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FluorCam臺式植物多光譜熒光成像系統(tǒng)

——植物表型與生理生態(tài)實驗研究應(yīng)用最廣的儀器技術(shù)

 

PSI公司首席科學(xué)家Nedbal教授與公司總裁Trtilek博士等首次將PAM葉綠素熒光技術(shù)與CCD技術(shù)結(jié)合在一起，于1996年在世界上成功研制生產(chǎn)出FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)（Heck等，1999；Nedbal等，2000；Govindjee and Nedbal, 2000）。FluorCam葉綠素熒光成像技術(shù)成為上世紀90年代葉綠素熒光技術(shù)的重要突破，使科學(xué)家們對光合作用與葉綠素熒光的研究一下子進入二維世界和顯微世界。目前PSI公司已成為世界上最權(quán)威、使用最廣、種類最全面、發(fā)表論文最多的葉綠素熒光成像專業(yè)生產(chǎn)廠商。

 

上左圖為上世紀90年代Nedbal等設(shè)計的FluorCam葉綠素熒光成像技術(shù)（Photosynthesis Research, 66: 3-12, 2000），右圖為檸檬彩色圖及葉綠素熒光成像圖（Photosynthetica, 38: 571-579, 2000）

 

FluorCam臺式植物多光譜熒光成像系統(tǒng)是一款高度集成、高度創(chuàng)新、使用方便、應(yīng)用廣泛的高端植物活體成像技術(shù)設(shè)備，高靈敏度CCD鏡頭、4個固定的LED光源板及控制系統(tǒng)等集成于一個暗適應(yīng)操作箱內(nèi)（還可根據(jù)需求選配第五個光源板置于頂部），植物樣品放置在暗適應(yīng)操作箱內(nèi)的隔板上，隔板7級高度可調(diào)；光源由高穩(wěn)定性供電單元提供電源，4個高能、高穩(wěn)定性LED光源板均一性照在植物樣品上，成像面積可達13×13 cm；控制系統(tǒng)通過USB與計算機相聯(lián)，并通過FluorCam軟件程序控制和采集分析數(shù)據(jù)。適用于植物葉片及果實等其它植物組織、整株植物或培養(yǎng)的多株植物、苔蘚地衣等低等植物、藻類等，廣泛應(yīng)用于植物包括藻類光合生理生態(tài)、植物逆境脅迫生理與易感性、氣孔功能、植物環(huán)境如土壤重金屬污染響應(yīng)與生物檢測、植物抗性檢測與篩選、作物育種、Phenotyping等研究。

 

 

主要功能特點:

·         系統(tǒng)集成于暗適應(yīng)操作箱內(nèi)，操作簡便、便于移動，既可在實驗室內(nèi)也可在室外進行暗適應(yīng)成像測量分析

·         高靈敏度CCD鏡頭，時間分辨率達50張每秒，快速捕捉葉綠素熒光瞬變，成像面積達13x13cm

·         是世界上唯一可進行OJIP快速熒光動力學(xué)成像分析的高端葉綠素熒光技術(shù)設(shè)備，可得到OJIP快速葉綠素熒光動態(tài)曲線及Mo（OJIP曲線初始斜率）、OJIP固定面積、Sm（對關(guān)閉所有光反應(yīng)中心所需能量的量度）、QY、PI（Performance Index）等20多個參數(shù)

 

 

·         是世界上唯一可進行QA再氧化動力學(xué)成像分析的高端葉綠素熒光技術(shù)設(shè)備，可運行單周轉(zhuǎn)飽和光閃（STF）葉綠素熒光誘導(dǎo)動態(tài)，光強在100μs內(nèi)可達到120,000 μmol(photons)/m2.s

·         具備功能最全的、可編輯的葉綠素熒光實驗程序（Protocols），包括快照模式、Fv/Fm、Kautsky誘導(dǎo)效應(yīng)、2個葉綠素熒光淬滅分析（NPQ）protocolas（2套定制給光方案）、LC光響應(yīng)曲線、PAR吸收與NDVI成像分析、QA再氧化動力學(xué)分析（選配）、OJIP快速熒光動力學(xué)分析（選配）及GFP綠色熒光蛋白成像（選配）等

·         可進行自動重復(fù)成像測量分析，預(yù)設(shè)一個實驗程序（Protocols）、測量次數(shù)及間隔，系統(tǒng)將自動循環(huán)運行成像測量，并自動將數(shù)據(jù)按時間日期存入計算機（帶時間戳）；還可預(yù)設(shè)兩個實驗程序（Protocols）；比如使系統(tǒng)白天自動運行Fv/Fm，夜間自動運行NPQ分析等

·         具備雙色光化學(xué)光激發(fā)光源，標準配置為紅色和白色，可選配紅色與藍色等雙波段光化學(xué)光，雙色光化學(xué)光可按不同比例搭配使用，以便實驗不同光質(zhì)對作物／植物的光合效益。

 

左圖A為100％紅色光源條件下黃瓜葉片的Fv/Fm，左圖B為30%藍色光源條件下黃瓜葉片的Fv/Fm；右上圖為光合作用強度隨光照強度（不同比例藍色光）的關(guān)系，右下圖為氣孔導(dǎo)度隨光照強度（不同比例藍色光）的關(guān)系

