熱釋光技術(shù)快速檢測(cè)植物脂質(zhì)過氧化

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，ZZ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(jiǎn)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℃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(zhǎng)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(zhǎng)、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)出極高的脂質(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(wú)損理化檢測(cè)的技術(shù)方案：

ü次生代謝產(chǎn)物預(yù)測(cè)和成像

ü氮素含量快速測(cè)定和成像

ü冠層含水量預(yù)測(cè)

ü色素含量無(wú)損檢測(cè)和成像

使用TL熱釋光技術(shù)測(cè)定植物脂質(zhì)過氧化的部分論文有：

1.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.

2.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.

3.Havaux, M., and Niyogi, K.K. (1999). The violaxanthin cycle protects plants from photooxidative damage by more than one mechanism. PNAS 96, 8762–8767.

4.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.

5.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.

6.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.

7.M’rah, S., Ouerghi, Z., Berthomieu, C., Havaux, M., Jungas, C., Hajji, M., Grignon, C., and Lachaal, M. (2006). Effects of NaCl on the growth, ion accumulation and photosynthetic parameters of Thellungiella halophila. Journal of Plant Physiology 163, 1022–1031.

8.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.

9.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.

10.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.