藻类表型研究全面解决方案

藻类是蓝藻门、眼虫藻门、金藻门、甲藻门、绿藻门、褐藻门、红藻门等一系列水生生物的总称。其形态种类众多，小至微米级的单细胞微藻，大至长达几米乃至几十米的大型褐藻。藻类作为水体中最重要的初级生产者，对整个生态系统乃至地球圈的稳定都起着极为重要的作用。莱茵衣藻、蓝藻等模式藻类为功能基因、生物进化、光合作用等研究提供了极佳的材料。同时，很多经济藻类也在食品、医药、能源等行业中扮演重要角色。而水华、赤潮等有害生态现象也是由藻类造成的。因此，对藻类的研究一直是生物学和生态学中非常重要的热点。 

目前生命科学研究领域最为引人注目的研究热点之一——表型组学研究，还主要集中在植物/作物领域。在藻类领域，表型组学研究刚刚起步，但发展速度极为迅猛。藻类表型组学一方面是藻类基因组学的补充与验证，解释基因组和环境因素对植物表型的复杂作用及中间的变化过程；另一方面可以用于经济藻类的抗逆生理研究和遗传育种，全面分析藻类表型，获取更优良的经济藻种；还可以用于水华、赤潮的发生机理研究。 

藻类表型组学需要全面分析藻类的表型特征，尤其是光合生理、形态、颜色、色素组成与分布、不同色素的光合贡献、胁迫生理等方面的测量与分析，使藻类表型数字化、生理生态及功能可视化。这就需要针对藻类表型专门设计的技术解决方案。

    方案中所列举的仪器可以根据具体研究需求灵活组合，而且所有仪器的国际认可度极高，国内外科学家均使用这些仪器发表了大量科研论文。下面介绍部分系统方案的应用案例。

1. 蓝藻光合作用机理的深入研究

中科院水生生物所王强研究员为了研究亚硝酸盐胁迫对蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803光系统II的胁迫机制，使用AquaPen手持式藻类荧光测量仪、FL3500叶绿素荧光仪（FL6000之前型号）和TL叶绿素热释光系统，分别测量分析了Fv/Fm最大光化学效率、OJIP快速荧光动力学曲线、QA-再氧化动力学曲线、S-state测量和TL热释光曲线。研究最终证明亚硝酸盐胁迫首先影响Synechocystis sp. PCC 6803 光系统II受体侧(Zhan X, 2017)。 

2. 莱茵衣藻分子事件的多组学解析

莱茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii的新陈代谢对环境变化有很好的适应性。加利福尼亚大学的Daniela Strenkert尝试模拟一个光暗周期，研究这一天中莱茵衣藻的转录组与蛋白质组变化。这一研究首先要求能够精确模拟一个动态变化的培养环境，同时还要对相关培养环境及藻类密度、生理等进行监测。这样才能为后续的组学分析提供尽量精准的样品。而目前能达到这一要求的藻类培养监测仪器只有FMT150藻类培养与在线监测系统。

3. 监测南极藻类与地衣的气候响应

2006年，捷克在南极James Ross岛建设了Johann Gregor Mendel站。驻扎该站的捷克马萨里克大学科研人员从2007年就开展研究当地藻类和地衣对南极温度升高的响应，从而评估温室效应对南极生态系统的影响。当时他们使用了专门加强极地适应能力的AquaPen/FluorPen系列手持式叶绿素荧光测量仪来检测藻类和地衣的光合生理和生长状态。AquaPen/FluorPen既可以手动操作，也具备无人值守监测叶绿素荧光的功能，在南极的严酷环境下表现良好。

而近年，科研人员开始使用专门设计用于监测实验的Monitoring Pen叶绿素荧光自动监测仪。Monitoring Pen在理想情况下可自动连续工作2年，配有陆地增强版和水下增强版两个版本。 

4. 莱茵衣藻高光胁迫响应的分子机制

所有光合生物都必须要应对过量光照来避免光合氧化胁迫。对于植物和绿藻来说，高光的最快响应机制就是光系统II的非光化学淬灭（NPQ）。这一过程允许光系统II将过量能量以热量形式安全地耗散掉。PsbS蛋白是这一过程中的重要传感器。

