FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)在藥用植物研究中的應(yīng)用

FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)是目前最權(quán)威、使用最廣、種類最全面、發(fā)表論文最多的葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)，廣泛應(yīng)用于植物和作物的光合生理、表型成像分析、脅迫與抗性檢測、病害檢測研究、遺傳育種、生理生態(tài)學(xué)、初級(jí)代謝與次級(jí)代謝研究、污染生態(tài)學(xué)研究檢測/生物檢測等研究。
 

中國是中草藥的發(fā)源地，大約有12000種藥用植物。其中很多藥用植物在世界范圍內(nèi)有廣泛分布，有些在國外傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中也有應(yīng)用。藥用植物同樣是FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)的重要研究對(duì)象。本文將介紹一些FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)的國內(nèi)外藥用植物研究案例。
 

一、藥用植物光合表型、抗逆及種植技術(shù)研究
 

1. 凍害的熱成像和葉綠素?zé)晒獬上裢�步觀測

研究對(duì)象	功效
千里光	清肝明目，去濕熱，治瘡毒
香樟	祛風(fēng)，除濕，止痛，殺蟲

  奧地利因斯布魯克大學(xué)研究了千里光、香樟等的凍害響應(yīng)。紅外熱成像測量反映了凍害擴(kuò)散過程中造成葉片溫度變化的過程，而FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駝t反映了凍害擴(kuò)散對(duì)光合系統(tǒng)的損害。結(jié)果顯示，千里光葉片溫度變化是同步的，但其葉尖的光合系統(tǒng)會(huì)先受到傷害。而香樟則觀察到葉片的一種斑駁凍結(jié)模式。這反映了這兩個(gè)物種對(duì)凍害的不同響應(yīng)方式。
 

參考文獻(xiàn)：Hacker, J., Spindelböck, J. P. & Neuner, G. 2008. Mesophyll freezing and effects of freeze dehydration visualized by simultaneous measurement of IDTA and differential imaging chlorophyll fluorescence. Plant, Cell & Environment 31, 1725 – 1733

2. 鹽脅迫的耐受機(jī)制

研究對(duì)象	功效
秋葵	利咽，通淋，下乳，調(diào)經(jīng)

浙江農(nóng)科院和浙江大學(xué)合作研究秋葵的鹽脅迫耐受機(jī)制。葉綠素?zé)晒鈪��?shù)最大光化學(xué)效率Fv/Fm作為檢測植物受脅迫程度最靈敏的無損指標(biāo)之一，已經(jīng)得到了廣泛的驗(yàn)證和認(rèn)可。在這一研究中，F(xiàn)v/Fm成像圖作為重要的數(shù)據(jù)，反映鹽脅迫對(duì)光系統(tǒng)的損害程度。
 

參考文獻(xiàn)：Yu C, et al. 2019. The Phosphoproteomic Response of Okra (Abelmoschus esculentus L.) Seedlings to Salt Stress. Int. J. Mol. Sci. 20(6): 1262

3. 調(diào)控培養(yǎng)光質(zhì)促進(jìn)光合和生長
 

研究對(duì)象	功效
黃瓜假還陽參	通結(jié)氣，利腸胃

韓國國立忠北大學(xué)使用紅綠藍(lán)（RGB）三色LED光源模擬了三種單色光和不同配比紅藍(lán)/紅綠藍(lán)混色光的光照培養(yǎng)條件，研究不同培養(yǎng)光質(zhì)對(duì)黃瓜假還陽參生長的影響。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治霰砻�，藍(lán)光顯著提高了非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ，而紅光和綠光則降低了NPQ。紅綠藍(lán)三色光中藍(lán)光比例提高會(huì)造成NPQ上升，紅光比例提高則會(huì)使電子傳遞速率ETR上升。同時(shí)，紅綠藍(lán)三色光培養(yǎng)時(shí)，莖生物量、葉面積等形態(tài)學(xué)指標(biāo)要優(yōu)于單色光和紅藍(lán)光。綜合結(jié)果，R8G1B1的光照比例被認(rèn)為是最優(yōu)的培養(yǎng)光照比例。這為相關(guān)的藥用植物大規(guī)模人工培養(yǎng)提供了理論依據(jù)和培養(yǎng)方案。
 

參考文獻(xiàn)：Park SY, et al. 2020. Manipulating light quality to promote shoot growth and bioactive compound biosynthesis of Crepidiastrum denticulatum (Houtt.) Pak & Kawano cultivated in plant factories. Journal of Applied Research on Medicinal and Aromatic Plants 16: 100237
 

二、藥用植物加工與品質(zhì)鑒定

1. 最佳干燥溫度的篩選
 

研究對(duì)象	功效
牛至	解表，理氣，清暑，利濕

米蘭理工大學(xué)研究了牛至葉片在不同溫度下（50°C，55°C，60°C）的通風(fēng)干燥過程。傳統(tǒng)方法是通過檢測葉片水分含量變化來確定葉片是否達(dá)到要求。但僅靠水分含量，是無法確定葉片是否已經(jīng)真正失活。如果葉片實(shí)際還沒有完全失活，那么在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中很可能會(huì)有有效成分減少、霉變等問題。而通過FluorCam葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)測量的最大光化學(xué)效率Fv/Fm可以非常簡便直觀地反映葉片活性。經(jīng)過暗適應(yīng)處理后，生長良好的C3植物葉片F(xiàn)v/Fm約為0.83-0.84。在受到脅迫后，這一數(shù)值會(huì)隨著脅迫程度的加劇而線型降低。當(dāng)Fv/Fm低于0.1時(shí)，葉片已經(jīng)處于完全失活的狀態(tài)。通過葉綠素?zé)晒獬上駡D分析，結(jié)合有效活性成分——總多酚量分析，研究得到了最佳的干燥溫度，確定了后續(xù)的進(jìn)一步加工處理方法。
 

