FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)應(yīng)用案例（第四期）
——FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用
FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)作為zui早實用化的葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)，是目前世界上zui、使用
范圍zui廣、種類zui全面、發(fā)表論文zui多的葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)。 FluorCam 已經(jīng)發(fā)展出十幾個型號，涵蓋
了從葉綠體、單個細胞、微藻到葉片、果實、花朵，乃至整株植物和植物灌層，幾乎可以測量所有的植
物樣品，甚至包括含有葉綠素的微生物和動物。 易科泰 Ecolab 生態(tài)實驗室總結(jié)了 FluorCam 相關(guān) SCI 參
考文獻近 500 篇， 可 Ecolab 生態(tài)實驗室（ eco-lab@eco-tech.com.cn, info@eco-lab.cn）索取文獻目錄
及全文。了解 FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)詳情請點擊以下鏈接：
FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)
FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)zui早在 21 世紀(jì)初引進到國內(nèi)，但一直到 2010 年后國內(nèi)的科學(xué)家才在
交流中逐漸發(fā)現(xiàn)這項技術(shù)的巨大價值，在短短數(shù)年中也利用這一技術(shù)發(fā)表了幾十篇高水平 SCI 文獻。
本期主要介紹目前 FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用情況。
一、 植物光合生理研究
葉綠素?zé)晒饪梢灾苯臃磻?yīng)植物光系統(tǒng)的生理狀況，因此從葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)發(fā)明之初，就被用于各種
植物光合生理研究。
山東農(nóng)科院使用 FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上?br />技術(shù)研究了小麥旗葉與外露花梗光合能力的差異
[1]。研究中發(fā)現(xiàn)在小麥生長前中期， 旗葉與外露
花梗的zui大光化學(xué)效率 Fv/Fm 和量子產(chǎn)額 ΦPSII
基本相同。但在生長后期，旗葉的光合能力顯著
下降，而花梗光合能力的下降幅度要小于旗葉（圖
1）。這證明了在生長后期的灌漿期，花梗對維持
籽粒的生長更為重要。
之后，他們又研究了小麥葉片和穎片季節(jié)衰老
過程中以及穎果發(fā)育過程中光合特性的變化[2； 3，
圖 2]。
圖 1. 不同生長階段的旗葉（ A， C）和外露花梗（ B， D）
的 Fv/Fm（ A， B）和 ΦPSII（ C， D）典型葉綠素?zé)晒獬?br />像圖

圖 2. 不同生長期小麥葉片和穎片的zui大光化學(xué)效率 Fv/Fm（ A）、量子產(chǎn)額 ΦPSII（ B）和非光化學(xué)淬滅 NPQ（ C）的變
化
二、 植物生物/非生物逆境脅迫與抗逆性研究
由于幾乎所有種類的生物/非生物逆境脅迫都會影響到植物光合系統(tǒng)的正常生理功能，而葉綠素?zé)晒?br />技術(shù)是*的植物逆境光合功能研究zui靈敏的無損探針。因此通過 FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)不但
能反映植物受脅迫程度和抗逆能力的差異，而且能指明脅迫影響光合系統(tǒng)的具體機理過程。
1. 養(yǎng)分虧缺
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)使用 FluorCam 研究了兩種玉米在不同施氮條件下光合特性的變化[4]。研究發(fā)現(xiàn)，施
加氮肥使兩個品種的zui大光化學(xué)效率 Fv/Fm 和量子產(chǎn)額 ΦPSII 都有所升高，而 ΦPSII 的升高幅度要高于
Fv/Fm，表明氮肥對 PSII 的實際功能活性更有作用。同時玉米品種 HZ4 熒光參數(shù)的升高幅度也要高于
Q319，這應(yīng)該是由于 HZ4 是一種低 N 效率的非持綠玉米（圖 3）。
圖 3. 氮對兩種玉米品種造成影響的葉綠素?zé)晒獬上駡D
2. 鹽堿脅迫
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)使用 FluorCam 研究發(fā)現(xiàn) S-adenosyl-L-methionine (SAM)基因過表達會顯著增加在堿脅
迫下的番茄的光合能力[5]（ 圖 4） 。

