技术介绍 - FluorCam叶绿素荧光成像技术

FluorCam

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FluorCam 叶绿素荧光成像技术

索引

光合作用是植物、藻类及光合细菌吸收太阳光能，将CO₂和H₂O转化为有机物（化学能）并释放O₂的过程，其基本功能单位为叶绿体。光合作用发生于叶绿体内的类囊体膜上，类囊体膜上嵌有光系统I（PSI）和光系统II（PSII），被称为光合作用单位，每个单位有250-300个色素（天线色素）组成的捕光色素复合体（light-harvesting complex，用于吸收光能）及反应中心（有1个Chla、1个电子供体和1个电子受体组成）等组成（PSII还含有放氧复合体oxygen-evolving complex）。PSI的反应中心叶绿素a最强吸收波长为700nm，故称为P700，其电子供体为质体蓝素plastocyanin、电子受体为铁氧还蛋白；PSII的反应中心叶绿素a最强吸收波长为680nm，故称为P680，其电子供体为水、电子受体为质体醌。

PSII反应中心叶绿素a分子获得光能后从基态跃迁到激发态，激发能有三个可能的去向：一是能量有天线色素传递到反应中心，引起反应中心的电荷分离、电子传递和光合磷酸化，推动光化学反应，形成用于固定和还原二氧化碳的同化力（ATP和NADPH）；二是直接以热的形式耗散掉；三是释放光子，产生荧光。叶绿素荧光动态与光化学反应中的电子传递过程密切相关。

叶绿素荧光技术本身在科学研究中有一系列的局限性。因此从上世纪80年代末开始，随着CCD成像技术、LED光源板技术、图像分析技术的成熟，不断有科学家和工程师合作探索将三项技术与PAM脉冲调制技术结合，进而将叶绿素荧光技术升级为叶绿素荧光成像技术。

二十世纪90年代末，PSI首席科学家Nedbal教授与总裁Trtilek博士等首次将PAM叶绿素荧光技术与CCD成像技术结合在一起，研制成功了FluorCam叶绿素荧光成像技术（Nedbal等，2000），并于1997年为美国华盛顿大学提供了第一台商业FluorCam系统。FluorCam叶绿素荧光成像技术成为上世纪90年代叶绿素荧光技术的重要突破，使科学家们对光合作用与叶绿素荧光的研究一下子进入了二维世界，并得到国际科学界的一致认可。

FluorCam叶绿素荧光成像系统已成为世界上最权威、使用最广、种类最全面、发表论文最多的叶绿素荧光成像仪器。

什么是叶绿素荧光？

Kautsky与Hirsch于1931年首次发表论文“CO2同化新实验”报道了用肉眼发现叶绿素荧光现象：经过暗适应的植物材料光照后，植物叶绿素荧光先迅速上升到一个最大值，然后逐渐下降，最后达到一个稳定值（这种现象后被称作“Kautsky Effect”即Kautsky诱导效应），荧光强度的变化与CO2同化速率呈负相关。

叶绿素荧光测量分析是叶绿素荧光技术的核心内容，也是叶绿素荧光得以成为植物（包括藻类）生理生态研究重要内容的关键。

Butler于1978年提出PSII光化学反应、叶绿素荧光及热散失三者的能量竞争模型，认为PSII反应中心将电子传递给原初电子受体QA，导致Kautsky诱导效应的叶绿素荧光降低（“叶绿素荧光淬灭”），称为光化学淬灭（photochemical quenching），而由于热散失导致的叶绿素荧光淬灭则成为非光化学淬灭（nonphotochemical quenching of fluorenscence），要通过叶绿素荧光估算叶绿体光合作用强度（光化学反应），关键是要确定叶绿素荧光光化学淬灭过程和非光化学淬灭过程。Butler的光合作用能量竞争模型成为叶绿素荧光技术的重要理论基础。

