藻類表型研究全面解決方案（二）

5. 珊瑚共生體的表型研究

Miguel Costa Leal等利用FluorCam封閉式多光譜熒光成像系統(tǒng)，對(duì)珊瑚共生體的光合能力及生態(tài)變化進(jìn)行了研究。FluorCam封閉式多光譜熒光成像系統(tǒng)除了進(jìn)行葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量，還可以進(jìn)行植被歸一化指數(shù)NDVI成像與綠色熒光蛋白GFP成像（也可以測(cè)量其他熒光蛋白）。在本研究中，NDVI成像反映其葉綠素的分布及濃度變化，GFP成像則指示了含有GFP類似蛋白的刺胞動(dòng)物組織，葉綠素?zé)晒獬上駝t展示了珊瑚的光合能力。同時(shí)多光譜熒光還可以進(jìn)行次生代謝組與病害表型研究及其他熒光蛋白成像，如YFP、BFP、RFP等。

因此，僅一臺(tái)FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)就可以完成相當(dāng)全面的藻類表型研究：光合表型、NDVI反射光譜指數(shù)、熒光蛋白、次生代謝水平與分布。

左：珊瑚收縮－膨脹不同時(shí)相NDVI多光譜成像與GFP綠色熒光蛋白成像分析；右；珊瑚表面及垂直剖面樣品分別在弱光和強(qiáng)光適應(yīng)條件下的RGB成像、葉綠素?zé)晒獬上窈蚇DVI多光譜成像分析

本研究中定制的FluorCam封閉式多光譜熒光成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

參考文獻(xiàn)：Leal M C, et al. 2015. Concurrent imaging of chlorophyll ?uorescence, Chlorophyll a content and green ?uorescent proteins-like proteins of symbiotic cnidarians. Marine Ecology, DOI: 10.1111/maec.12164

6. 生物侵蝕防治的研究

大理石雕像上經(jīng)常會(huì)覆蓋上綠色或黑灰色的生物膜。這種生物膜是藍(lán)藻、藻類和真菌的混合體，并會(huì)逐漸侵蝕大理石。為了對(duì)戶外大理石雕像進(jìn)行保護(hù)，歐洲相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量相關(guān)的研究工作。而為了評(píng)估生物膜的活性以及清洗后的效果，葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)無(wú)疑是便捷、直接的技術(shù)。意大利弗洛倫薩應(yīng)用物理研究所的Marta Mascalchi使用激光清除大理石上的生物膜。FluorCam便攜式熒光成像儀為其檢測(cè)清除效果并優(yōu)化激光參數(shù)提供了力的數(shù)據(jù)。

左：通過(guò)葉綠素?zé)晒獬上駡D驗(yàn)證處理效果；右：工作中的FluorCam便攜式熒光成像儀

參考文獻(xiàn)：Mascalchi M, et al. 2018. Laser removal of biofilm from Carrara marble using 532 nm: The first validation study. Measurement 130: 255-263

7. 生物能源開(kāi)發(fā)

進(jìn)行藻類產(chǎn)油生物能源開(kāi)發(fā)，首先就是獲得高生物量的優(yōu)良藻種。非光化學(xué)淬滅NPQ代表著藻類光合系統(tǒng)沒(méi)有利用而熱耗散掉的能量。那么減小NPQ，勢(shì)必能提高其生物量。本研究中使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)篩選了兩種NPQ減小的衣藻突變株，同時(shí)通過(guò)MC1000 8通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探索其的培養(yǎng)條件。MC1000 8通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以認(rèn)為是FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化版，可動(dòng)態(tài)調(diào)控光照、溫度與光暗周期并通過(guò)測(cè)量OD監(jiān)測(cè)藻類生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，非常適用于藻類的多重復(fù)快速培養(yǎng)。

左：衣藻野生型和兩種突變株的NPQ曲線、不同培養(yǎng)條件及其生長(zhǎng)曲線；右：MC1000 8通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：Berteotti S, et al. 2016. Increased biomass productivity in green algae by tuning non-photochemical quenching. Scientific Reports 6, 21339

8. 海洋生物表型組學(xué)光學(xué)成像分析系統(tǒng)

2019年中國(guó)海洋大學(xué)裝備了*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)

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)

FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)是FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)的高級(jí)擴(kuò)展產(chǎn)品，既可用于葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像分析，又可用于長(zhǎng)波段UV紫外光對(duì)植物葉片激發(fā)產(chǎn)生的MCF多光譜熒光成像測(cè)量分析，還可選配綠色熒光蛋白GFP等穩(wěn)態(tài)熒光的成像測(cè)量。FluorCam廣泛應(yīng)用于藻類光合功能基因、逆境脅迫、藻類生態(tài)、經(jīng)濟(jì)藻類育種以及生物能源開(kāi)發(fā)等研究。其中，MCF多光譜熒光尤其適用于病害造成的次生代謝組總體分析及藻類防御機(jī)制研究。

左：工作中的FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)；右：紫菜感染病害的MCF多光譜熒光成像分析

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使熒光成像技術(shù)真正成為光合作用機(jī)理研究的探針，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)藻類宏觀和微觀兩個(gè)層次的影響。

紫菜病害感染后的葉綠素?zé)晒怙@微成像圖：左：大熒光Fm，中：大光化學(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)

? Specim IQ 高光譜成像儀是一款完整的、便攜的、手持式高光譜相機(jī)，集高光譜數(shù)據(jù)采集、分析處理、結(jié)果可視化等功能特點(diǎn)于一體。其所需的全部組件均集成在緊湊、輕量級(jí)機(jī)身上，具備IP等級(jí)防護(hù)和全自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)自帶可充電電池和可替換的標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)卡。測(cè)量得到的高光譜成像圖可以進(jìn)一步解釋藻類色素組分變化、光照適應(yīng)、脅迫中后期的色素分解、細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損等。

左：Specim IQ 高光譜成像儀；右：不同藻類的高光譜成像分析

中國(guó)海洋大學(xué)希望通過(guò)這一系統(tǒng)廣泛開(kāi)展不同基因型藻類在逆境脅迫下的表型分析研究，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。

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)（Tang L, 2019）

參考文獻(xiàn)：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

9. AlgaTech藻類高通量表型分析平臺(tái)

AlgaTech客戶定制藻類高通量表型分析平臺(tái)由樣品自動(dòng)傳送系統(tǒng)、光譜成像站和分析軟件組成，可選配多光譜成像、高光譜成像、葉綠素?zé)晒獬上?、多光譜熒光成像等成像工作站，每個(gè)工作站可獨(dú)立運(yùn)行，可同步監(jiān)測(cè)藻類光合作用、pH及溫度，還可選配不同類型藻類培養(yǎng)與在線分析系統(tǒng)。