藻类表型研究全面解决方案（二）

藻类表型研究全面解决方案（二）

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。

左：珊瑚收缩－膨胀不同时相NDVI多光谱成像与GFP绿色荧光蛋白成像分析；右；珊瑚表面及垂直剖面样品分别在弱光和强光适应条件下的RGB成像、叶绿素荧光成像和NDVI多光谱成像分析

本研究中定制的FluorCam封闭式多光谱荧光成像系统结构示意图

参考文献：Leal M C, et al. 2015. Concurrent imaging of chlorophyll fluorescence, Chlorophyll a content and green fluorescent proteins-like proteins of symbiotic cnidarians. Marine Ecology, DOI: 10.1111/maec.12164

6. 生物侵蚀FZ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有力的数据。

左：通过叶绿素荧光成像图验证处理效果；右：工作中的FluorCam便携式荧光成像仪

参考文献：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ZJ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。

左：衣藻野生型和两种突变株的NPQ曲线、不同培养条件及其生长曲线；右：MC1000 8通道藻类培养监测系统

参考文献：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：

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

海洋生物表型组学光学成像分析系统的各个子系统

FluorCam多光谱荧光成像系统是FluorCam叶绿素荧光成像技术的扩展产品，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。

左：工作中的FluorCam多光谱荧光成像系统；右：紫菜感染病害的MCF多光谱荧光成像分析

FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光谱荧光动态显微成像系统是目前功能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使荧光成像技术真正成为光合作用机理研究的探针，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宏观和微观两个层次的影响。

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

 Specim IQ 高光谱成像仪是一款完整的、便携的、手持式高光谱相机，集高光谱数据采集、分析处理、结果可视化等功能特点于一体。其所需的全部组件均集成在紧凑、轻量级机身上，具备IP等级防护和全自动运行，系统自带可充电电池和可替换的标准存储卡。测量得到的高光谱成像图可以进一步解释藻类色素组分变化、光照适应、胁迫中后期的色素分解、细胞结构受损等。

左：Specim IQ 高光谱成像仪；右：不同藻类的高光谱成像分析

中国海洋大学希望通过这一系统广泛开展不同基因型藻类在逆境胁迫下的表型分析研究，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。

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（Tang L, 2019）

参考文献：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。