FluorCam叶绿素荧光成像技术： 通过实验室适应进化增强高光条件下蓝藻的光合能力

光合作用在高光下是很容易受损的，因此光合有机体需要进化出各种策略来应对这一问题。德国慕尼黑大学与慕尼黑工业大学合作，通过实验室适应进化显著提高了蓝藻Synechocystis的高光适应性。这一研究发表于2021年《Nature Plants》。

首先来说，这一研究的DY个难点就在于初样品处理时需要精确同步模拟不同光强尤其是高光条件，同时还要确保其他培养环境参数一致，如培养温度、通气等。MC1000 8通道藻类培养与在线监测系统则WM解决了这一问题。这一系统每台单机可实现8通道同步藻类培养，全LED光源，ZG光强可达2500μmol/m²/s，可对每个培养试管的光强进行独立调节控制。除光强以外，还能精确控制温度、光质、培养周期、CO₂浓度等培养条件，模拟自然周期变化，对培养温度、光密度OD680和OD720（或OD730）在线实时监测。

MC1000 8通道藻类培养与在线监测系统

本研究中，研究人员使用MC1000模拟了多种高光强与其他培养条件，使蓝藻在高光中进行随机突变与适应进化。

高光处理后培养液的性状变化

而由于随机突变和适应进化，同一批次培养液表现出了很明显的不均一性。既然研究的目标是获得在高光条件下维持高光合能力的突变株，那么通过对突变株光合能力来进行筛选是必要的。FluorCam叶绿素荧光成像系统无疑是合适进行这一工作的。通过小荧光Fo的成像检测，筛选出了有价值的蓝藻克隆进入下一步实验。

左. FluorCam封闭式与开放式荧光成像系统；右. 本研究通过FluorCam叶绿素荧光成像对突变后的蓝藻克隆进行耐高光筛选

经过基因重测序、系统发育分析等工作后ZZ获得了具备高光耐受性的蓝藻菌株，还需进一步验证其是否在高光下表现出更高的活力。一方面检测其在高光下的生物量，这同样还是通过MC1000模拟不同光强并同步监测OD730实现的；另一方面是光合活力的检测，FluorCam提供了关键性的光合活力数据：小荧光Fo和可变荧光Fv及成像图。

左图：不同光强下高光耐受性菌株彩色照片与光密度；右图：高光耐受性菌株的Fo荧光成像图与Fv数据

这一研究中使用的实验室适应进化方法能够使光合微生物应对变化的光照条件，这可以用于辅助进化方法，未来则可以用于增强作物的光合稳定性。

在藻类光合相关研究中，FluorCam叶绿素荧光成像技术与MC1000为代表的藻类智能LED培养技术结合应用，为科学家提供了不可多得的科研利器，已经取得了大量研究成果。

调整莱茵衣藻NPQ以提高生物量：左. NPQ突变株的NPQ荧光曲线；右. NPQ突变株的OD730生长曲线（Berteotti，2016）

莱茵衣藻色素结合蛋白表达机制与生物量的关系：左. 高光培养条件下NPQ荧光曲线；中：OD720生长曲线；右：日生长率（Perozeni，2018）

参考文献：

1. Dann M, et al. 2021. Enhancing photosynthesis at high light levels by adaptive laboratory evolution. Nature Plants 7: 681–695

2. Berteotti S, et al. 2016. Increased biomass productivity in green algae by tuning non-photochemical quenching. Scientific Reports 6:21339

3. Perozeni F, et al. 2018. LHCSR Expression under HSP70/RBCS2 Promoter as a Strategy to Increase Productivity in Microalgae. Int. J. Mol. Sci. 19: 155

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