DUAL-KLAS-NIR(四通道動(dòng)態(tài)LED陣列近紅外光譜儀)作為一種可實(shí)時(shí)、活體監(jiān)測(cè)植物光合電子傳遞鏈(PETC)關(guān)鍵組件氧化還原(redox)狀態(tài)的技術(shù)，近年來(lái)在植物重金屬脅迫研究中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其核心功能在于同步解析光系統(tǒng)I(PSI)、光系統(tǒng)II(PSII)及電子載體(質(zhì)體藍(lán)素PC、鐵氧還蛋白Fd)的氧化還原動(dòng)態(tài)、電子傳遞速率(ETR)及跨類囊體質(zhì)子梯度(ΔpH)等參數(shù)，為揭示重金屬(如鎘Cd、砷As)對(duì)光合機(jī)構(gòu)的損傷機(jī)制及植物適應(yīng)策略提供了精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐。本文基于2018-2025年發(fā)表的4篇核心文獻(xiàn)(按發(fā)表時(shí)間由新及舊：2025 Kumar、 2025 Yu、2025 Xiang、2018 Kumar)，系統(tǒng)梳理DUAL-KLAS-NIR在植物重金屬脅迫研究中的應(yīng)用場(chǎng)景：從解析Cd脅迫下PC的調(diào)控樞紐作用，到揭示煙酸緩解Cd毒性的光合電子傳遞恢復(fù)機(jī)制，再到闡明As與缺氧復(fù)合脅迫對(duì)光合電子流的獨(dú)特干擾，以及早期根-冠信號(hào)介導(dǎo)的光合響應(yīng)。研究表明，DUAL-KLAS-NIR不僅能識(shí)別重金屬脅迫下光合電子傳遞的關(guān)鍵瓶頸(如PC過(guò)度還原)，還能量化光保護(hù)機(jī)制(如循環(huán)電子傳遞CEF、光合控制PCON、非光化學(xué)淬滅NPQ)的動(dòng)態(tài)變化，為深入理解植物重金屬耐受性的光合調(diào)控機(jī)制提供了不可替代的技術(shù)支持。
土壤重金屬污染(如Cd、As)已成為全球農(nóng)業(yè)生態(tài)安全的重大威脅，其核心危害之一是破壞植物光合作用——通過(guò)干擾光合電子傳遞鏈(PETC)組件功能、誘導(dǎo)活性氧(ROS)爆發(fā)，最終抑制碳同化與生物量積累。傳統(tǒng)光合測(cè)定技術(shù)(如PAM 熒光儀)多聚焦于PSII功能(如Fv/Fm、Y(II))，難以同步捕捉PSI及電子載體(PC、Fd)的動(dòng)態(tài)變化，而PETC的完整性與協(xié)調(diào)性恰恰是植物應(yīng)對(duì)重金屬脅迫的關(guān)鍵調(diào)控靶點(diǎn)。DUAL-KLAS-NIR的出現(xiàn)突破了這一局限：其通過(guò)近紅外差分模型光譜技術(shù)，可在活體葉片中同步監(jiān)測(cè)P700(PSI反應(yīng)中心)、PC(Cyt b6f與 PSI間電子載體)、Fd(PSI下游電子受體)的氧化還原狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)量化 PSII參數(shù)(Y(II)、NPQ)、電子傳遞速率(ETR (I)/ETR (II))及ΔpH依賴的光保護(hù)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光合系統(tǒng)的“全鏈條”解析。近年來(lái)，該技術(shù)在植物重金屬脅迫研究中逐步推廣，尤其在解析脅迫下電子傳遞瓶頸、光保護(hù)機(jī)制及脅迫緩解策略等方面取得關(guān)鍵進(jìn)展。本文以4篇代表性文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，按發(fā)表時(shí)間由新及舊，系統(tǒng)闡述DUAL-KLAS-NIR的應(yīng)用價(jià)值與研究發(fā)現(xiàn)，為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。
一、2025 年10月23日，Vijay Kumar等，Journal of Experimental Botany，DUAL-KLAS-NIR揭示缺氧-砷復(fù)合脅迫對(duì)擬南芥光合電子傳遞的獨(dú)特干擾
