基于葉綠素a熒光評估光合生物生理狀態(tài)的方法是近50多年來植物和微藻研究的重要技術(shù)。葉綠素熒光作為無損的探針可以直接探測細胞的光合機制，特別是光系統(tǒng)II（PSII），另外，一定程度上也可以探測到光系統(tǒng)I（PSI）。葉綠素熒光的研究結(jié)果可以用來理解光合生物體的生理過程，但也不僅限于此，因為大多數(shù)生物代謝途徑直接或間接地依賴于光合作用。多年來，研究人員已經(jīng)開發(fā)了大量葉綠素a熒光測量的技術(shù)和方法并得到了廣泛用的應(yīng)用，例如直接閃光誘導(dǎo)熒光，脈沖幅度調(diào)制熒光（PAM），高分辨率快速熒光誘導(dǎo)，快速重復(fù)頻率熒光（fRRF），以及星載的地面熒光觀測。所使用的儀器最初是由研究人員自己制造的，后來漸漸地商業(yè)化。其中一種儀器是德國WALZ公司生產(chǎn)的IMAGING-PAM，它通過CCD相機測量葉綠素a熒光并將熒光數(shù)據(jù)圖像化。葉綠素熒光成像系統(tǒng)的優(yōu)點是可以同時測量多個樣品或大型光合生物的多個區(qū)域，可以輕松評估樣品的異質(zhì)性。

了解溫度、光照、營養(yǎng)物質(zhì)、pH值和CO2等多種非生物脅迫對光合生物生理性能的交互影響是預(yù)測和理解植物應(yīng)對氣候變化響應(yīng)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)上，評估以上多重脅迫的相互作用既費時又費力，亟需新的方法來改善這類研究過程。近日，New BIOTECHNOLOGY (IF=5.1)雜志刊登了悉尼科技大學Andrei Herdean的最新研究文章“Phenoplate: An innovative methodfor assessing interacting effects of temperature and light on non-photochemicalquenching in microalgae under chemical stress”。文章中作者展示了一個新的實驗方案，用于同時沿多個脅迫梯度進行高通量光生理測量。具體方案的細節(jié)是通過將IMAGING-PAM與實驗室PCR實驗中廣泛使用的熱循環(huán)儀相結(jié)合來實現(xiàn)的。

圖1 Phenoplate方案及示例數(shù)據(jù)：IMAGING-PAM+熱循環(huán)儀，示例數(shù)據(jù)

上述文章的實驗旨在研究微藻對多種環(huán)境脅迫相互作用的短期響應(yīng)，從而揭示其部分表型。改變不同樣品中磷（P）的含量，目的是為了限制其對類囊體膜ATP合酶的可用性，以觀察這種限制如何影響光合對不同溫度的反應(yīng)。表型組學是藻類研究中的一門新興學科，將在一系列生物技術(shù)應(yīng)用中產(chǎn)生廣泛影響；然而，開發(fā)新的工具以滿足在特定系列條件下快速篩選多個菌株/物種/突變體仍然是一個技術(shù)難題?，F(xiàn)在，Phenoplate的出現(xiàn)必將為此類研究學科的發(fā)展做出貢獻，作者將該類實驗過程命名為“Phenoplate Analysis”。

快速光照曲線是評估光合生物生理狀態(tài)使用最廣泛的方法之一。該方法在過去20年中已應(yīng)用于一系列生理學研究，但它在適應(yīng)多參數(shù)表型的現(xiàn)代應(yīng)用中進展甚微。為了推進快速光曲線應(yīng)用于評估多種因素生理影響的研究，開發(fā)了Phenoplate。Phenoplate可以用于同時評估溫度和光梯度。研究人員把它用于測量三種海洋微藻在溫度梯度上的快速光照曲線，并疊加不同磷含量處理，改變磷酸鹽的可用性。結(jié)果表明，在較低溫度下，Tetraselmis sp.藻光保護機制的激活效率較高，當溫度超過一定閾值時，光保護的弛豫受到負面影響。此外，研究結(jié)果還觀察到Thalassiosira pseudonana 和Nannochloropsis oceanica 表現(xiàn)出兩種獨特的延遲非光化學淬滅特征：分別是弱光低溫和黑暗高溫組合。這些發(fā)現(xiàn)表明，這些發(fā)現(xiàn)表明，Phenoplate方法可以作為一種快速而簡單的工具來深入了解微藻的光生物學特性。以下是部分實驗結(jié)果。

圖2 三種藻在不同溫度下光系統(tǒng)II的相對電子傳遞速率

圖3 三種藻在不同溫度和磷含量下光系統(tǒng)II的相對電子傳遞速率

圖4 不同磷含量處理條件下生長的Tetraselmis sp.藻的NPQ數(shù)據(jù)變化

圖5 三種藻在不同溫度，磷含量處理下光曲線+暗弛豫的實驗結(jié)果與差異

—— 原文 ——

Herdean A, Sutherland D, Ralph P. Phenoplate: an innovative method for assessing interacting effects of temperature and light on non-photochemical quenching in microalgae under chemical stress. New Biotechnology, 2021.