DUAL-KLAS-NIR(四通道动态LED阵列近红外光谱仪)作为一种可实时、活体监测植物光合电子传递链(PETC)关键组件氧化还原(redox)状态的技术，近年来在植物重金属胁迫研究中展现出独特优势。其核心功能在于同步解析光系统I(PSI)、光系统II(PSII)及电子载体(质体蓝素PC、铁氧还蛋白Fd)的氧化还原动态、电子传递速率(ETR)及跨类囊体质子梯度(ΔpH)等参数，为揭示重金属(如镉Cd、砷As)对光合机构的损伤机制及植物适应策略提供了精准数据支撑。本文基于2018-2025年发表的4篇核心文献(按发表时间由新及旧：2025 Kumar、 2025 Yu、2025 Xiang、2018 Kumar)，系统梳理DUAL-KLAS-NIR在植物重金属胁迫研究中的应用场景：从解析Cd胁迫下PC的调控枢纽作用，到揭示烟酸缓解Cd毒性的光合电子传递恢复机制，再到阐明As与缺氧复合胁迫对光合电子流的独特干扰，以及早期根-冠信号介导的光合响应。研究表明，DUAL-KLAS-NIR不仅能识别重金属胁迫下光合电子传递的关键瓶颈(如PC过度还原)，还能量化光保护机制(如循环电子传递CEF、光合控制PCON、非光化学淬灭NPQ)的动态变化，为深入理解植物重金属耐受性的光合调控机制提供了不可替代的技术支持。
土壤重金属污染(如Cd、As)已成为全球农业生态安全的重大威胁，其核心危害之一是破坏植物光合作用——通过干扰光合电子传递链(PETC)组件功能、诱导活性氧(ROS)爆发，最终抑制碳同化与生物量积累。传统光合测定技术(如PAM 荧光仪)多聚焦于PSII功能(如Fv/Fm、Y(II))，难以同步捕捉PSI及电子载体(PC、Fd)的动态变化，而PETC的完整性与协调性恰恰是植物应对重金属胁迫的关键调控靶点。DUAL-KLAS-NIR的出现突破了这一局限：其通过近红外差分模型光谱技术，可在活体叶片中同步监测P700(PSI反应中心)、PC(Cyt b6f与 PSI间电子载体)、Fd(PSI下游电子受体)的氧化还原状态，同时结合叶绿素荧光动力学量化 PSII参数(Y(II)、NPQ)、电子传递速率(ETR (I)/ETR (II))及ΔpH依赖的光保护响应，实现对光合系统的“全链条”解析。近年来，该技术在植物重金属胁迫研究中逐步推广，尤其在解析胁迫下电子传递瓶颈、光保护机制及胁迫缓解策略等方面取得关键进展。本文以4篇代表性文献为基础，按发表时间由新及旧，系统阐述DUAL-KLAS-NIR的应用价值与研究发现，为后续相关研究提供参考。
一、2025 年10月23日，Vijay Kumar等，Journal of Experimental Botany，DUAL-KLAS-NIR揭示缺氧-砷复合胁迫对拟南芥光合电子传递的独特干扰
自然环境中，重金属胁迫常与其他非生物胁迫(如缺氧)复合发生，而复合胁迫对PETC的影响难以通过单一胁迫研究预测。Kumar等以拟南芥为材料，设置0、3、10、20 mgkg-1砷胁迫及缺氧(0.4% O2)-砷复合胁迫(HpxAs)，利用DUAL-KLAS-NIR解析复合胁迫下PETC的独特响应，首次发现“缺氧主导的电子传递抑制与砷介导的氧化还原紊乱”的协同效应。
DUAL-KLAS-NIR在本研究中的核心应用是：区分单一As、缺氧与HpxAs对PETC不同组件的影响，包括Fd的氧化还原动力学(短期光脉冲下的还原/氧化速率)、P700的氧化还原状态(Y(I)、Y(ND))及PC的电子传递效率(PCox与ETR(I)的相关性)。结果显示，单一砷胁迫下，DUAL-KLAS-NIR监测到Fd还原速率降低40%，但PCox仅下降15%，表明电子传递瓶颈在Fd下游；单一缺氧胁迫下，PCox下降30%，Fd还原速率无显著变化，瓶颈转移至 PC→PSI环节；而HpxAs处理下，PCox下降65.7%，Fd还原速率降低50%，且P700 氧化态(Pm)降至对照的58%，形成“PC→PSI→Fd”全链条抑制，这是单一胁迫中未观察到的协同效应。进一步通过DIRK(暗间隔弛豫动力学)分析发现，HpxAs下PC+还原速率与Fd-氧化速率分别降低60%和55%，证实复合胁迫不仅降低电子载体含量，还抑制其周转效率；而CEF 活性在HpxAs中仅为对照的30%(单一砷胁迫为60%、缺氧为50%)，导致ΔpH崩溃，qE占比降至65%，加剧PSII光抑制。
