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  FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)應(yīng)用案例（第四期）FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)作為Z早實用化的葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)，是目前世界上Zquan威、使用范圍Z廣、種類Z全面、發(fā)表論文Z多的葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)。FluorCam已經(jīng)發(fā)展出十幾個型號，涵蓋了從葉綠體、單個細(xì)胞、微藻到葉片、果實、花朵，乃至整株植物和植物灌層，幾乎可以測量所有的植物樣品，甚至包括含有葉綠素的微生物和動物。易科泰Ecolab生態(tài)實驗室總結(jié)了FluorCam相關(guān)SCI參考文獻(xiàn)近500篇，可聯(lián)系Ecolab生態(tài)實驗室（eco-lab@eco-tech.com.cn,info@eco-lab.cn）索取文獻(xiàn)目錄及全文。了解FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)詳情請點擊以下鏈接：FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)Z早在21世紀(jì)初引進(jìn)到國內(nèi)，但一直到2010年后國內(nèi)的科學(xué)家才在國際交流中逐漸發(fā)現(xiàn)這項技術(shù)的巨大價值，在短短數(shù)年中也利用這一技術(shù)發(fā)表了幾十篇高水平SCI文獻(xiàn)。本期主要介紹目前FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用情況。一、植物光合生理研究葉綠素?zé)晒饪梢灾苯臃磻?yīng)植物光系統(tǒng)的生理狀況，因此從葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)發(fā)明之初，就被用于各種植物光合生理研究。山東農(nóng)科院使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)研究了小麥旗葉與外露花梗光合能力的差異[1]。研究中發(fā)現(xiàn)在小麥生長前中期，旗葉與外露花梗的Zda光化學(xué)效率Fv/Fm和量子產(chǎn)額ΦPSII基本相同。但在生長后期，旗葉的光合能力顯著下降，而花梗光合能力的下降幅度要小于旗葉（圖1）。這證明了在生長后期的灌漿期，花梗對維持籽粒的生長更為重要。之后，他們又研究了小麥葉片和穎片季節(jié)衰老過程中以及穎果發(fā)育過程中光合特性的變化[2；3，圖2]。圖1.不同生長階段的旗葉（A，C）和外露花梗（B，D）的Fv/Fm（A，B）和ΦPSII（C，D）典型葉綠素?zé)晒獬上駡D圖2.不同生長期小麥葉片和穎片的Zda光化學(xué)效率Fv/Fm（A）、量子產(chǎn)額ΦPSII（B）和非光化學(xué)淬滅NPQ（C）的變化二、植物生物/非生物逆境脅迫與抗逆性研究由于幾乎所有種類的生物/非生物逆境脅迫都會影響到植物光合系統(tǒng)的正常生理功能，而葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是公認(rèn)的植物逆境光合功能研究Z靈敏的無損探針。因此通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)不但能反映植物受脅迫程度和抗逆能力的差異，而且能指明脅迫影響光合系統(tǒng)的具體機(jī)理過程。1.養(yǎng)分虧缺山東農(nóng)業(yè)大學(xué)使用FluorCam研究了兩種玉米在不同施氮條件下光合特性的變化[4]。研究發(fā)現(xiàn)，施加氮肥使兩個品種的Zda光化學(xué)效率Fv/Fm和量子產(chǎn)額ΦPSII都有所升高，而ΦPSII的升高幅度要高于Fv/Fm，表明氮肥對PSII的實際功能活性更有作用。同時玉米品種HZ4熒光參數(shù)的升高幅度也要高于Q319，這應(yīng)該是由于HZ4是一種低N效率的非持綠玉米（圖3）。圖3.氮對兩種玉米品種造成影響的葉綠素?zé)晒獬上駡D2.鹽堿脅迫山東農(nóng)業(yè)大學(xué)使用FluorCam研究發(fā)現(xiàn)S-adenosyl-L-methionine(SAM)基因過表達(dá)會顯著增加在堿脅迫下的番茄的光合能力[5]（圖4）。圖4.野生型和轉(zhuǎn)基因番茄葉片在堿脅迫下的Fv/Fm熒光成像圖3.水分脅迫山東農(nóng)科院研究了不同灌溉方式對小麥光合特性的影響[6]。研究發(fā)現(xiàn)比起傳統(tǒng)的漫灌，溝灌條件下的小麥葉片有更高的Zda光化學(xué)效率Fv/Fm、量子產(chǎn)額ΦPSII、光化學(xué)淬滅qP和更低的非光化學(xué)淬滅NPQ（圖5）。這說明溝灌給小麥提供了更好的土壤水分條件，從而使小麥葉片擁有了更強(qiáng)的光化學(xué)活性。圖5.傳統(tǒng)漫灌和溝灌條件下小麥的Fv/Fm、ΦPSII、qP和NPQ熒光成像圖國內(nèi)還有其他院校使用FluorCam開展了熱脅迫、病害、重金屬毒害、光質(zhì)影響等多種脅迫研究[7；8；9；10]。三、植物光合基因組學(xué)與分子生物學(xué)研究植物光合作用可以說是植物對人類乃至整個生物圈Z重要的功能，一方面為其他生物直接或間接地提供能量和食物，另一方面也在地球碳氧循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵性作用。因此，對植物光合作用功能基因的研究，一直是植物基因組學(xué)與分子生物學(xué)研究的重中之重。