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    FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)應(yīng)用案例——什么是多光譜熒光成像

    發(fā)布時(shí)間: 2020-05-20  點(diǎn)擊次數(shù): 2683次

    1. 多光譜熒光的發(fā)現(xiàn)及特性

    二十世紀(jì)八九十年代,植物生理學(xué)家對(duì)植物活體熒光——主要是葉綠素?zé)晒庋芯坎粩嗌钊?。激發(fā)葉綠素?zé)晒庵饕鞘褂眉t光、藍(lán)光或綠光等可見光。當(dāng)科學(xué)家使用UV紫外光對(duì)植物葉片進(jìn)行激發(fā),發(fā)現(xiàn)植物產(chǎn)生了具備4個(gè)特征性波峰的熒光光譜。

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    圖1. 左:煙草葉片上表面UV激發(fā)熒光光譜(Buschmann,1998);中:多光譜熒光彩色光譜示意圖;右:不同顏色激發(fā)光的熒光激發(fā)特性(Benediktyová, 2009)

    這4個(gè)特征性波峰的波長(zhǎng)分別為藍(lán)光440nm(F440)、綠光520nm(F520)、紅光690nm(F690)和遠(yuǎn)紅外光740nm(F740)。這個(gè)特征激發(fā)熒光光譜就稱為多光譜熒光(Multi-color Fluorescence,MCF)。其來源和熒光特性請(qǐng)見表1。

    表1.UV激發(fā)多光譜熒光特性(Buschmann,1998,略有修改)

    A.藍(lán)綠熒光(Blue-Green Fluorescence,BGF)

    熒光色素:

    主要是細(xì)胞壁中共價(jià)結(jié)合的阿魏酸,由液泡中的肉桂酸和類黃酮調(diào)控

    位置和來源:

    a)細(xì)胞壁(主要來自于葉片表皮)

    b)液泡(與溶解的酚類有相互作用)

    激發(fā):

    UV

    熒光特性:

    輻射范圍:

    400-570nm

    大值(波峰):

    440-450nm(藍(lán)光,F(xiàn)440),520-530nm(綠光,F(xiàn)520)

    脅迫指示:

    藍(lán)色熒光與紅色和遠(yuǎn)紅熒光比例:F440/F690,F(xiàn)440/F740的增加或減少;某些植物中綠色熒光的增加

    B.葉綠素?zé)晒猓–hlorophyll Fluorescence,Chl. F)

    熒光色素:

    葉綠素a

    位置和來源:

    葉片葉肉細(xì)胞,葉綠體

    激發(fā):

    紅光、綠光、藍(lán)光、UV等

    熒光特性:

    輻射范圍:

    650-800nm

    大值(波峰):

    690nm(紅光,F(xiàn)690),730-740nm(遠(yuǎn)紅光,F(xiàn)740)

    脅迫指示:

    短期脅迫:

    熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)變化(通過葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)進(jìn)行分析),F(xiàn)690/F740增加30%

    長(zhǎng)期脅迫:

    熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)變化(通過葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)進(jìn)行分析),葉綠素含量減少,F(xiàn)690/F740大幅增加。F690/F740是原位葉綠素含量的反向指標(biāo)。

    2. 多光譜熒光的發(fā)展

    進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),并稱為藍(lán)綠熒光(Blue-Green Fluorescence,BGF)的F440和F520在正常生長(zhǎng)的植物中強(qiáng)度很低。而在植物受到脅迫尤其是病害感染后,其強(qiáng)度才會(huì)顯著上升。

    與來源于光系統(tǒng)的葉綠素?zé)晒獠煌?,藍(lán)綠熒光來源于一系列植物次生代謝物質(zhì),包括多酚、植保素、黃酮類、阿魏酸、苯丙素類等。這類物質(zhì)在植物生長(zhǎng)狀態(tài)良好時(shí)含量很低,植物只有在受到脅迫后才會(huì)大量合成,這一方面是由于初級(jí)代謝受到抑制和干擾,另一方面這些次生代謝產(chǎn)物也是植物應(yīng)對(duì)脅迫尤其是病害防御機(jī)制的重要組成部分。

    F690和F740則屬于葉綠素?zé)晒?,其?qiáng)度與葉綠素含量和光合電子傳遞相關(guān)。F690  F740認(rèn)為與葉綠素濃度成負(fù)相關(guān)。同時(shí)F440  F690,F(xiàn)440  F740可以作為極早期脅迫指示指標(biāo),F(xiàn)440  F520則反映長(zhǎng)期脅迫變化(Pineda, 2008)。

    3. FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)

    FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)是在FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)基礎(chǔ)上擴(kuò)展升級(jí)而來的。這是目前上能夠進(jìn)行多光譜熒光成像分析的商用科研儀器技術(shù),而且也是將多光譜熒光成像技術(shù)和葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)結(jié)合為一體的商用科研技術(shù)。

    目前,基于FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)有三款儀器系統(tǒng),分別為FluorCam一體式多光譜熒光成像系統(tǒng)、FluorCam模塊式多光譜熒光成像系統(tǒng)、FluorCam落地式大型多光譜熒光成像平臺(tái),用于滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。

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    圖2. 左:FluorCam一體式多光譜熒光成像系統(tǒng);中:FluorCam模塊式多光譜熒光成像系統(tǒng);右:FluorCam落地式大型多光譜熒光成像平臺(tái)

        FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)除了可以進(jìn)行多光譜熒光成像和葉綠素?zé)晒獬上穹治觯€可以擴(kuò)展GFP成像、PAR吸收率成像、NDVI成像、QA再氧化成像、OJIP成像等成像分析功能。

    FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)與紅外熱成像、高光譜成像等其他植物表型成像技術(shù)結(jié)合,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于植物病害(細(xì)菌、病毒、真菌)、干旱、養(yǎng)分虧缺、重金屬、除草劑等脅迫造成的次生代謝與表型組學(xué)研究,其中植物病害表型為主要的研究方向。

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    圖3.左;細(xì)菌性甘薯莖腐病感染煙草的FluorCam葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像分析;右:丁香假單胞菌感染菜豆的FluorCam多光譜熒光成像分析(Pérez-Bueno, 2016, 2015)

    參考文獻(xiàn):

    1. Buschmann C, Lichtenthaler HK. 1998, Principles and characteristics of multi-colour fluorescence imaging of plants, Journal of Plant Physiology, 152: 297-314

    2. Benediktyová, Z. & Nedbal, L. 2009. Imaging of multi–color fluorescence emission from leaf tissues. Photosynthesis research 102, 169-175

    3. Pineda M, et al. 2008, Multicolor Fluorescence Imaging of Leaves—A Useful Tool for Visualizing Systemic Viral Infections in Plants, Photochemistry and Photobiology, 84: 1048-1060

    4.Pérez-Bueno M L, et al. 2015, Spatial and temporal dynamics of primary and secondary metabolism in Phaseolus vulgaris challenged by Pseudomonas syringae, Physiologia Plantarum 153: 161-174.

    5.Pérez-Bueno M L, et al. 2016. Temporal and Spatial Resolution of Activated Plant Defense Responses in Leaves of Nicotiana benthamiana Infected with Dickeya dadantii. Front Plant Sci. 6: 1209

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