砷胁迫、缺氧胁迫及HpxAs组合胁迫对拟南芥PETC组件氧化还原状态的影响
https://doi.org/10.1093/jxb/eraf467
该研究通过DUAL-KLAS-NIR的“组件特异性-动态周转-光保护”多维分析，揭示了复合胁迫的独特毒性机制：缺氧通过抑制PC合成加剧电子传递障碍，砷胁迫通过消耗GSH破坏Fd 的氧化还原循环，二者协同导致PETC全链条瘫痪，而DUAL-KLAS-NIR的高分辨率监测为“复合胁迫协同效应”提供了光合电子传递层面的直接证据。
二、2025 年10月15日，于志民等，Scientia Horticulturae，DUAL-KLAS-NIR解析烟酸缓解辣椒Cd胁迫的光合电子传递恢复机制
外源烟酸(NAC)作为NAD(P)H的前体，可增强植物重金属耐受性，但其对光合电子传递的修复机制尚不明确。Yu等以辣椒(Capsicum annuum L.)为材料，设置1.0 mgL-1 Cd2+胁迫及 Cd2++200 mgL-1NAC处理，利用DUAL-KLAS-NIR聚焦“NAC如何通过恢复PETC功能缓解镉毒性”，首次建立“NAD(P)H-电子载体-光合效率”的调控链条。
研究中，DUAL-KLAS-NIR的应用重点在于：精准量化Cd胁迫下PSI/PSII的电子传递障碍及NAC的修复效应，包括PSI供体侧限制(Y(ND))、受体侧限制(Y(NA))、PC与Fd的最大可氧化量(PCm、Fdm)，以及CEF通量(通过ETR(I)-ETR(II)计算)。结果显示，单一Cd胁迫下，辣椒叶片PSI活性受抑65.2%，Y(NA)显著升高，PCm与Fdm分别降至对照的25.2%和 28.1%，表明电子传递在PC→PSI→Fd环节严重受阻；而NAC处理后，DUAL-KLAS-NIR 监测到PCm与Fdm分别恢复至对照的43.4%和57.2%，Y(NA)降低32.4%，ETR(I)/ETR(II) 同步提升，且ΔpH 与qE的线性相关性(R2>0.8)得以恢复，证实NAC通过修复PC与Fd的电子传递功能，缓解PSI受体侧限制。进一步结合转录组分析发现，NAC上调NAD+补救途径关键基因(5'-核苷酸酶、NAD合成酶)，扩大NAD(P)库，为PC/Fd的氧化还原循环提供底物，而DUAL-KLAS-NIR测定的PC/Fd恢复动态与NAD(P)H 含量变化高度一致，直接验证了“NAD(P)H -电子载体-光合修复”的因果关系。
外源烟酸对Cd胁迫下辣椒叶片叶绿素荧光参数的影响
https://doi.org/10.1016/j.scienta.2025.114438
该研究通过DUAL-KLAS-NIR的“电子传递-质子梯度-光保护”联动监测，首次从光合生理学角度证实NAC的缓解机制：其并非直接减少Cd积累(仅降低12.9%)，而是通过优化PETC 的电子流动效率，维持ΔpH依赖的光保护，为“代谢优化而非金属排斥”的抗逆策略提供了光合层面的直接证据。
三、2025 年10月14日，Jiaxuan Xiang等，Plant Stress，DUAL-KLAS-NIR揭示Cd胁迫下龙葵质体蓝素的调控枢纽作用
龙葵(Solanum nigrum L.)作为Cd超积累植物，在高Cd环境中仍能维持较高光合稳定性，但其光合电子传递的调控机制尚不明确。Xiang等以龙葵为材料，设置0、3、10、20 mgkg-1Cd梯度胁迫，首次通过DUAL-KLAS-NIR系统解析PC在Cd胁迫下的功能角色，填补了 “超积累植物PETC调控”的研究空白。