自然環(huán)境中，重金屬脅迫常與其他非生物脅迫(如缺氧)復(fù)合發(fā)生，而復(fù)合脅迫對(duì)PETC的影響難以通過(guò)單一脅迫研究預(yù)測(cè)。Kumar等以擬南芥為材料，設(shè)置0、3、10、20 mgkg-1砷脅迫及缺氧(0.4% O2)-砷復(fù)合脅迫(HpxAs)，利用DUAL-KLAS-NIR解析復(fù)合脅迫下PETC的獨(dú)特響應(yīng)，首次發(fā)現(xiàn)“缺氧主導(dǎo)的電子傳遞抑制與砷介導(dǎo)的氧化還原紊亂”的協(xié)同效應(yīng)。
DUAL-KLAS-NIR在本研究中的核心應(yīng)用是：區(qū)分單一As、缺氧與HpxAs對(duì)PETC不同組件的影響，包括Fd的氧化還原動(dòng)力學(xué)(短期光脈沖下的還原/氧化速率)、P700的氧化還原狀態(tài)(Y(I)、Y(ND))及PC的電子傳遞效率(PCox與ETR(I)的相關(guān)性)。結(jié)果顯示，單一砷脅迫下，DUAL-KLAS-NIR監(jiān)測(cè)到Fd還原速率降低40%，但PCox僅下降15%，表明電子傳遞瓶頸在Fd下游；單一缺氧脅迫下，PCox下降30%，F(xiàn)d還原速率無(wú)顯著變化，瓶頸轉(zhuǎn)移至 PC→PSI環(huán)節(jié)；而HpxAs處理下，PCox下降65.7%，F(xiàn)d還原速率降低50%，且P700 氧化態(tài)(Pm)降至對(duì)照的58%，形成“PC→PSI→Fd”全鏈條抑制，這是單一脅迫中未觀察到的協(xié)同效應(yīng)。進(jìn)一步通過(guò)DIRK(暗間隔弛豫動(dòng)力學(xué))分析發(fā)現(xiàn)，HpxAs下PC+還原速率與Fd-氧化速率分別降低60%和55%，證實(shí)復(fù)合脅迫不僅降低電子載體含量，還抑制其周轉(zhuǎn)效率；而CEF 活性在HpxAs中僅為對(duì)照的30%(單一砷脅迫為60%、缺氧為50%)，導(dǎo)致ΔpH崩潰，qE占比降至65%，加劇PSII光抑制。
砷脅迫、缺氧脅迫及HpxAs組合脅迫對(duì)擬南芥PETC組件氧化還原狀態(tài)的影響
https://doi.org/10.1093/jxb/eraf467
該研究通過(guò)DUAL-KLAS-NIR的“組件特異性-動(dòng)態(tài)周轉(zhuǎn)-光保護(hù)”多維分析，揭示了復(fù)合脅迫的獨(dú)特毒性機(jī)制：缺氧通過(guò)抑制PC合成加劇電子傳遞障礙，砷脅迫通過(guò)消耗GSH破壞Fd 的氧化還原循環(huán)，二者協(xié)同導(dǎo)致PETC全鏈條癱瘓，而DUAL-KLAS-NIR的高分辨率監(jiān)測(cè)為“復(fù)合脅迫協(xié)同效應(yīng)”提供了光合電子傳遞層面的直接證據(jù)。
二、2025 年10月15日，于志民等，Scientia Horticulturae，DUAL-KLAS-NIR解析煙酸緩解辣椒Cd脅迫的光合電子傳遞恢復(fù)機(jī)制
外源煙酸(NAC)作為NAD(P)H的前體，可增強(qiáng)植物重金屬耐受性，但其對(duì)光合電子傳遞的修復(fù)機(jī)制尚不明確。Yu等以辣椒(Capsicum annuum L.)為材料，設(shè)置1.0 mgL-1 Cd2+脅迫及 Cd2++200 mgL-1NAC處理，利用DUAL-KLAS-NIR聚焦“NAC如何通過(guò)恢復(fù)PETC功能緩解鎘毒性”，首次建立“NAD(P)H-電子載體-光合效率”的調(diào)控鏈條。
研究中，DUAL-KLAS-NIR的應(yīng)用重點(diǎn)在于：精準(zhǔn)量化Cd脅迫下PSI/PSII的電子傳遞障礙及NAC的修復(fù)效應(yīng)，包括PSI供體側(cè)限制(Y(ND))、受體側(cè)限制(Y(NA))、PC與Fd的最大可氧化量(PCm、Fdm)，以及CEF通量(通過(guò)ETR(I)-ETR(II)計(jì)算)。結(jié)果顯示，單一Cd脅迫下，辣椒葉片PSI活性受抑65.2%，Y(NA)顯著升高，PCm與Fdm分別降至對(duì)照的25.2%和 28.1%，表明電子傳遞在PC→PSI→Fd環(huán)節(jié)嚴(yán)重受阻；而NAC處理后，DUAL-KLAS-NIR 監(jiān)測(cè)到PCm與Fdm分別恢復(fù)至對(duì)照的43.4%和57.2%，Y(NA)降低32.4%，ETR(I)/ETR(II) 同步提升，且ΔpH 與qE的線性相關(guān)性(R2>0.8)得以恢復(fù)，證實(shí)NAC通過(guò)修復(fù)PC與Fd的電子傳遞功能，緩解PSI受體側(cè)限制。進(jìn)一步結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，NAC上調(diào)NAD+補(bǔ)救途徑關(guān)鍵基因(5'-核苷酸酶、NAD合成酶)，擴(kuò)大NAD(P)庫(kù)，為PC/Fd的氧化還原循環(huán)提供底物，而DUAL-KLAS-NIR測(cè)定的PC/Fd恢復(fù)動(dòng)態(tài)與NAD(P)H 含量變化高度一致，直接驗(yàn)證了“NAD(P)H -電子載體-光合修復(fù)”的因果關(guān)系。
