPQ), SIF represents a third pathway of energy dissipation in excited chlorophyll molecules and provides direct insight into the redox state of the photosystem, particularly under stress conditions, often with shorter response times than vegetation indices (VIs). Because SIF does not require artificial illumination, it can be applied across spatial scales from leaf to global satellite observations. However, two major challenges limit the direct interpretation of SIF in terms of photosynthetic efficiency: (1) accurate estimation of SIF yield due to confounding effects of absorbed PAR (APAR) and fluorescence escape probability, both influenced by illumination geometry, plant structural, and physiological properties; and (2) incomplete understanding of the relationships among SIF yield, NPQ, and PQ under stress. To address part of these challenges, this thesis first introduced a ground-based hyperspectral imaging system (HyScreen) for high-resolution retrieval of red and far-red SIF. The proposed measurement protocol and processing chain achieved high accuracy, with relative errors of 0.4–1.0% for red SIF and 0.2–0.5% for far-red SIF due to noise. Second, a controlled cold-stress experiment was conducted to evaluate the combined use of SIF and VIs as indicators of cold stress tolerance in <em>Arabidopsis thaliana</em>. Specifically, the study examined whether SIF and VIs can (1) detect cold stress duration, (2) distinguish genotypes with contrasting NPQ capacity, and (3) resolve differences in photoinhibition between young and mature leaves. The results show that (1) acute cold stress initially induced high SIF yield with high near-infrared (NIR) reflectance, followed by decreasing SIF, reduced NIR reflectance, and reduced red-edge normalized difference vegetation index (NDVIre) under photoinhibition. Low values of the effective quantum yield of PSII together with high NPQ indicated that NPQ dominated SIF quenching during cold stress, while changes in NIR reflectance and NDVIre indicated cold-induced alterations in leaf structure and reduced chlorophyll content, respectively. (2) Four genotypes differing in NPQ capacity were distinguishable by combining SIF yield, photochemical reflectance index (PRI), and NDVIre. Early SIF responses reflected the fast NPQ component qE, whereas the change and temporal profile of PRI captured both qZ and overall NPQ during prolonged stress. Importantly, higher qE or qZ capacity did not necessarily correspond to reduced photodamage, as chlorophyll degradation (indicated by reduced NDVIre) contributed strongly to photoinhibition. (3) Young leaves exhibited greater cold tolerance than mature leaves, as evidenced by higher Fv/Fm after cold exposure, characterized by higher qE capacity, retention of qZ activity, and better chlorophyll maintenance, as indicated by lower initial SIF yield, higher PRI, and higher NDVIre. In summary, HyScreen enables leaf-level SIF imaging while minimizing background effects and provides new opportunities to investigate spatial heterogeneity in photoprotective responses from leaf to plant scales. This study suggests that the combined use of SIF and VIs can capture NPQ dynamics, chlorophyll degradation, and leaf structural responses linked to cold stress tolerance across genotypes and leaf ages. This work also provides insights relevant to future validation activities for the ESA FLEX mission and to high-throughput screening of stress-tolerant plants in breeding programs.