Dietz等（1985）及Schreiber等（1986）利用微弱的调制测量光技术和饱和光闪，定量确定光化淬灭和非光化淬灭，并可持续测量叶绿素荧光相对光量子产量；Genty(1989)进一步的实验研究表明，叶绿素荧光测量可以作为一种快速非损伤的二氧化碳童话CO2同化“探针”。所有这些上世纪80年代的创造性实验研究，奠定了叶绿素荧光技术的应用基础，其中脉冲调制技术（PAM）成为目前市场上几乎所有主流叶绿素荧光测量仪器的通用技术方法。基于此技术，很多叶绿素荧光仪被开发出来，甚至开发出了更先进的双调至叶绿素荧光仪。

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FluorCam开放式叶绿素荧光成像系统实物图

与之前的叶绿素荧光技术相比，叶绿素荧光成像技术的主要优势有：

● 能够全面反映整株植物、叶片、藻类群体等的不同位置荧光强度变化与分布

● 可测量叶片、果实、麦穗、大型藻/微藻、整株植物乃至植物冠层等各种样品

● 可同时测定几十、甚至上百个样品

● 能够在显微水平研究叶绿体或藻类细胞

● 尤其适用于环境胁迫早期植物不同部位光合活性的变化规律、突变体不同部位的光合功能差异等研究

叶绿素荧光成像技术的优势

相比较其他品牌的叶绿素荧光成像产品，这一技术具备以下国际优势：

● 真正的生物学家、数学家、电子工程师和光学工程师组成的研发团队所开发

● PSI 为脉冲调制式叶绿素荧光成像技术的发明者

● 国际最权威的叶绿素荧光成像技术，仅可查询到全文的SCI文献就有大约700篇（截止到2019年）

● 激发荧光的LED光源板和数据获取的成像传感器不但技术国际领先，而且为PSI自行开发具备完全自主知识产权

● 测量及成像参数最多，具备叶绿素荧光显微成像、OJIP快速荧光动力学曲线、QA再氧化动力学、荧光蛋白、UV-M CF多光谱荧光、无人值守自动监测、图像阈值分割等世界独有的成像测量功能

● 以FluorCam叶绿素荧光成像技术为核心的PlantScreen植物表型成像分析系统为目前国际最先进、安装最多的植物表型组学研究系统

● 软件由PSI开发，为客户提供终身免费升级

● PSI表型科研中心可进行科研合作并提供实验指导

● 系统型号全面，适用于各种实验需求

为什么选FluorCam

FluorCam叶绿素荧光成像系统选配指南

From FluorCam To PlantScreen

植物表型组学（phenomics）是一门在基因组水平上系统研究植物在各种不同环境条件下所有表型性状特征的学科。2009年4月，第一届国际植物表型组大会在澳大利亚堪培拉成功举办，植物表型组学研究技术成为遗传育种、植物生理生态、生物技术等领域的热点。PlantScreen植物表型成像分析系统是由研发世界上第一台叶绿素荧光成像技术的PSI公司，与欧洲著名科学家合作研制生产的新型植物表型组学研究平台，可以全自动、高通量、高容量测量分析拟南芥、水稻等植物的三维表型性状及生理状况及其与环境光照、温度、水、营养盐等的关系。

PlantScreen高通量植物表型成像分析平台由国际知名公司PSI研制生产，整合了LED植物智能培养、自动化控制系统与机器人技术、FluorCam叶绿素荧光成像技术、植物热成像分析技术、植物近红外成像分析、植物高光谱成像分析技术、自动条码识别管理、RGB真彩3D成像、激光扫描分析、自动称重与浇灌系统等多项先进技术，以最优化的方式实现大量植物样品从拟南芥、玉米到各种其他植物的全方位生理功能与形态结构成像分析，用于高通量植物表型成像分析测量、植物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别、作物抗性筛选、作物遗传育种以及植物生理生态分布研究等作为全球第一家研制生产植物叶绿素荧光成像系统的厂家，PSI公司在植物表型成像分析领域处于全球的技术前列，大面积PAM叶绿素荧光成像分析功能是成为植物表型分析与功能成像分析最为先进的仪器设备。