外源煙酸對(duì)Cd脅迫下辣椒葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
https://doi.org/10.1016/j.scienta.2025.114438
該研究通過(guò)DUAL-KLAS-NIR的“電子傳遞-質(zhì)子梯度-光保護(hù)”聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)，首次從光合生理學(xué)角度證實(shí)NAC的緩解機(jī)制：其并非直接減少Cd積累(僅降低12.9%)，而是通過(guò)優(yōu)化PETC 的電子流動(dòng)效率，維持ΔpH依賴的光保護(hù)，為“代謝優(yōu)化而非金屬排斥”的抗逆策略提供了光合層面的直接證據(jù)。
三、2025 年10月14日，Jiaxuan Xiang等，Plant Stress，DUAL-KLAS-NIR揭示Cd脅迫下龍葵質(zhì)體藍(lán)素的調(diào)控樞紐作用
龍葵(Solanum nigrum L.)作為Cd超積累植物，在高Cd環(huán)境中仍能維持較高光合穩(wěn)定性，但其光合電子傳遞的調(diào)控機(jī)制尚不明確。Xiang等以龍葵為材料，設(shè)置0、3、10、20 mgkg-1Cd梯度脅迫，首次通過(guò)DUAL-KLAS-NIR系統(tǒng)解析PC在Cd脅迫下的功能角色，填補(bǔ)了 “超積累植物PETC調(diào)控”的研究空白。
該研究中，DUAL-KLAS-NIR的核心應(yīng)用在于：同步測(cè)定暗適應(yīng)葉片中P700最大可氧化量(Pm)、PC氧化態(tài)比例(PCox)、Fd還原態(tài)比例(Fdred)，以及光適應(yīng)下PSI/PSII的量子效率(Y(I)/Y(II))、電子傳遞速率(ETR(I)/ETR(II))、跨類囊體ΔpH(通過(guò)P515信號(hào)量化)及NPQ組分(qE、NPQf、NPQs)。結(jié)果顯示，隨著Cd濃度升高，龍葵葉片PCox呈線性下降，3、10、20 mgkg-1Cd處理下分別降低43.75%、50.84%、65.74%，而P700ox與Fdred無(wú)顯著變化，表明PC過(guò)度還原是PETC的核心瓶頸——Cd通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性取代PC的Cu2+輔因子破壞其電子傳遞功能，導(dǎo)致電子在PC水平積累，而非損傷下游PSI受體(如P700、Fd)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，中度Cd脅迫(3、10 mgkg-1)下，DUAL-KLAS-NIR監(jiān)測(cè)到CEF活性顯著增強(qiáng)，ΔpH維持在對(duì)照以上水平，qE型NPQ占比提升至94.46%(對(duì)照90.39%)，表明植物通過(guò)CEF補(bǔ)償線性電子傳遞(LEF)抑制，維持ΔpH依賴的光保護(hù)；而高濃度Cd(20 mgkg-1)下，PC過(guò)度還原突破補(bǔ)償閾值，ΔpH崩潰，qE占比降至77.93%，同時(shí)激活光合控制(PCON)機(jī)制—— 通過(guò)qP與P700red的相關(guān)性分析證實(shí)，PCON可優(yōu)先維持P700氧化態(tài)，避免PSI過(guò)度還原。
不同Cd處理對(duì)龍葵PSII與PSI活性的影響
https://doi.org/10.1016/j.stress.2025.101073
該研究通過(guò)DUAL-KLAS-NIR的多參數(shù)同步監(jiān)測(cè)，首次明確PC是Cd超積累植物光合調(diào)控的核心樞紐：其氧化還原狀態(tài)不僅決定電子傳遞效率，還通過(guò)CEF-ΔpH-NPQ與PCON的級(jí)聯(lián)響應(yīng)，協(xié)調(diào)光保護(hù)與PSI保護(hù)，這也解釋了龍葵在高Cd下仍能維持55%-66%凈光合速率(Pn)的光合韌性機(jī)制。