 

·         可運行葉綠素熒光成像、多光譜熒光成像、GFP穩(wěn)態(tài)熒光成像

·         可選配TetraCam彩色成像模塊，最大成像面積20x25cm，用于葉片或植物形態(tài)成像分析和葉綠素熒光成像對比分析

·         可選配高光譜成像單元和紅外熱成像單元，植物性狀數(shù)字化、可視化，全面測量分析植物形態(tài)、光合效率、生化性狀、氣孔導(dǎo)度、脅迫與抗性等

·         可選配大型版移動式植物成像分析系統(tǒng)，成像面積35x35cm，可運行葉綠素熒光成像、紅外熱成像及RGB成像分析

 

最新應(yīng)用案例：

   Hendrik Kupper與Zuzana Benedikty等，在2019年2月出版的《Plant Physiology》，發(fā)表了Analysis of OJIP Chlorophyll Fluorescence Kinetics and QA Reoxidation Kinetics by Direct Fast Imaging，該研究首次采用超高速成像傳感器FluorCam臺式植物葉綠素熒光成像系統(tǒng)與FKM多光譜顯微熒光成像系統(tǒng)，成像速度可達4000fps@640x512，QA再氧化葉綠素熒光動力學(xué)成像測量單脈沖飽和光閃達150,000 μmol/m2.s1。

 

 

附：OJIP快速熒光動力學(xué)測定分析參數(shù)包括：

a) Fo：初始熒光或稱最小熒光，50μs時的熒光

b) Fj：2ms時的熒光

c) Fi：60ms時的熒光

d) P或Fm：最大熒光

e) Vj＝(Fj-Fo)/(Fm-Fo):j階熒光相對變量

f) Vi＝(Fi-Fo)/(Fm-Fo)：i階熒光相對變量

g) Mo＝TRo/RC-ETo/RC=4(F300-Fo)/(Fm-Fo)：熒光瞬變初始斜率，或稱OJIP曲線初始斜率

h) Area：OJIP曲線與Fm之間的面積，可稱為補償面積（complementary area）為了對不同樣品進行比較，Area需要標準化為：Sm＝Area/(Fm-Fo)，Sm是對關(guān)閉所有光反應(yīng)中心所需能量的量度

i) Fix Area：OJIP固定面積，OJIP曲線40微妙時的F值至1秒時的F值下面的面積

j) Sm：標準化OJIP補償面積，反映QA還原多次周轉(zhuǎn)

k) Ss＝Vj/Mo：標準化OJ相補償面積，反映單周轉(zhuǎn)QA還原

l) N=Sm/Ss=Sm Mo(1/Vj)：OJIP QA還原周轉(zhuǎn)數(shù)量（between 0 and t_Fm）

m) Phi---_Po＝QY＝φpo＝TRo/ABS＝Fv/Fm，最大光量子產(chǎn)量，吸收光量子通量反應(yīng)中心初始捕獲比率

n) Psi_o＝ψo＝ETo/TRo＝1-Vj，捕獲光量子通量中電子傳遞光量子通量比率

o) Phi_Eo＝φ_Eo=ETo/ABS=(1-(Fo/Fm))(1-Vj)，吸收光量子通量中電子傳遞光量子通量比率，或稱電子傳遞光量子產(chǎn)量（quantum yield of electron transport at t=0）

p) Phi_Do＝φ_Do＝1-φpo＝Fo/Fm，能量散失光量子產(chǎn)量（t＝0）

q) Phi_pav＝φpav＝φpo（Sm/t_Fm），平均光量子產(chǎn)量，t_Fm為達到Fm所需時間（ms）

r) ABS/RC＝Mo(1/Vj)(1/QY)：為單位反應(yīng)中心的吸收光量子通量，這兒的反應(yīng)中心僅指the active (QA to QA– reducing) centers（下同）。QY=TRo/ABS=Fv/Fm

s) TRo/RC＝Mo(1/Vj)：單位反應(yīng)中心初始（或稱最大）捕獲光量子通量（導(dǎo)致QA的還原，也即反應(yīng)中心關(guān)閉比率B的增加）

t) ETo/RC＝Mo(1/Vj)（1-Vj）：單位反應(yīng)中心初始電子傳遞光量子通量

u) DIo/RC＝（ABS/RC）－（TRo/RC）：單位反應(yīng)中心能量散失

v) ABS/CS：單位樣品截面的吸收光量子通量，CS stands for the excited cross-section of the tested sample（下同）。ABS/CSo＝Fo，ABS/CSm＝Fm，TRo/CSx＝QY(ABS/CSx)——單位截面捕獲能量或光量子通量

w) TRo/CSo＝QY.Fo；ETo/CSo＝φ_Eo.Fo ＝QY.(1-Vj).Fo

x) RC/CSx：反應(yīng)中心密度，RC / CS0 (active RCs per excited cross-section)

y) PI_ABS＝(RC/ABS)(φpo/φ_Do)(ψo/Vj)：基于吸收光量子通量的“性能”指數(shù)或稱生存指數(shù)

z) PIcs＝(RC/CSx)(φpo/φ_Do)(ψo/Vj)：基于截面的“性能”指數(shù)或稱生存指數(shù)