圖 4. 野生型和轉(zhuǎn)基因番茄葉片在堿脅迫下的 Fv/Fm 熒光成像圖
3. 水分脅迫
山東農(nóng)科院研究了不同灌溉方式對小麥光合特性的影響[6]。研究發(fā)現(xiàn)比起傳統(tǒng)的漫灌， 溝灌條件下
的小麥葉片有更高的zui大光化學(xué)效率 Fv/Fm、量子產(chǎn)額 ΦPSII、光化學(xué)淬滅 qP 和更低的非光化學(xué)淬滅
NPQ（圖 5）。這說明溝灌給小麥提供了更好的土壤水分條件，從而使小麥葉片擁有了更強的光化學(xué)活
性。
圖 5. 傳統(tǒng)漫灌和溝灌條件下小麥的 Fv/Fm、 ΦPSII、 qP 和 NPQ 熒光成像圖
國內(nèi)還有其他院校使用 FluorCam 開展了熱脅迫、病害、重金屬毒害、光質(zhì)影響等多種脅迫研究[7；
8； 9； 10]。
三、 植物光合基因組學(xué)與分子生物學(xué)研究
植物光合作用可以說是植物對人類乃至整個生物圈zui重要的功能，一方面為其他生物直接或間接地
提供能量和食物，另一方面也在地球碳氧循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵性作用。因此，對植物光合作用功能基因的研
究，一直是植物基因組學(xué)與分子生物學(xué)研究的重中之重。而葉綠素?zé)晒饽苤苯臃从诚嚓P(guān)功能基因的表型
變化，所以幾乎所有與光合基因相關(guān)的研究都要用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)來進行表型篩選、基因功能驗證等方
面的工作。
1. 從光合表型到基因功能
中國科學(xué)院植物研究所張立新研究員是zui
早將 FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)引入國內(nèi)
的科學(xué)家。 中科院植物所光生物學(xué)重點實驗室
是國內(nèi)植物光合基因相關(guān)研究zui前沿的科研單
位。 FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)引入后就立
刻用于了光合相關(guān)基因功能與表型研究。
2006 年，張立新研究團隊就使用 FluorCam
葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)研究了擬南芥 ppt1 突變體
光系統(tǒng) II 光化學(xué)能力的變化， 進而證明了磷酸
鹽轉(zhuǎn)運蛋白對維持葉片生長后期正常光合作用
的重要性[11]（ 圖 6） 。
之后，植物所張立新團隊和彭連偉團隊都
使用 FluorCam 發(fā)表了多篇植物光合基因相關(guān)
文獻[12； 13]。
彭連偉在研究 NADH 脫氫酶復(fù)合體穩(wěn)定性
時[14]，發(fā)現(xiàn)在 50µmol photons /m².s的光強下，
lhca5 lhca6 pgr5、 lhca6 pgr5 和 crr4-2 pgr5 擬南
芥突變體都產(chǎn)生了生長阻滯，并表現(xiàn)出了高葉綠素?zé)晒猓▓D 7A， B） 。這表明了這些突變體的光合電子
傳遞活性和 NDH 活性都受到了抑制。進一步分析不同光強下的 ΦPSII， 野生型、 lhca5 和 lhca6 突變體
的 ΦPSII 水平是相近的，這表明 Lhca5 和 Lhca6 在光合電子傳遞中都不是必需的（圖 7C）。而 lhca6 pgr5
和 lhca5 lhca6 pgr5 的 ΦPSII 水平則顯著降低，通過其他結(jié)果比對發(fā)現(xiàn)這是由于在低光照條件下，這些突
變體的 PSI 就受到了光抑制并出現(xiàn)了氧化應(yīng)激反應(yīng)。
在后續(xù)的研究中，彭連偉團隊還使用 FluorCam 發(fā)現(xiàn)了 NdhV 亞基對 NADH 脫氫酶復(fù)合體穩(wěn)定性的
重要作用[15]。其團隊的張琳博士利用 FluorCam 封閉式熒光成像系統(tǒng)，從 T-DNA 插入或 EMS 誘變的擬
南芥突變體庫中篩選光合電子傳遞調(diào)控的突變體，并重點研究了 bfa3 的功能，相關(guān)結(jié)果于 2016 年 4 月
發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊 Plant Physiology[16]。憑借這一科研發(fā)現(xiàn)，張琳博士榮獲易科泰 FluorCam 葉綠素?zé)?br />光成像論文一等獎。
圖 6. ppt1 突變體和野生型的表型和葉綠素?zé)晒獬上駡D

