Analyzing photosynthetic performance in natural fluctuating environment using light-induced fluorescence transient (LIFT) method in high-throughput

Abstract

In the present work, the knowledge gap concerning the interaction of photosynthesis with its fluctuating environment was filled by acquiring over one million chlorophyll fluorescence measurements in semi-field and field conditions. Five crop species were monitored in high spatio-temporal resolution. Hereby, the light-induced fluorescence transient (LIFT) method was established as high-throughput system scanning over the crop canopy. The LIFT method uses a series of excitation flashlets to induce variable fluorescence (F_v) and to monitor fluorescence relaxation (F_r). The resulting fluorescence transient reflects the coupled kinetics of primary quinone electron acceptor (Q_A) reduction and its subsequent reoxidation. F_v normalized with the induced maximum fluorescence level results in the quantum efficiency of the photosystem II (F_v/F_m in the dark and F_q'/F_m' in the light) reflecting the amount of photosynthetically transported electrons per photon.<br /> The local fluorescence maximum (F_mQ_A) and maximum fluorescence (F_m) were induced from 60 cm distance using LIFT flashes differing in excitation length and power. F_mQ_A did not fully reduce the electron transport chain which enabled the determination of the reoxidation efficiency 5 ms after Q_A reduction (F_r2/F_m in the dark respective F_r2'/F_m' in the light). This newly established parameter was dependent on the functionality of the electron transport chain and temperature. In contrast, F_q'/F_m' was mainly dependent on light intensity. Under controlled conditions, electron transport rates (ETR) based on F_q'/F_m' correlated to ETR retrieved from CO₂ assimilation measurements.<br /> For the first time, a sufficiently large data set including spectral measurements was collected under semi-field conditions to identify factors determining the diurnal and seasonal photosynthesis pattern. According to Lasso regression analysis, F_q'/F_m' was dependent on photosynthetic photon flux density (PPFD) and spectral indices. The designed linear model accounted for almost 50% of the variance in F_q'/F_m' measured over two growing seasons. The second parameter, F_r2/F_m respective F_r2'/F_m', was highly determined by temperature and crop species, e.g. separating the response of winter hard rapeseed and soybean at lower temperatures. Only minor influence on the measured parameters was detected for different years, daytime, measuring date and hence seasonal or plant development stage. In the following, genotypic differences were detected on the parameter mean or the interaction of the parameters with environmental factors. Especially in soybean, genotypic differences in F_q'/F_m' and F_r2'/F_m' were more consistently detected when instead of the mean, the interaction with PPFD and temperature was considered. Analyzing the mean of selected time periods was useful for detection of stress response. Increasing drought stress decreased F_q'/F_m' under controlled and semi-field conditions in maize. In contrast, F_r2/F_m respective F_r2'/F_m' increased in response to drought probably reflecting enhanced cyclic electron transport. Powdery mildew infection was detected by F_q'/F_m' before symptoms were visible by eye.<br /> Drought response of photosynthesis was also detected in soybean under field conditions. Summarizing all collected field data, F_q'/F_m' was still dependent on PPFD, but even stronger correlated to reflectance of sunlight at 685 nm on the target leaf. The response of F_r2/F_m respective F_r2'/F_m' to temperature persisted, and explained 79% of all variance in maize. The LIFT screening approach identified tolerant genotypes regarding light and temperature use efficiency under control and stress conditions. Analyzing the response curves of the considered parameters related to PPFD and temperature allows the prediction of photosynthetic performance and optimization of genotypic selection in various environments.