FluorCam多光譜熒光成像技術應用案例——藻類病害表型研究

2019年中國海洋大學裝備了*套海洋生物表型組學光學成像分析系統，這一系統包含以下子系統：

lFKM多光譜熒光動態顯微成像系統

lFluorCam多光譜熒光成像系統

lFluorCam葉綠素熒光成像系統

lSpecim IQ 高光譜成像儀

lMC1000 8通道藻類培養監測系統

圖1. 海洋生物表型組學光學成像分析系統的各個子系統

這一綜合系統可應用于藻類光合功能基因、逆境脅迫、藻類生態、藻類表型、經濟藻類育種以及生物能源開發等研究，同樣也適用于高等植物相關研究。其中，FluorCam多光譜熒光成像系統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制研究。

FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光譜熒光動態顯微成像系統是目前功能為強大全面的植物顯微熒光研究儀器，是基于FluorCam葉綠素熒光成像技術的顯微成像定制系統。FKM使科研工作者在藻類和高等植物細胞與亞細胞層次深入理解光合作用過程及該過程中發生的各種變化，為直接研究葉綠體中光合系統的工作機理提供了有力的工具。FKM作為藻類/植物表型和基因型顯微研究的雙重利器，得到了學界的廣泛認可并取得了大量的科研成果。FKM與FluorCam多光譜熒光成像系統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層次的影響。

圖2. 紫菜病害感染后的葉綠素熒光顯微成像圖：左：大熒光Fm，中：大光化學效率Fv/Fm；1為病害初感染區域，2為病害擴散區域，3為尚未感染區域；右：工作中的FKM系統

經過專門定制設計的FKM多光譜熒光動態顯微成像系統也可以進行多光譜顯微成像分析。

法國高等師范學院在對壺菌Chytridium polysiphoniae感染的褐藻Pylaiella littoralis進行的研究中，使用FKM系統分別進行了多光譜成像和葉綠素熒光成像（Gachon，2006）。圖中A，B是在Pylaiella細胞表面的Chytridium孢子囊，表明感染還沒有發展到鄰近的細胞。B.在UV下，孢子囊發出了輕微的F440藍色熒光，而被感染細胞的葉綠素熒光則有顯著的下降。C，D表現了重度感染的藻絲中伴隨著葉綠素熒光的減少，F440藍色熒光組分有所增加，這可能是由亞細胞結構中的多酚增加造成的。葉綠素熒光成像分析感染同時影響了P. littoralis光系統II的暗適應光化學能力（測量Fv/Fm）和非光化學淬滅NPQ。

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

中國海洋大學希望通過這一系統，尤其是FKM多光譜熒光動態顯微成像系統與FluorCam多光譜熒光成像系統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的機理，為優良經濟藻種開發提供理論依據，目前已經取得了初步的研究成果。對條斑紫菜Pyropia yezoensis感染赤腐病進行了多光譜熒光成像分析，發現紫菜感染區域的次生代謝也有顯著的升高（Tang L, 2019）。

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

參考文獻：

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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