而葉綠素?zé)晒饽苤苯臃从诚嚓P(guān)功能基因的表型變化，所以幾乎所有與光合基因相關(guān)的研究都要用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)來進(jìn)行表型篩選、基因功能驗證等方面的工作。1.從光合表型到基因功能ZG科學(xué)院植物研究所張立新研究員是Z早將FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)引入國內(nèi)的科學(xué)家。中科院植物所光生物學(xué)ZD實驗室是國內(nèi)植物光合基因相關(guān)研究Z前沿的科研單位。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)引入后就立刻用于了光合相關(guān)基因功能與表型研究。2006年，張立新研究團(tuán)隊就使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)研究了擬南芥ppt1突變體光系統(tǒng)II光化學(xué)能力的變化，進(jìn)而證明了磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白對維持葉片生長后期正常光合作用的重要性[11]（圖6）。之后，植物所張立新團(tuán)隊和彭連偉團(tuán)隊都使用FluorCam發(fā)表了多篇植物光合基因相關(guān)文獻(xiàn)[12；13]。彭連偉在研究NADH脫氫酶復(fù)合體穩(wěn)定性時[14]，發(fā)現(xiàn)在50molphotons/m.s的光強(qiáng)下，lhca5lhca6pgr5、lhca6pgr5和crr4-2pgr5擬南芥突變體都產(chǎn)生了生長阻滯，并表現(xiàn)出了高葉綠素?zé)晒猓▓D7A，B）。這表明了這些突變體的光合電子傳遞活性和NDH活性都受到了YZ。進(jìn)一步分析不同光強(qiáng)下的ΦPSII，野生型、lhca5和lhca6突變體的ΦPSII水平是相近的，這表明Lhca5和Lhca6在光合電子傳遞中都不是必需的（圖7C）。而lhca6pgr5和lhca5lhca6pgr5的ΦPSII水平則顯著降低，通過其他結(jié)果比對發(fā)現(xiàn)這是由于在低光照條件下，這些突變體的PSI就受到了光YZ并出現(xiàn)了氧化應(yīng)激反應(yīng)。在后續(xù)的研究中，彭連偉團(tuán)隊還使用FluorCam發(fā)現(xiàn)了NdhV亞基對NADH脫氫酶復(fù)合體穩(wěn)定性的重要作用[15]。其團(tuán)隊的張琳博士利用FluorCam封閉式熒光成像系統(tǒng)，從T-DNA插入或EMS誘變的擬南芥突變體庫中篩選光合電子傳遞調(diào)控的突變體，并ZD研究了bfa3的功能，相關(guān)結(jié)果于2016年4月發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊PlantPhysiology[16]。憑借這一科研發(fā)現(xiàn)，張琳博士榮獲易科泰FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裾撐囊坏泉?。圖6.ppt1突變體和野生型的表型和葉綠素?zé)晒獬上駡D圖7.lhca5lhca6pgr5三突變體葉綠素?zé)晒夥治觯珹.可見表型；B.葉綠素?zé)晒獗硇停籆.ΦPSII測量國內(nèi)另一個應(yīng)用FluorCam技術(shù)進(jìn)行光合基因研究較為出色的單位是西北農(nóng)林科技大學(xué)。他們引進(jìn)儀器技術(shù)雖然較晚，但在購置FluorCam開放式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)后很快就發(fā)表了2篇高水平文章，研究了多個關(guān)于擬南芥葉綠體發(fā)育和葉片顏色相關(guān)的基因功能[17；18]（圖8）。圖8.擬南芥野生型與GTPase家族基因突變株的葉綠素?zé)晒獬上駡D上海生命科學(xué)研究院青年研究組長、博士生導(dǎo)師ChanhongKim在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)博伊斯湯普森研究所工作期間就已經(jīng)使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)進(jìn)行了大量的研究工作并在PNAS、PlantCell發(fā)表多篇相關(guān)文獻(xiàn)。2014年，ChanhongKim到上海生命科學(xué)研究院工作后立刻購置了一臺FluorCam封閉式葉綠素?zé)晒?GFP成像系統(tǒng)。他用這一系統(tǒng)一方面進(jìn)行GFP表達(dá)植株的快速篩選（圖9），另一方面進(jìn)行單線態(tài)氧和EXECUTER1介導(dǎo)信號在基粒中發(fā)生過程的研究，這一Zxin研究成果發(fā)表同樣在2016年P(guān)NAS上[19]。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)也使用FluorCam技術(shù)開展了大白菜生長緩慢、類囊體減少的突變體光和特性的研究[20]。2.從基因功能到光合表型在有的研究中，光合基因功能是通過其他方法基本上確定的。但這個基因表達(dá)出的表型是否符合預(yù)期，還是必須通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)進(jìn)行光合表型方面的驗證。ZG農(nóng)業(yè)大學(xué)與易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司EcoLab生態(tài)實驗室合作，從黃瓜中克隆了紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化酶基因（CsVDE），再將這一基因的反義片段轉(zhuǎn)基因到擬南芥中[21]。