<strong>Verständnis der stressinduzierten Dynamik der sonneninduzierten Chlorophyllfluoreszenz mittels blattbasierter hyperspektraler Bildgebung</strong><br /> Die bodennahe Fernerkundung der sonneninduzierten Chlorophyllfluoreszenz (SIF) wird in der Forschung häufig als nicht-invasiver Indikator für photosynthetische Aktivität eingesetzt. Zusammen mit dem photochemischen Quenching (PQ) und dem nicht-photochemischen Quenching (NPQ) stellt SIF einen dritten Weg der Energiedissipation angeregter Chlorophyllmoleküle dar und ermöglicht direkte Einblicke in die Physiologie der Photosysteme, insbesondere unter Stressbedingungen. Im Vergleich zu Vegetationsindizes (VIs) zeigt sich, dass SIF häufig eine schnellere Reaktion auf physiologische Veränderungen aufweist. Für SIF-Messungen ist keine künstliche Beleuchtung erforderlich, sodass sie über verschiedene Skalen hinweg angewendet werden können – vom Blatt bis zur globalen Satellitenbeobachtung. Die unmittelbare Interpretation der SIF in Bezug auf die photosynthetische Effizienz wird jedoch durch zwei zentrale Herausforderungen limitiert: Einerseits erschwert der Einfluss der absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung (APAR) sowie der Fluoreszenz-Austrittswahrscheinlichkeit die exakte Bestimmung der SIF-Ausbeute. Dabei sind die Beleuchtungsgeometrie sowie die strukturellen und physiologischen Eigenschaften der Pflanze zu berücksichtigen. Zweitens sind die Zusammenhänge zwischen SIF-Ausbeute, NPQ und PQ unter abiotischem Stress bislang unzureichend verstanden. Zur Bearbeitung dieser Fragestellungen wurde in dieser Arbeit zunächst ein bodengestütztes hyperspektrales Bildgebungssystem (HyScreen) zur hochauflösenden Erfassung von roter und fernroter SIF eingeführt. Das Messprotokoll und die Datenverarbeitung wiesen eine hohe Genauigkeit mit relativen Fehlern von 0,4–1,0 % für rote SIF und 0,2–0,5 % für fernrote SIF aufgrund von Rauschen auf. Im Anschluss wurde ein kontrolliertes Kältestressexperiment durchgeführt, um die kombinierte Verwendung von SIF und Vegetationsindizes als Indikatoren für die Kältestresstoleranz bei <em>Arabidopsis thaliana</em> zu bewerten. Im Rahmen der Untersuchung wurde analysiert, ob diese Parameter (1) die Dauer von Kältestress erfassen, (2) Genotypen mit divergierender NPQ-Kapazität differenzieren und (3) Diskrepanzen in der Photoinhibition zwischen jungen und alten Blättern auflösen können. Die Ergebnisse zeigen, dass (1) akuter Kältestress zunächst zu erhöhter SIF-Ausbeute und hoher Nahinfrarot-Reflexion (NIR) führte, gefolgt von abnehmender SIF, reduzierter NIR-Reflexion und vermindertem Red-Edge Normalized Difference Vegetation Index (NDVIre) unter Photoinhibition. Niedrige Werte der effektiven Quantenausbeute von PSII in Kombination mit hoher NPQ deuten darauf hin, dass NPQ die Abschwächung der SIF während des Kältestresses dominierte, während Änderungen der NIR-Reflexion und des NDVIre auf kälteinduzierte Veränderungen der Blattstruktur bzw. eine Abnahme des Chlorophyllgehalts hinwiesen. (2) Vier Genotypen mit unterschiedlicher NPQ-Kapazität konnten durch die kombinierte Analyse von SIF-Ausbeute, Photochemical Reflectance Index (PRI) und NDVIre unterschieden werden. Frühe SIF-Reaktionen spiegelten die schnelle NPQ-Komponente qE wider, während zeitliche Änderungen des PRI sowohl qZ als auch die gesamte NPQ-Dynamik während längerem Stress erfassten. Eine höhere qE- oder qZ-Kapazität ging dabei nicht zwingend mit geringerer Photodamage einher, da Chlorophyllabbau – angezeigt durch reduziertes NDVIre – wesentlich zur Photoinhibition beitrug. (3) Junge Blätter zeigten eine höhere Kältetoleranz als ältere Blätter, belegt durch höhere Fv/Fm-Werte nach Kälteeinwirkung und charakterisiert durch höhere qE-Kapazität, anhaltende qZ-Aktivität und bessere Erhaltung des Chlorophyllgehalts, angezeigt durch geringere anfängliche SIF-Ausbeute, höheren PRI und höheres NDVIre. Zusammenfassend ermöglicht HyScreen eine blattweise SIF-Bildgebung mit reduzierten Hintergrundeinflüssen und eröffnet neue Möglichkeiten zur Analyse räumlicher Heterogenität photoprotektiver Reaktionen vom Blatt- bis zum Pflanzenmaßstab. Die Ergebnisse legen nahe, dass die kombinierte Nutzung von SIF und Vegetationsindizes NPQ-Dynamiken, Chlorophyllabbau und strukturelle Blattveränderungen im Zusammenhang mit Kältetoleranz über verschiedene Genotypen und Blattalter hinweg erfassen kann und liefern zugleich wichtige Beiträge für zukünftige Validierungsaktivitäten der ESA-Mission FLEX sowie für die hochdurchsatzbasierte Selektion stresstoleranter Pflanzen in der Züchtung.