FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)應(yīng)用案例——藻類病害表型研究

2019年中國海洋大學(xué)裝備了國內(nèi)首套海洋生物表型組學(xué)光學(xué)成像分析系統(tǒng)，這一系統(tǒng)包含以下子系統(tǒng)：

lFKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)

lFluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)

lFluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)

lSpecim IQ 高光譜成像儀

lMC1000 8通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

圖1. 海洋生物表型組學(xué)光學(xué)成像分析系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)

這一綜合系統(tǒng)可應(yīng)用于藻類光合功能基因、逆境脅迫、藻類生態(tài)、藻類表型、經(jīng)濟(jì)藻類育種以及生物能源開發(fā)等研究，同樣也適用于高等植物相關(guān)研究。其中，F(xiàn)luorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)同樣適用于病害造成的藻類次生代謝組總體分析及藻類防御機(jī)制研究。

FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)是目前功能最為強(qiáng)大全面的植物顯微熒光研究儀器，是基于FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)的顯微成像定制系統(tǒng)。FKM使科研工作者在藻類和高等植物細(xì)胞與亞細(xì)胞層次深入理解光合作用過程及該過程中發(fā)生的各種變化，為直接研究葉綠體中光合系統(tǒng)的工作機(jī)理提供了最為有力的工具。FKM作為藻類/植物表型和基因型顯微研究的雙重利器，得到了學(xué)界的廣泛認(rèn)可并取得了大量的科研成果。FKM與FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)配合可以全面反映病害等脅迫因素對藻類與高等植物宏觀和微觀兩個(gè)層次的影響。

圖2. 紫菜病害感染后的葉綠素?zé)晒怙@微成像圖：左：最大熒光Fm，中：最大光化學(xué)效率Fv/Fm；1為病害最初感染區(qū)域，2為病害擴(kuò)散區(qū)域，3為尚未感染區(qū)域；右：工作中的FKM系統(tǒng)

經(jīng)過專門定制設(shè)計(jì)的FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)也可以進(jìn)行多光譜顯微成像分析。

法國高等師范學(xué)院在對壺菌Chytridium polysiphoniae感染的褐藻Pylaiella littoralis進(jìn)行的研究中，使用FKM系統(tǒng)分別進(jìn)行了多光譜成像和葉綠素?zé)晒獬上瘢℅achon，2006）。圖中A，B是在Pylaiella細(xì)胞表面的Chytridium孢子囊，表明感染還沒有發(fā)展到鄰近的細(xì)胞。B.在UV下，孢子囊發(fā)出了輕微的F440藍(lán)色熒光，而被感染細(xì)胞的葉綠素?zé)晒鈩t有顯著的下降。C，D表現(xiàn)了重度感染的藻絲中伴隨著葉綠素?zé)晒獾臏p少，F(xiàn)440藍(lán)色熒光組分有所增加，這可能是由亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的多酚增加造成的。葉綠素?zé)晒獬上穹治龈腥就瑫r(shí)影響了P. littoralis光系統(tǒng)II的暗適應(yīng)光化學(xué)能力（測量Fv/Fm）和非光化學(xué)淬滅NPQ。

圖3.Chytridium感染Pylaiella的FKM熒光顯微分析：左：葉綠素?zé)晒怙@微成像分析；右：明視場（A，C）和F440藍(lán)色熒光顯微成像圖（B，D）

中國海洋大學(xué)希望通過這一系統(tǒng)，尤其是FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)與FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)廣泛開展不同基因型藻類在病害等脅迫條件下的表型分析研究，從而揭示藻類抗逆適應(yīng)的機(jī)理，為優(yōu)良經(jīng)濟(jì)藻種開發(fā)提供理論依據(jù)，目前已經(jīng)取得了初步的研究成果。對條斑紫菜Pyropia yezoensis感染赤腐病進(jìn)行了多光譜熒光成像分析，發(fā)現(xiàn)紫菜感染區(qū)域的次生代謝也有顯著的升高（Tang L, 2019）。

圖4. 中國海洋大學(xué)使用FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)研究條斑紫菜Pyropia yezoensis感染赤腐病后的次生代謝響應(yīng)，左：多光譜熒光F520動(dòng)態(tài)曲線；右：RGB和F520成像圖（Tang L, 2019）

參考文獻(xiàn)：

1. Gachon C, et al. 2006. Single-cell chlorophyll fluorescence kinetic microscopy of Pylaiella littoralis (Phaeophyceae) infected by Chytridium polysiphoniae (Chytridiomycota). Eur. J. Phycol., 41(4): 395-403

2. Tang L, et al. 2019. Transcriptomic Insights into Innate Immunity Responding to Red Rot Disease in Red Alga Pyropia yezoensis. Int. J. Mol. Sci. 20: 5970

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