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(guó)海洋大學(xué)裝備了國(guó)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(cè)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(kāi)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)是目前功能為強(qiáng)大全面的植物顯微熒光研究?jī)x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(guò)程及該過(guò)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(duì)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：ZD熒光Fm，中：ZD光化學(xué)效率Fv/Fm；1為病害初感染區(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(guò)專門(mén)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(guó)高等師范學(xué)院在對(duì)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(méi)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(cè)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(chǎng)（A，C）和F440藍(lán)色熒光顯微成像圖（B，D）

中國(guó)海洋大學(xué)希望通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(duì)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(guó)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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