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Wissenslücke bezüglich der Photosynthese Wechselwirkung mit ihrer fluktuierenden Umgebung durch die Erfassung von über einer Million Chlorophyllfluoreszenzmessungen unter Feldähnlichen- und Feldbedingungen bearbeitet. Fünf Nutzpflanzenarten wurden in einer hohen raumzeitlichen Auflösung beobachtet. Dabei wurde die lichtinduzierte Fluoreszenztransienten (LIFT) Methode als ein Hochdurchsatz-System etabliert, das über den Pflanzenbestand scannt. Die LIFT-Methode verwendet eine Reihe von Anregungslichtblitzen, um eine variable Fluoreszenz (F_v) zu induzieren. Anschließend wird die Fluoreszenzrelaxation (F_r) beobachtet. Der resultierende Fluoreszenztransient spiegelt die gekoppelte Kinetik der Reduktion des primären Chinon-Elektronenakzeptors (Q_A) und die anschließende Reoxidation wider. F_v normalisiert mit dem induzierten Fluoreszenzmaximum ergibt die Quanteneffizienz des Photosystems II (F_v/F_m im Dunkeln und F_q'/F_m' im Licht), was die Menge der photosynthetisch transportierten Elektronen pro Photon widerspiegelt.<br /> Das lokale Fluoreszenzmaximum (F_mQ_A) und die maximale Fluoreszenz (F_m) wurden aus 60 cm Entfernung unter Verwendung von LIFT-Lichtblitzen induziert, die sich in Anregungslänge und Leistung unterschieden. F_mQ_A reduzierte die Elektronentransportkette nicht vollständig, was die Bestimmung der Reoxidationseffizienz 5 ms nach der Q_A-Reduktion (F_r2/F_m im Dunkeln bzw. F_r2'/F_m' im Licht) ermöglichte. Dieser neu etablierte Parameter war abhängig von der Funktionalität der Elektronentransportkette und der Temperatur. Im Gegensatz dazu war F_q'/F_m' hauptsächlich von der Lichtintensität abhängig. Unter kontrollierten Bedingungen korrelierte die Elektronentransportrate (ETR) basierend auf F_q'/F_m' mit der ETR, die aus CO₂-Assimilationsmessungen berechnet wurde.<br /> In dieser Studie wurde ein ausreichend großer Datensatz einschließlich Spektralmessungen unter feldähnlichen Bedingungen gesammelt, um Faktoren zu identifizieren, die den Tages- und Jahreszeitengang der Photosynthese bestimmen. Gemäß der Lasso-Regressionsanalyse war F_q'/F_m' abhängig von der photosynthetisch aktiven Photonenflussdichte (PPFD) und den Spektralindizes. Das lineare Modell erklärte fast 50% der Varianz in F_q'/F_m', welche über zwei Vegetationsperioden gemessen wurden. Der zweite Parameter F_r2/F_m bzw. F_r2'/F_m' wurde stark durch die Temperatur und die Nutzpflanzenart bestimmt, z.B. unterschied sich winterharter Raps und Soja bei niedrigeren Temperaturen deutlich. Nur ein geringer Einfluss auf die gemessenen Parameter wurde für die verschiedenen Jahre, Tageszeiten und damit Saison- oder Pflanzenentwicklungsstadium festgestellt. Im Folgenden wurden genotypische Unterschiede am Parametermittelwert oder der Wechselwirkung der Parameter mit den Umweltfaktoren PPFD und Temperatur analysiert. Zunehmender Trockenstress verringerte die F_q'/F_m' in Mais. Im Gegensatz dazu stieg die F_r2/F_m bzw. F_r2'/F_m' als Reaktion auf Trockenheit an, was auf einen verstärkten zyklischen Elektronentransport hindeutet. Eine Infektion mit echtem Mehltau wurde durch F_q'/F_m' festgestellt, bevor die Symptome mit dem Auge sichtbar waren. Bei einer Anayse aller gesammelten Felddaten war F_q'/F_m' wieder abhängig von PPFD, korrelierte jedoch stärker mit der Reflexion von Sonnenlicht bei 685 nm auf dem gemessenen Blatt. Die Reaktion von F_r2/F_m bzw. F_r2'/F_m' auf die Temperatur war auch im Feld zu beobachten und erklärte 79% aller Varianz in Mais. Der LIFT-Screening-Ansatz identifizierte tolerante Genotypen bezüglich der Licht- und Temperaturnutzungseffizienz unter Kontroll- und Stressbedingungen. Die Interaktion der betrachteten Parameter in Bezug auf PPFD und Temperatur ermöglicht die Vorhersage und Optimierung der photosynthetischen Leistung unter verschiedenen Umweltbedingungen.