四、2018 年9月9日，Vijay Kumar等，Plant Cell and Environment，DUAL-KLAS-NIR捕捉砷與缺氧脅迫下根-冠信號(hào)介導(dǎo)的光合電子傳遞快速響應(yīng)
早期研究多聚焦于重金屬對(duì)根系的直接損傷，而根系脅迫如何快速影響地上部光合電子傳遞的機(jī)制尚不明確。Kumar等以擬南芥為材料，設(shè)置250 μM砷、缺氧(0.4% O?)及HpxAs處理，利用DUAL-KLAS-NIR首次監(jiān)測(cè)到“根系脅迫→地上部PETC響應(yīng)”的快速信號(hào)傳遞(4 小時(shí)內(nèi))，為根-冠光合信號(hào)研究提供了新方法。
本研究中，DUAL-KLAS-NIR的應(yīng)用創(chuàng)新在于：對(duì)地上部(常氧)葉片進(jìn)行短期光脈沖處理(1.5 秒，160 μmolm-2s-1)，同步記錄Fd的氧化還原動(dòng)力學(xué)變化，量化根系脅迫對(duì)地上部電子傳遞的早期影響。結(jié)果顯示，根系缺氧處理4小時(shí)后，DUAL-KLAS-NIR監(jiān)測(cè)到地上部Fd還原程度顯著升高(較對(duì)照增加25%)，而單一砷脅迫處理下Fd還原程度降低18%，HpxAs處理下Fd還原程度介于兩者之間，表明根系脅迫可通過(guò)根-冠信號(hào)快速調(diào)整地上部電子分配 ——缺氧通過(guò)抑制根系庫(kù)活性減少光合產(chǎn)物消耗，導(dǎo)致Fd電子積累；砷脅迫通過(guò)增強(qiáng)還原力需求(如As(III)解毒)加速Fd電子消耗，而HpxAs中兩種信號(hào)疊加，形成中間響應(yīng)。進(jìn)一步結(jié)合葉綠素?zé)晒馀cP700監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)d氧化還原的早期變化先于PSII/PSI量子效率(Y(II)/Y(I))的顯著變化(2天后)，證實(shí)Fd是根-冠光合信號(hào)的早期響應(yīng)靶點(diǎn)；而DUAL-KLAS-NIR測(cè)定的Fd氧化還原動(dòng)態(tài)與地上部ABA含量(升高2.3 倍)、H2O2含量(升高1.4倍)顯著相關(guān)，暗示ABA與ROS可能是介導(dǎo)該信號(hào)的關(guān)鍵物質(zhì)。
砷脅迫下擬南芥葉片光合參數(shù)及Fd氧化還原動(dòng)力學(xué)差異
https://doi.org/10.1111/pce.13441
該研究是DUAL-KLAS-NIR在“根-冠光合信號(hào)”研究中的早期應(yīng)用，其通過(guò)Fd氧化還原的高靈敏度監(jiān)測(cè)，首次捕捉到根系重金屬/缺氧脅迫對(duì)地上部PETC的快速影響(4小時(shí)內(nèi))，為后續(xù)解析“地下脅迫-地上光合適應(yīng)”的信號(hào)通路提供了關(guān)鍵技術(shù)手段。
綜合上述4篇文獻(xiàn)可見(jiàn)，DUAL-KLAS-NIR在植物重金屬脅迫研究中的應(yīng)用已形成明確的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與研究方向，其核心價(jià)值體現(xiàn)在以下四方面：
1. 精準(zhǔn)定位電子傳遞鏈的脅迫瓶頸，區(qū)分組件特異性損傷
傳統(tǒng)技術(shù)難以區(qū)分PETC不同組件(如PC、Fd、P700)的損傷位點(diǎn)，而DUAL-KLAS-NIR通過(guò)同步監(jiān)測(cè)多組件氧化還原狀態(tài)，可明確重金屬脅迫的關(guān)鍵靶點(diǎn)：如Xiang等(2025, Plant Stress)發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下PC是超積累植物龍葵的核心瓶頸，Yu等(2025, Scientia Horticulturae)證實(shí)Cd對(duì)辣椒的損傷集中于PC→Fd環(huán)節(jié)，Kumar等(2025, Journal of Experimental Botany)揭示HpxAs對(duì)擬南芥的全鏈條抑制。這種“組件特異性”解析，為針對(duì)性設(shè)計(jì)脅迫緩解策略(如NAC靶向修復(fù)PC/Fd)提供了精準(zhǔn)靶點(diǎn)。
