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熱釋光技術快速檢測植物脂質過氧化
發布時間： 2021-05-31 點擊次數： 2381次由高溫、低溫、干旱、重金屬以及病蟲害引起的植物脅迫，導致每年農作物的產量降低，品質下降。各類脅迫都會導致活性氧（ROS）的累積。當植物細胞的細胞膜或者細胞器膜的磷脂分子受到ROS攻擊之后，便會發生脂質過氧化反應，形成脂質過氧化產物。脂質過氧化使細胞膜的流動性和通透性發生改變，最終導致細胞結構和功能的改變。
目前，脂質過氧化通常通過測定降解產物（如丙二醛MDA）含量或檢測抗氧化劑活性進行評估，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。這些檢測方法各有優缺點，如TBA-MDA法設備要求低，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方法。該方法基于植物熱釋光技術。通過測定的TL曲線的特征波峰快速檢測植物的氧化脅迫，測定脂質過氧化水平。
晶體受到輻射照射后，會產生自由電子，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。這種現象即為熱釋光（英文名稱Thermoluminescence，縮寫為TL）。
熱釋光測定基本的實驗過程是將葉片或藻液快速冷凍到某一溫度，之后給葉片一個足夠強，但時間盡量短（一般<5µs）的單反轉光（single turn-over ?ash），用于誘導熱釋光；然后逐漸升溫，同時測量樣品放出的熱釋光，繪制TL譜帶。
目前商業化的植物熱釋光測量系統為TL6000。北京易科泰生態技術有限公司提供TL6000完備的系統配置及專業的售后服務。
大量研究發現：熱釋光測量能夠反映光合生物的脂質過氧化水平。熱釋光強度會在120℃至140℃升溫過程產生特異性波峰。該波峰代表由三重態羰基及單線態氧引起的脂質過氧化的水平，即波峰越高脂質過氧化程度越高，并且波峰高低與其他脂質過氧化檢測指標存在相關關系。如下圖，熱釋光特征峰強度與MDA濃度呈現較強的線性相關性（黑色實心方形），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90年代被發現后，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，評估了高光下低溫脅迫對野生型和突變體的氧化損傷。相比于野生型，高光環境低溫脅迫下的chaos突變體（葉綠體蛋白轉運相關元件cpSRP亞基缺失）遭受了嚴重的光氧化損傷，即135℃左右的熱釋光信號強烈，并表現為葉片褪綠。
Renata等人使用Thermoluminescence TL 系統研究了新型污染物納米二氧化鈦TiO2對擬南芥生長和抗氧化物含量及基因表達、抗氧化酶活性等方面的影響，發現高濃度TiO2處理擬南芥種子造成了成熟個體葉片的脂質過氧化。論文發表于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課題組對比了常溫和低溫環境下極地雪藻和模式藻萊茵衣藻的生長、光合活性、膜脂質過氧化、抗氧化活性，揭示了極地雪藻低溫適應的光合調節基礎。脂質過氧化的評估除了測定了MDA的含量，還使用Thermoluminescence TL系統考察了脂質過氧化水平。結果顯示低溫下萊茵衣藻表現出*的脂質過氧化水平，而極地雪藻卻沒有顯著升高，表明極地雪藻在低溫環境中能夠有效清除活性氧。該特性可能是極地雪藻適應低溫的原因之一。論文發表于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 系統的脂質過氧化檢測能夠快速、輕松、有效檢測植物的氧化脅迫，測定脂質過氧化水平。本文提到的各類脂質過氧化檢測方法采用了不同的手段，也反映了不同的側面。研究者可根據研究目的和實驗條件選擇不同的檢測方法或同時選擇幾種方法對植物的脂質過氧化進行全面評估。
北京易科泰生態技術有限公司提供完備的植物無損理化檢測的技術方案：
次生代謝產物預測和成像
氮素含量快速測定和成像
冠層含水量預測
色素含量無損檢測和成像
- TL熱釋光技術測定植物脂質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.
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- 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.
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- 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.