發(fā)現(xiàn)在高光脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因擬南芥的葉綠素?zé)晒鈪?shù)非光化學(xué)淬滅（NPQ）比野生型顯著降低，這證明了CsVDE在葉黃素循環(huán)和PSII光YZ敏感性上的重要作用（圖10）。圖10.野生型與轉(zhuǎn)基因擬南芥在高光條件下的NPQ成像圖圖9.使用FluorCam獲得的GFP成像圖，圖中發(fā)出明亮顏色的擬南芥植株即為表達(dá)了GFP的植株，其顏色越偏向紅色，則表明其表達(dá)的GFP更多，暗藍(lán)色的植株即為沒有表達(dá)GFP的植株四、國際合作由于FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)引進(jìn)到國內(nèi)的時間較晚，國內(nèi)科學(xué)家對這一技術(shù)的運用程度還低于歐美同行。因此，很多國內(nèi)的科學(xué)家目前是與國際上的知名科研院所開展合作，使用FluorCam進(jìn)行研究工作并發(fā)表文章。比如浙江大學(xué)與德國康斯坦茨大學(xué)合作發(fā)表的使用FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)（此系統(tǒng)應(yīng)用了FluorCam顯微成像技術(shù)，康斯坦茨大學(xué)Kupper教授和PSI公司合作完善了這一技術(shù)，是國際上對這一技術(shù)應(yīng)用Z前沿的學(xué)者）研究了銅對海州香薷Elsholtziasplendens光合系統(tǒng)的毒害作用[22]；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)與德國洪堡大學(xué)等單位合作研究了病毒介導(dǎo)的豌豆基因沉默對四吡咯生物合成、葉綠體發(fā)育等造成的影響[23]；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)與捷克科學(xué)院等單位合作研究的芽單胞菌門含有葉綠體的稀有細(xì)菌的光合特性和相關(guān)基因研究[24；25]；江蘇農(nóng)科院與英國諾丁漢大學(xué)合作研究的兩種病原菌對不同小麥品系的侵害性[26]等。參考文獻(xiàn)：1.KongLA,etal.2010.Thestructuralandphotosyntheticcharacteristicsoftheexposedpeduncleofwheat(TriticumaestivumL.):animportantphotosynthatesourceforgrainfil領(lǐng).BMCplantbiology10,1412.KongLA,etal.2015.Photochemicalandantioxidativeresponsesoftheglumeandflagleaftoseasonalsenescenceinwheat.FrontiersinPlantScience,6:358.doi:10.3389/fpls.2015.003583.KongLA,etal.2016.Comparisonofthephotosyntheticcharacteristicsinthepericarpandflagleavesduringwheat(TriticumaestivumL.)caryopsisdevelopment.Photosynthetica54(1),40-464.Li,G.etal.2012.Effectsofnitrogenonphotosyntheticcharacteristicsofleavesfromtwodifferentstay-greencorn(ZeamaysL.)varietiesatthegrain-fil領(lǐng)stage.Can.J.PlantSci.92,671-6805.Gong,B.etal.2014.OverexpressionofS-adenosyl-L-methioninesynthetaseincreasedtomatotolerancetoalkalistressthroughpolyaminemetabolism.PlantBiotechnologyJournal,12,6947086.KongLA,etal.2010.Arootzonesoilregimeofwheat:physiologicalandgrowthresponsestofurrowirrigationinraisedbedplantinginNorthernChina.AgronomyJournal102,1541627.FengB.etal.2014.EffectofHeatStressonthePhotosyntheticCharacteristicsinFlagLeavesattheGrainFil領(lǐng)StageofDifferentHeatResistantWinterWheatVarieties.JournalofAgronomyandCropScience200(2),1431558.周錦業(yè)，丁國昌，何荊洲，曹光球，李秀玲，卜朝陽.2015.不同光質(zhì)對金線蓮組培苗葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響.農(nóng)學(xué)學(xué)報5(5)，67-729.簡敏菲，汪斯琛，余厚平，李玲玉，簡美鋒，余guan軍．2016.Cd2+?Cu2+脅迫對黑藻（Hydrillaverticillata）的生長及光合熒光特性的影響.生態(tài)學(xué)報36(6)10.鄭國華,潘東明,牛先前&方樹民.2010.