參考文獻(xiàn)：Bravin R, 2017, Effect of drying temperature on selected product parameter of oregano and downstream cold atmospheric pressure plasma processing for microbial inactivation, Politecnico Di Milano, Master Thesis

2. 次生代謝總體水平
 

研究對(duì)象	功效
煙草	消腫、解毒、殺蟲
向日葵	平肝祛風(fēng)，清濕熱，消滯氣
列當(dāng)	補(bǔ)腎，強(qiáng)筋
積雪草	清熱利濕，解毒消腫

中草藥的有效成分主要來源于植物次生代謝所產(chǎn)生的一系列復(fù)雜化合物，比如多酚、黃酮等。要分析這些次生代謝化合物一般都是使用高效液相色譜或是其他化學(xué)分析方法。這些分析方法雖然高效準(zhǔn)確，但很多時(shí)候只能分析一種或者幾種特定化合物，難以衡量植物總體的次生代謝水平。同時(shí)由于需要對(duì)植物樣品進(jìn)行破壞性處理，因此無法進(jìn)行次生代謝的長期動(dòng)態(tài)測量，也不能提供次生代謝在植物不同部位分布的相關(guān)信息。
 

而最近幾年逐漸成熟的UV-MCF多光譜熒光成像技術(shù)通過檢測UV紫外光激發(fā)的植物多光譜熒光（Multi-color Fluorescence，MCF），可以獲得包括苯丙素類：黃酮醇（如楊梅酮-3-O-蕓香糖苷、槲皮素-3-O-半乳糖苷、槲皮素-3-O-葡萄糖苷）、羥基肉桂酸（如咖啡酸）等[Montero, 2016]；植保素、多酚、黃酮類、阿魏酸[Castillo-Lizardo, 2015; Pérez-Bueno, 2016]等一系列次生代謝的總體水平數(shù)據(jù)。這一技術(shù)與葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)結(jié)合，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于脅迫造成的次生代謝響應(yīng)研究中，如西班牙科學(xué)研究委員會(huì)研究了煙草在感染細(xì)菌性甘薯莖腐病菌后光合能力與次生代謝的變化、中國農(nóng)科院煙草研究所對(duì)煙草干旱抗性的次生代謝研究。
 

而通過藥用植物次生代謝總體水平研究來快速檢測其有效成分的相對(duì)含量，無疑是這一技術(shù)未來的重要應(yīng)用方向。目前國際上開展的工作如通過向日葵次生代謝變化檢測列當(dāng)?shù)脑缙诮臃N；高光與紫外光培養(yǎng)對(duì)積雪草黃酮類化合物含量影響等。在可以預(yù)期的未來，這一技術(shù)將成為藥用植物研究的重要工具之一。

參考文獻(xiàn)：

lPérez-Bueno M L, et al. 2016. Temporal and Spatial Resolution of Activated Plant Defense Responses in Leaves of Nicotiana benthamiana Infected with Dickeya dadantii. Front Plant Sci. 6: 1209

lKhan R, et al. 2019. Transcriptome Profiling, Biochemical and Physiological Analyses Provide New Insights towards Drought Tolerance in Nicotiana tabacum L. Genes 10: 1041

lOrtiz-Bustos CM, et al. 2016. Fluorescence Imaging in the Red and Far-Red Region during Growth of Sunflower Plantlets. Diagnosis of the Early Infection by the Parasite Orobanche cumana. Front. Plant Sci. 7:884

lMüller V, et al. 2016. Ecologically relevant UV-B dose combined with high PAR intensity distinctly affect plant growth and accumulation of secondary metabolites in leaves of Centella asiatica L. Urban. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 127: 161–169

三、藥用植物提取物開發(fā)生物農(nóng)藥
 

研究對(duì)象	功效
葛縷子	祛脹氣，助消化
薄荷	發(fā)汗解熱，疏肝理氣，利咽止痛，止癢

波蘭農(nóng)業(yè)大學(xué)嘗試從葛縷子和薄荷中提取香精油來開發(fā)生態(tài)友好的植物性除草劑。他們將不同濃度的精油乳液施加到玉米和典型的玉米雜草稗子上。通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治�，可以直觀地獲得玉米和稗子光合系統(tǒng)的損傷數(shù)據(jù)，從而評(píng)估精油的除草效果。結(jié)果顯示，2.5%濃度的葛縷子香精油效果最好。它可以在對(duì)玉米光合能力不造成顯著影響的情況下，明顯地?fù)p傷稗子的光合系統(tǒng)，從而達(dá)到抑制雜草生長同時(shí)不對(duì)作物造成傷害的目的。這為生物農(nóng)藥的進(jìn)一步開發(fā)和商業(yè)化推廣提供了理論依據(jù)。
 

參考文獻(xiàn)：Synowiec A, et al. 2019. Carum carvi L. essential oil: A promising candidate for botanical herbicide against Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv. in maize cultivation. Industrial Crops & Products 140: 111652
 

北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供藥用植物研究全面技術(shù)方案：

lFluorPen、FluorCam葉綠素?zé)晒?多光譜熒光技術(shù)

lSL3500、FytoScope智能LED光源與生長箱

lSpectraPen/PolyPen、Specim高光譜測量技術(shù)

lThermo-RGB紅外熱成像技術(shù)

lPlantScreen植物高通量表型成像分析平臺(tái)

lEcoDrone無人機(jī)遙感技術(shù)方案