FluorCam多光谱荧光成像技术应用案例——藻类病害表型研究

FluorCam多光谱荧光成像技术应用案例——藻类病害表型研究

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：

lFKM多光谱荧光动态显微成像系统

lFluorCam多光谱荧光成像系统

lFluorCam叶绿素荧光成像系统

lSpecim IQ 高光谱成像仪

lMC1000 8通道藻类培养监测系统

图1. 海洋生物表型组学光学成像分析系统的各个子系统

这一综合系统可应用于藻类光合功能基因、逆境胁迫、藻类生态、藻类表型、经济藻类育种以及生物能源开发等研究，同样也适用于高等植物相关研究。其中，FluorCam多光谱荧光成像系统同样适用于病害造成的藻类次生代谢组总体分析及藻类防御机制研究。

FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光谱荧光动态显微成像系统是目前功能最为强大全面的植物显微荧光研究仪器，是基于FluorCam叶绿素荧光成像技术的显微成像定制系统。FKM使科研工作者在藻类和高等植物细胞与亚细胞层次深入理解光合作用过程及该过程中发生的各种变化，为直接研究叶绿体中光合系统的工作机理提供了最为有力的工具。FKM作为藻类/植物表型和基因型显微研究的双重利器，得到了学界的广泛认可并取得了大量的科研成果。FKM与FluorCam多光谱荧光成像系统配合可以全面反映病害等胁迫因素对藻类与高等植物宏观和微观两个层次的影响。

图2. 紫菜病害感染后的叶绿素荧光显微成像图：左：最大荧光Fm，中：最大光化学效率Fv/Fm；1为病害最初感染区域，2为病害扩散区域，3为尚未感染区域；右：工作中的FKM系统

经过专门定制设计的FKM多光谱荧光动态显微成像系统也可以进行多光谱显微成像分析。

法国高等师范学院在对壶菌Chytridium polysiphoniae感染的褐藻Pylaiella littoralis进行的研究中，使用FKM系统分别进行了多光谱成像和叶绿素荧光成像（Gachon，2006）。图中A，B是在Pylaiella细胞表面的Chytridium孢子囊，表明感染还没有发展到邻近的细胞。B.在UV下，孢子囊发出了轻微的F440蓝色荧光，而被感染细胞的叶绿素荧光则有显著的下降。C，D表现了重度感染的藻丝中伴随着叶绿素荧光的减少，F440蓝色荧光组分有所增加，这可能是由亚细胞结构中的多酚增加造成的。叶绿素荧光成像分析感染同时影响了P. littoralis光系统II的暗适应光化学能力（测量Fv/Fm）和非光化学淬灭NPQ。

图3.Chytridium感染Pylaiella的FKM荧光显微分析：左：叶绿素荧光显微成像分析；右：明视场（A，C）和F440蓝色荧光显微成像图（B，D）

中国海洋大学希望通过这一系统，尤其是FKM多光谱荧光动态显微成像系统与FluorCam多光谱荧光成像系统广泛开展不同基因型藻类在病害等胁迫条件下的表型分析研究，从而揭示藻类抗逆适应的机理，为优良经济藻种开发提供理论依据，目前已经取得了初步的研究成果。对条斑紫菜Pyropia yezoensis感染赤腐病进行了多光谱荧光成像分析，发现紫菜感染区域的次生代谢也有显著的升高（Tang L, 2019）。

图4. 中国海洋大学使用FluorCam多光谱荧光成像系统研究条斑紫菜Pyropia yezoensis感染赤腐病后的次生代谢响应，左：多光谱荧光F520动态曲线；右：RGB和F520成像图（Tang L, 2019）

参考文献：

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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lFKM多光谱荧光动态显微成像系统

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