为了确定PsbS蛋白在莱茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii的NPQ和光保护中的作用，艾克斯－马赛大学Tibiletti T等培养了可以表达藻类或拟南芥psbS基因的叶绿体转基因株。通过FluorCam开放式叶绿素荧光成像系统进行的NPQ成像分析最终表明，两种PsbS蛋白都可以增强莱茵衣藻野生型和npq4突变株的NPQ，但通过Fv/Fm测量没有观察到明确的光保护活性。

5. 珊瑚共生体的表型研究

Miguel Costa Leal等利用FluorCam封闭式多光谱荧光成像系统，对珊瑚共生体的光合能力及生态变化进行了研究。FluorCam封闭式多光谱荧光成像系统除了进行叶绿素荧光成像测量，还可以进行植被归一化指数NDVI成像与绿色荧光蛋白GFP成像（也可以测量其他荧光蛋白）。在本研究中，NDVI成像反映其叶绿素的分布及浓度变化，GFP成像则指示了含有GFP类似蛋白的刺胞动物组织，叶绿素荧光成像则展示了珊瑚的光合能力。同时多光谱荧光还可以进行次生代谢组与病害表型研究及其他荧光蛋白成像，如YFP、BFP、RFP等。

因此，仅一台FluorCam多光谱荧光成像系统就可以完成相当全面的藻类表型研究：光合表型、NDVI反射光谱指数、荧光蛋白、次生代谢水平与分布。 

6. 生物侵蚀防治的研究

大理石雕像上经常会覆盖上绿色或黑灰色的生物膜。这种生物膜是蓝藻、藻类和真菌的混合体，并会逐渐侵蚀大理石。为了对户外大理石雕像进行保护，欧洲相关科研机构开展了大量相关的研究工作。而为了评估生物膜的活性以及清洗后的效果，叶绿素荧光成像技术无疑是最为便捷、直接的技术。意大利弗洛伦萨应用物理研究所的Marta Mascalchi使用激光清除大理石上的生物膜。FluorCam便携式荧光成像仪为其检测清除效果并优化激光参数提供了最有力的数据。

7. 生物能源开发

进行藻类产油生物能源开发，首先就是获得高生物量的优良藻种。非光化学淬灭NPQ代表着藻类光合系统没有利用而热耗散掉的能量。那么减小NPQ，势必能提高其生物量。本研究中使用FluorCam叶绿素荧光成像系统筛选了两种NPQ减小的衣藻突变株，同时通过MC1000 8通道藻类培养监测系统探索其最佳的培养条件。MC1000 8通道藻类培养监测系统可以认为是FMT150藻类培养与在线监测系统的简化版，可动态调控光照、温度与光暗周期并通过测量OD监测藻类生长动态，非常适用于藻类的多重复快速培养。

8. 海洋生物表型组学光学成像分析系统

2019年中国海洋大学装备了国内首套海洋生物表型组学光学成像分析系统，这一系统包含以下子系统：

l FKM多光谱荧光动态显微成像系统

l FluorCam多光谱荧光成像系统

l FluorCam叶绿素荧光成像系统

l Specim IQ 高光谱成像仪

l MC1000 8通道藻类培养监测系统

FluorCam多光谱荧光成像系统是FluorCam叶绿素荧光成像技术的高级扩展产品，既可用于叶绿素荧光动态成像分析，又可用于长波段UV紫外光对植物叶片激发产生的MCF多光谱荧光成像测量分析，还可选配绿色荧光蛋白GFP等稳态荧光的成像测量。FluorCam广泛应用于藻类光合功能基因、逆境胁迫、藻类生态、经济藻类育种以及生物能源开发等研究。其中，MCF多光谱荧光尤其适用于病害造成的次生代谢组总体分析及藻类防御机制研究。 

9. AlgaTech藻类高通量表型分析平台

AlgaTech客户定制藻类高通量表型分析平台由样品自动传送系统、光谱成像站和分析软件组成，可选配多光谱成像、高光谱成像、叶绿素荧光成像、多光谱荧光成像等成像工作站，每个工作站可独立运行，可同步监测藻类光合作用、pH及温度，还可选配不同类型藻类培养与在线分析系统。