2. 量化光保護(hù)機(jī)制的動(dòng)態(tài)調(diào)整，揭示脅迫適應(yīng)的光合邏輯
重金屬脅迫下，植物的光保護(hù)機(jī)制(CEF、PCON、NPQ)常呈現(xiàn)濃度依賴性變化，而DUAL-KLAS-NIR可同步量化這些過(guò)程：如Xiang等(2025, Plant Stress)觀察到龍葵在中度Cd脅迫下依賴CEF維持ΔpH，高Cd下激活PCON；Yu等(2025, Scientia Horticulturae)發(fā)現(xiàn)NAC 通過(guò)恢復(fù)ΔpH-qE耦合增強(qiáng)光保護(hù)；Kumar等(2025, Journal of Experimental Botany)證實(shí) HpxAs下CEF崩潰導(dǎo)致光保護(hù)失效。這些結(jié)果表明，DUAL-KLAS-NIR可捕捉光保護(hù)機(jī)制的“切換閾值”，為理解植物“成本-效益”的適應(yīng)邏輯提供數(shù)據(jù)支撐。
3. 捕捉短期動(dòng)態(tài)響應(yīng)，解析脅迫信號(hào)的快速傳遞
相較于傳統(tǒng)技術(shù)需數(shù)天才能觀察到光合參數(shù)變化，DUAL-KLAS-NIR可監(jiān)測(cè)數(shù)小時(shí)內(nèi)的電子傳遞動(dòng)態(tài)(如Kumar等(2018, Plant Cell and Environment)捕捉4小時(shí)內(nèi)Fd氧化還原的根- 冠響應(yīng))，這一優(yōu)勢(shì)使其成為研究“脅迫信號(hào)傳遞”的理想工具，尤其在解析根-冠光合信號(hào)、短期脅迫記憶等領(lǐng)域具有不可替代的價(jià)值。
4. 適配復(fù)合脅迫研究，揭示協(xié)同/拮抗的光合機(jī)制
復(fù)合脅迫對(duì)PETC的影響常是非線性的，而DUAL-KLAS-NIR的多參數(shù)監(jiān)測(cè)可區(qū)分單一與復(fù)合脅迫的獨(dú)特響應(yīng)：如Kumar等(2025, Journal of Experimental Botany)發(fā)現(xiàn)HpxAs導(dǎo)致“PC→PSI→Fd”全鏈條抑制，而單一砷/缺氧僅損傷單一環(huán)節(jié)；Kumar等(2018, Plant Cell and Environment)觀察到HpxAs下Fd氧化還原的中間響應(yīng)，體現(xiàn)兩種脅迫的信號(hào)疊加。這些結(jié)果為復(fù)合脅迫的“毒性互作”研究提供了光合層面的直接證據(jù)。
此外，DUAL-KLAS-NIR的應(yīng)用仍存在拓展空間：目前研究多集中于鎘、砷脅迫及模式植物(擬南芥、辣椒、龍葵)，未來(lái)可推廣至其他重金屬(如Pb、Zn)、作物(如水稻、小麥)及田間環(huán)境，同時(shí)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、代謝組等多組學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步揭示“光合電子傳遞-基因表達(dá)-代謝調(diào)整” 的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
Kumar, V., et al. (2018). "Interference between arsenic-induced toxicity and hypoxia." Plant, Cell & Environment 42(2): 574-590.
?光合作用電子傳遞鏈響應(yīng)環(huán)境變化的4種短期調(diào)控機(jī)制
?DUAL-KLAS-NIR測(cè)量光合控制可作為光合電子傳遞和卡爾文循環(huán)平衡的探針
?鎘脅迫下龍葵光合電子傳遞如何“破局”？質(zhì)體藍(lán)素(PC)成關(guān)鍵調(diào)控樞紐
?C3植物向日葵中PSI循環(huán)電子傳遞的調(diào)控機(jī)制
?質(zhì)體藍(lán)素(PC)在衣藻光合作用高光適應(yīng)中的作用研究取得新進(jìn)展
?創(chuàng)新性的波動(dòng)光設(shè)計(jì)揭秘?cái)M南芥的兩種光合響應(yīng)機(jī)制