FluorCam叶绿素荧光成像技术：作物基因功能与调控机制研究

2021年ZY一号文件提出了解决种源“卡脖子”问题的要求。而开发更加优质高效的作物品种和先进的栽培技术，解决种源“卡脖子”问题，一个非常重要的研究方向是将植物基因组学与表型组学进行结合来进行育种工作。一方面，作物基因的功能与调控机制必须进行相关的表型验证，才能确定其确实具备相应的功能，比如光合能力变化、抗逆性调控等；另一方面，也可以通过对优良表型的筛选，获得可稳定遗传的基因型。

FluorCam叶绿素荧光成像技术作为重要的表型成像分析技术之一，在作物基因功能与调控机制研究上都有大量应用。下面仅列举2020年发表的部分文献案例：

圣路易斯华盛顿大学在研究玉米在固碳饥饿状态下的自体吞噬回收过程时应用了综合多组学分析方法，FluorCam叶绿素荧光成像技术作为ZJ代表性的光合表型研究技术正适合这一研究。通过对核心自体吞噬组分ATP12缺乏突变体的多组学分析发现，固碳饥饿会造成氨基酸、碳水化合物、核酸相关代谢物的极大变化，但通过FluorCam测量得到小叶绿素荧光F₀和ZD叶绿素荧光Fmax（Fm）则表明，固碳饥饿只会对光合作用造成ZD限度的影响。这一研究成果发表于2020年《the Plant Cell》。

左图：对玉米野生型和atg12突变体进行固碳饥饿处理；中图：固碳饥饿造成代谢组显著变化；右图：小叶绿素荧光F₀和ZD叶绿素荧光Fmax表明固碳饥饿对光合作用造成的影响非常小

细胞分裂素对植物生长发育的方方面面都有调节作用。北卡罗来纳大学使用CRISPR-Cas9基因编辑技术破坏了水稻的细胞分裂素组氨酸激酶（HK）受体，从而研究细胞分裂素在单子叶植物中的作用。结果表明，hk5和hk6信号突变体影响了根系生长、叶片宽度、花序结构和花的发育等。同时，运用FluorCam叶绿素荧光成像技术分析荧光衰减比率RFd，表明在经过3天暗处理后，缺少外源细胞分裂素时，hk5和hk6信号突变体的RFd显著低于野生型；而在补充外源细胞分裂素时则表现出显著的趋缓反应。从而证明细胞分裂素在水稻光合作用中发挥重要功能。这一研究发表于2020年《Development》。

A-D：hk5和hk6信号突变体的彩色成像、根茎形态变化；E，F：荧光衰减比率RFd荧光成像图及数据比较

钙调神经磷酸酶B亚基样蛋白（CBL）和CBL互作蛋白激酶（CIPK）在植物非生物胁迫调控中扮演重要角色。华南农业大学通过转基因方法使水稻过表达CdtCIPK5和CdtCBL4，然后对转基因水稻进行盐胁迫、低温胁迫和干旱胁迫处理。通过FluorCam叶绿素荧光成像系统测量的ZD光化学效率Fv/Fm证明，CdtCIPK5和CdtCBL4过表达提高了水稻的盐胁迫抗性，但对低温和干旱胁迫则没有显著作用。这一研究发表于2020年《Environmental and Experimental Botany》。

盐胁迫处理后转基因水稻的彩色成像、相对水分含量、叶绿素浓度、Fv/Fm数据和叶绿素荧光成像图，左图：CdtCIPK5过表达水稻；右图：CdtCBL4过表达水稻

华中农业大学研究了一种水稻突变体osatp4。这种突变体缺乏一种玉米PPR-SMR蛋白ATP4的同源基因。20℃低温处理后，在表型上来说，osatp4突变体会表现出萎黄病。而通过FluorCam叶绿素荧光成像则证明，20℃低温下，osatp4突变体的ZD光化学效率Fv/Fm显著低于野生型。这表明ATP4是与水稻的低温响应和光合机制相关的。进一步研究发现ATP4会促进叶绿体rps8mRNA的编辑。这一研究成果发表于2020年《Plant Physiology》。

左图：20℃低温处理下osatp4突变体与野生型的形态表型；右图：低温处理前后osatp4突变体与野生型的Fv/Fm叶绿素荧光成像图及数据

参考文献：

1. McLoughlin F, et al. 2020.Autophagy Plays Prominent Roles in Amino Acid, Nucleotide, and Carbohydrate Metabolism during Fixed-Carbon Starvation in Maize. The Plant Cell 32: 2699–2724

2. Burr CA, et al. 2020.The HK5 and HK6 cytokinin receptors mediate diverse developmental pathways in rice. Development 147: dev191734

3. Huang S, et al. 2020.CBL4-CIPK5 pathway confers salt but not drought and chilling tolerance by regulating ion homeostasis. Environmental and Experimental Botany179: 104230

4. Zhang J, et al. 2020.The PPR-SMR protein ATP4 is required for editing the chloroplast rps8 mRNA in rice and maize. Plant Physiology184: 2011–2021