冰核細(xì)菌對低溫脅迫下枇杷光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響.ZG生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報18(6)，1251125511.MaJF,GuoJK,PengLW,ChenCY&ZhangLX,2006.DecreaseofphotosystemiiphotochemistryinArabidopsisppt1mutantisdependentonleafage.Journalofintegrativeplantbiology48,1409141412.SunXW,WangLY&ZhangLX,2007.InvolvementofDEG5andDEG8proteasesintheturnoverofthephotosystemIIreactioncenterD1proteinunderheatstressinArabidopsisthaliana.ChineseScienceBulletin52,1742174513.ChiW,etal.2008.ThepentratricopeptiderepeatproteinDELAYEDGREENING1isinvolvedintheregulationofearlychloroplastdevelopmentandchloroplastgeneexpressioninArabidopsis.Plantphysiology147,57358414.PengL,&Shikanai,T.2011.SupercomplexformationwithphotosystemIisrequiredforthestabilizationofthechloroplastNADHdehydrogenaselikecomplexinArabidopsis.Plantphysiology155,1629163915.FanX,etal.2015.TheNdhVsubunitisrequiredtostabilizethechloroplastNADHdehydrogenase-likecomplexinArabidopsis.ThePlantJournal,82,22123116.ZhangL,etal.2016.BiogenesisFactorRequiredForATPSynthase3FacilitatesAssemblyoftheChloroplastATPSynthaseComplex.PlantPhysiology171,1291-130617.QiY,etal.2016.APutativeChloroplastThylakoidMetalloproteaseVIRESCENT3RegulatesChloroplastDevelopmentinArabidopsisthaliana.TheJournalofBiologicalChemistry291,3319-333218.QiY,etal.2016.MutationsincircularlypermutedGTPasefamilygenesAtNOA1/RIF1/SVR10andBPG2suppressvar2-mediatedleafvariegationinArabidopsisthaliana.PhotosynthesisResearch127(3),355-36719.WangLS,etal.2016.Singletoxygen-andEXECUTER1-mediatedsigna領(lǐng)isinitiatedingranamarginsanddependsontheproteaseFtsH2.PNAS,DOI:10.1073/pnas.160356211320.ZhangL,etal.2016.BiogenesisFactorRequiredForATPSynthase3FacilitatesAssemblyoftheChloroplastATPSynthaseComplex.PlantPhysiology171,1291-130621.LiX,etal.2013.MolecularCloningandCharacterizationofViolaxanthinDeEpoxidase(CsVDE)inCucumber.PLoSONE8(5):1-1122.PengH,etal.2012.DifferencesincopperaccumulationandcopperstressbetweeneightpopulationsofHaumaniastrumkatangense,EnvironmentalandExperimentalBotany,79:58-6523.LuoT.etal.2013.Virus-inducedgenesilencingofpeaCHLIandCHLDaffectstetrapyrrolebiosynthesis,chloroplastdevelopmentandtheprimarymetabolicnetwork.PlantPhysiologyandBiochemistry65,172624.ZengY，etal.2014.Functionaltype2photosyntheticreactioncentersfoundintherarebacterialphylumGemmatimonadetes.PNAS,111(21),7795780025.ZengY,etal.2015.Characterizationofthemicroaerophilic,bacteriochlorophylla-containingbacteriumGemmatimonasphototrophicasp.nov.,andemendeddescriptionsofthegenusGemmatimonasandGemmatimonasaurantiaca.InternationalJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology,DOI:10.1099/ijs.0.00027226.RenR,etal.2015.ComparativeaggressivenessofMicrodochiumnivaleandM.majusandevaluationofscreeningmethodsforFusariumseed領(lǐng)blightresistanceinwheatcultivars.EurJPlantPathol,141,281294[詳細(xì)]

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