圖 7. lhca5 lhca6 pgr5 三突變體葉綠素?zé)晒夥治觯?A.可見表型； B.葉綠素?zé)晒獗硇停?C. ΦPSII 測量
國內(nèi)另一個應(yīng)用 FluorCam 技術(shù)進行光合基因研究較為出色的單位是西北農(nóng)林科技大學(xué)。他們引進
儀器技術(shù)雖然較晚，但在購置 FluorCam 開放式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)后很快就發(fā)表了 2 篇高水平文章，
研究了多個關(guān)于擬南芥葉綠體發(fā)育和葉片顏色相關(guān)的基因功能[17； 18]（ 圖 8）。
圖 8. 擬南芥野生型與 GTPase 家族基因突變株的葉綠素?zé)晒獬上駡D

上海生命科學(xué)研究院青年研究組長、 博士
生導(dǎo)師 Chanhong Kim在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、
康奈爾大學(xué)博伊斯湯普森研究所工作期間就
已經(jīng)使用 FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)進行
了大量的研究工作并在 PNAS、 Plant Cell 發(fā)表
多篇相關(guān)文獻。 2014 年， Chanhong Kim 到上
海生命科學(xué)研究院工作后立刻購置了一臺
FluorCam 封閉式葉綠素?zé)晒?/span>/GFP 成像系統(tǒng)。
他用這一系統(tǒng)一方面進行 GFP 表達植株的快
速篩選（圖 9），另一方面進行單線態(tài)氧和
EXECUTER1 介導(dǎo)信號在基粒中發(fā)生過程的研
究，這一研究成果發(fā)表同樣在 2016 年
PNAS 上[19]。
沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)也使用 FluorCam 技術(shù)開展了大白菜生長緩慢、類囊體減少的突變體光和特性的研究
[20]。
2. 從基因功能到光合表型
在有的研究中，光合基因功能是通過其他方法基本上確定的。但這個基因表達出的表型是否符合預(yù)
期，還是必須通過 FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)進行光合表型方面的驗證。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)與易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司 EcoLab 生態(tài)實驗室合作，從黃瓜中克隆了紫黃質(zhì)脫環(huán)氧
化酶基因（ CsVDE），再將這一基因的反義片段轉(zhuǎn)基因到擬南芥中[21]。發(fā)現(xiàn)在高光脅迫條件下，轉(zhuǎn)基
因擬南芥的葉綠素?zé)晒鈪?shù)非光化學(xué)淬滅（ NPQ）比野生型顯著降低，這證明了 CsVDE 在葉黃素循環(huán)
和 PSII 光抑制敏感性上的重要作用（圖 10）。
圖 10. 野生型與轉(zhuǎn)基因擬南芥在高光條件下的 NPQ 成像圖
圖 9. 使用 FluorCam 獲得的 GFP 成像圖，圖中發(fā)出明亮
顏色的擬南芥植株即為表達了 GFP 的植株，其顏色越偏
向紅色，則表明其表達的 GFP 更多，暗藍色的植株即為
沒有表達 GFP 的植株

四、 合作
由于 FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)引進到國內(nèi)的時間較晚，國內(nèi)科學(xué)家對這一技術(shù)的運用程度還
低于歐美同行。因此，很多國內(nèi)的科學(xué)家目前是與上的科研院所開展合作，使用 FluorCam 進
行研究工作并發(fā)表文章。比如浙江大學(xué)與德國康斯坦茨大學(xué)合作發(fā)表的使用 FKM 多光譜熒光動態(tài)顯微
成像系統(tǒng)（ 此系統(tǒng)應(yīng)用了 FluorCam 顯微成像技術(shù)， 康斯坦茨大學(xué) Kupper 教授和 PSI 公司合作完善了這
一技術(shù)， 是上對這一技術(shù)應(yīng)用zui前沿的學(xué)者） 研究了銅對海州香薷 Elsholtzia splendens 光合系統(tǒng)的
毒害作用[22]； 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)與德國洪堡大學(xué)等單位合作研究了病毒介導(dǎo)的豌豆基因沉
默對四吡咯生物合成、葉綠體發(fā)育等造成的影響[23]； 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)與捷克科學(xué)院等單位合作研究的
芽單胞菌門含有葉綠體的稀有細菌的光合特性和相關(guān)基因研究[24； 25]； 江蘇農(nóng)科院與英國諾丁漢大學(xué)
合作研究的兩種病原菌對不同小麥品系的侵害性[26]等。
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