该研究中，DUAL-KLAS-NIR的核心应用在于：同步测定暗适应叶片中P700最大可氧化量(Pm)、PC氧化态比例(PCox)、Fd还原态比例(Fdred)，以及光适应下PSI/PSII的量子效率(Y(I)/Y(II))、电子传递速率(ETR(I)/ETR(II))、跨类囊体ΔpH(通过P515信号量化)及NPQ组分(qE、NPQf、NPQs)。结果显示，随着Cd浓度升高，龙葵叶片PCox呈线性下降，3、10、20 mgkg-1Cd处理下分别降低43.75%、50.84%、65.74%，而P700ox与Fdred无显著变化，表明PC过度还原是PETC的核心瓶颈——Cd通过竞争性取代PC的Cu2+辅因子破坏其电子传递功能，导致电子在PC水平积累，而非损伤下游PSI受体(如P700、Fd)。进一步分析发现，中度Cd胁迫(3、10 mgkg-1)下，DUAL-KLAS-NIR监测到CEF活性显著增强，ΔpH维持在对照以上水平，qE型NPQ占比提升至94.46%(对照90.39%)，表明植物通过CEF补偿线性电子传递(LEF)抑制，维持ΔpH依赖的光保护；而高浓度Cd(20 mgkg-1)下，PC过度还原突破补偿阈值，ΔpH崩溃，qE占比降至77.93%，同时激活光合控制(PCON)机制—— 通过qP与P700red的相关性分析证实，PCON可优先维持P700氧化态，避免PSI过度还原。
不同Cd处理对龙葵PSII与PSI活性的影响
https://doi.org/10.1016/j.stress.2025.101073
该研究通过DUAL-KLAS-NIR的多参数同步监测，首次明确PC是Cd超积累植物光合调控的核心枢纽：其氧化还原状态不仅决定电子传递效率，还通过CEF-ΔpH-NPQ与PCON的级联响应，协调光保护与PSI保护，这也解释了龙葵在高Cd下仍能维持55%-66%净光合速率(Pn)的光合韧性机制。
四、2018 年9月9日，Vijay Kumar等，Plant Cell and Environment，DUAL-KLAS-NIR捕捉砷与缺氧胁迫下根-冠信号介导的光合电子传递快速响应
早期研究多聚焦于重金属对根系的直接损伤，而根系胁迫如何快速影响地上部光合电子传递的机制尚不明确。Kumar等以拟南芥为材料，设置250 μM砷、缺氧(0.4% O₂)及HpxAs处理，利用DUAL-KLAS-NIR首次监测到“根系胁迫→地上部PETC响应”的快速信号传递(4 小时内)，为根-冠光合信号研究提供了新方法。
本研究中，DUAL-KLAS-NIR的应用创新在于：对地上部(常氧)叶片进行短期光脉冲处理(1.5 秒，160 μmolm-2s-1)，同步记录Fd的氧化还原动力学变化，量化根系胁迫对地上部电子传递的早期影响。结果显示，根系缺氧处理4小时后，DUAL-KLAS-NIR监测到地上部Fd还原程度显著升高(较对照增加25%)，而单一砷胁迫处理下Fd还原程度降低18%，HpxAs处理下Fd还原程度介于两者之间，表明根系胁迫可通过根-冠信号快速调整地上部电子分配 ——缺氧通过抑制根系库活性减少光合产物消耗，导致Fd电子积累；砷胁迫通过增强还原力需求(如As(III)解毒)加速Fd电子消耗，而HpxAs中两种信号叠加，形成中间响应。进一步结合叶绿素荧光与P700监测发现，Fd氧化还原的早期变化先于PSII/PSI量子效率(Y(II)/Y(I))的显著变化(2天后)，证实Fd是根-冠光合信号的早期响应靶点；而DUAL-KLAS-NIR测定的Fd氧化还原动态与地上部ABA含量(升高2.3 倍)、H2O2含量(升高1.4倍)显著相关，暗示ABA与ROS可能是介导该信号的关键物质。
砷胁迫下拟南芥叶片光合参数及Fd氧化还原动力学差异
https://doi.org/10.1111/pce.13441
该研究是DUAL-KLAS-NIR在“根-冠光合信号”研究中的早期应用，其通过Fd氧化还原的高灵敏度监测，首次捕捉到根系重金属/缺氧胁迫对地上部PETC的快速影响(4小时内)，为后续解析“地下胁迫-地上光合适应”的信号通路提供了关键技术手段。
综合上述4篇文献可见，DUAL-KLAS-NIR在植物重金属胁迫研究中的应用已形成明确的技术优势与研究方向，其核心价值体现在以下四方面：
1. 精准定位电子传递链的胁迫瓶颈，区分组件特异性损伤
传统技术难以区分PETC不同组件(如PC、Fd、P700)的损伤位点，而DUAL-KLAS-NIR通过同步监测多组件氧化还原状态，可明确重金属胁迫的关键靶点：如Xiang等(2025, Plant Stress)发现Cd胁迫下PC是超积累植物龙葵的核心瓶颈，Yu等(2025, Scientia Horticulturae)证实Cd对辣椒的损伤集中于PC→Fd环节，Kumar等(2025, Journal of Experimental Botany)揭示HpxAs对拟南芥的全链条抑制。这种“组件特异性”解析，为针对性设计胁迫缓解策略(如NAC靶向修复PC/Fd)提供了精准靶点。
2. 量化光保护机制的动态调整，揭示胁迫适应的光合逻辑
重金属胁迫下，植物的光保护机制(CEF、PCON、NPQ)常呈现浓度依赖性变化，而DUAL-KLAS-NIR可同步量化这些过程：如Xiang等(2025, Plant Stress)观察到龙葵在中度Cd胁迫下依赖CEF维持ΔpH，高Cd下激活PCON；Yu等(2025, Scientia Horticulturae)发现NAC 通过恢复ΔpH-qE耦合增强光保护；Kumar等(2025, Journal of Experimental Botany)证实 HpxAs下CEF崩溃导致光保护失效。这些结果表明，DUAL-KLAS-NIR可捕捉光保护机制的“切换阈值”，为理解植物“成本-效益”的适应逻辑提供数据支撑。
3. 捕捉短期动态响应，解析胁迫信号的快速传递
相较于传统技术需数天才能观察到光合参数变化，DUAL-KLAS-NIR可监测数小时内的电子传递动态(如Kumar等(2018, Plant Cell and Environment)捕捉4小时内Fd氧化还原的根- 冠响应)，这一优势使其成为研究“胁迫信号传递”的理想工具，尤其在解析根-冠光合信号、短期胁迫记忆等领域具有不可替代的价值。
4. 适配复合胁迫研究，揭示协同/拮抗的光合机制
复合胁迫对PETC的影响常是非线性的，而DUAL-KLAS-NIR的多参数监测可区分单一与复合胁迫的独特响应：如Kumar等(2025, Journal of Experimental Botany)发现HpxAs导致“PC→PSI→Fd”全链条抑制，而单一砷/缺氧仅损伤单一环节；Kumar等(2018, Plant Cell and Environment)观察到HpxAs下Fd氧化还原的中间响应，体现两种胁迫的信号叠加。这些结果为复合胁迫的“毒性互作”研究提供了光合层面的直接证据。
此外，DUAL-KLAS-NIR的应用仍存在拓展空间：目前研究多集中于镉、砷胁迫及模式植物(拟南芥、辣椒、龙葵)，未来可推广至其他重金属(如Pb、Zn)、作物(如水稻、小麦)及田间环境，同时结合转录组、代谢组等多组学技术，进一步揭示“光合电子传递-基因表达-代谢调整” 的调控网络。
Kumar, V., et al. (2018). "Interference between arsenic-induced toxicity and hypoxia." Plant, Cell & Environment 42(2): 574-590.
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