藻類(lèi)是藍(lán)藻門(mén)、眼蟲(chóng)藻門(mén)、金藻門(mén)、甲藻門(mén)、綠藻門(mén)、褐藻門(mén)、紅藻門(mén)等一系列水生生物的總稱(chēng)。其形態(tài)種類(lèi)眾多，小至微米級(jí)的單細(xì)胞微藻，大至長(zhǎng)達(dá)幾米乃至幾十米的大型褐藻。藻類(lèi)作為水體中重要的初級(jí)生產(chǎn)者，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)乃至地球圈的穩(wěn)定都起著重要的作用。萊茵衣藻、藍(lán)藻等模式藻類(lèi)為功能基因、生物進(jìn)化、光合作用等研究提供了非常佳的材料。同時(shí)，很多經(jīng)濟(jì)藻類(lèi)也在食品、醫(yī)藥、能源等行業(yè)中扮演重要角色。而水華、赤潮等有害生態(tài)現(xiàn)象也是由藻類(lèi)造成的。因此，對(duì)藻類(lèi)的研究一直是生物學(xué)和生態(tài)學(xué)中非常重要的熱點(diǎn)。

目前生命科學(xué)研究領(lǐng)域引人注目的研究熱點(diǎn)之一——表型組學(xué)研究，還主要集中在植物/作物領(lǐng)域。在藻類(lèi)領(lǐng)域，表型組學(xué)研究剛剛起步，但發(fā)展速度極為迅猛。藻類(lèi)表型組學(xué)一方面是藻類(lèi)基因組學(xué)的補(bǔ)充與驗(yàn)證，解釋基因組和環(huán)境因素對(duì)植物表型的復(fù)雜作用及中間的變化過(guò)程；另一方面可以用于經(jīng)濟(jì)藻類(lèi)的抗逆生理研究和遺傳育種，全面分析藻類(lèi)表型，獲取更優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)藻種；還可以用于水華、赤潮的發(fā)生機(jī)理研究。

藻類(lèi)表型組學(xué)需要全面分析藻類(lèi)的表型特征，尤其是光合生理、形態(tài)、色素組成與分布、不同色素的光合貢獻(xiàn)、脅迫生理等方面的測(cè)量與分析，使藻類(lèi)表型數(shù)字化、生理生態(tài)及功能可視化。這就需要針對(duì)藻類(lèi)表型專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的技術(shù)解決方案。

    方案中所列舉的儀器可以根據(jù)具體研究需求靈活組合，而且所有儀器的認(rèn)可度*，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家均使用這些儀器發(fā)表了大量科研論文。下面介紹部分系統(tǒng)方案的應(yīng)用案例。

• 藍(lán)藻光合作用機(jī)理的深入研究

中科院水生生物所王強(qiáng)研究員為了研究亞硝酸鹽脅迫對(duì)藍(lán)藻Synechocystis sp. PCC 6803光系統(tǒng)II的脅迫機(jī)制，使用AquaPen手持式藻類(lèi)熒光測(cè)量?jī)x、FL3500葉綠素?zé)晒鈨x（FL6000之前型號(hào)）和TL葉綠素?zé)後尮庀到y(tǒng)，分別測(cè)量分析了Fv/Fm光化學(xué)效率、OJIP快速熒光動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)、QA-再氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)、S-state測(cè)量和TL熱釋光曲線(xiàn)。研究終證明亞硝酸鹽脅迫首先影響Synechocystis sp. PCC 6803 光系統(tǒng)II受體側(cè)(Zhan X, 2017)。

• 萊茵衣藻分子事件的多組學(xué)解析

萊茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii的新陳代謝對(duì)環(huán)境變化有很好的適應(yīng)性。加利福尼亞大學(xué)的Daniela Strenkert嘗試模擬一個(gè)光暗周期，研究這一天中萊茵衣藻的轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組變化。這一研究首先要求能夠精確模擬一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的培養(yǎng)環(huán)境，同時(shí)還要對(duì)相關(guān)培養(yǎng)環(huán)境及藻類(lèi)密度、生理等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這樣才能為后續(xù)的組學(xué)分析提供盡量精準(zhǔn)的樣品。而目前能達(dá)到這一要求的藻類(lèi)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)儀器只有FMT150藻類(lèi)培養(yǎng)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其培養(yǎng)條件設(shè)置如下：

• 監(jiān)測(cè)南極藻類(lèi)與地衣的氣候響應(yīng)

2006年，捷克在南極James Ross島建設(shè)了Johann Gregor Mendel站。駐扎該站的捷克馬薩里克大學(xué)科研人員從2007年就開(kāi)展研究當(dāng)?shù)卦孱?lèi)和地衣對(duì)南極溫度升高的響應(yīng)，從而評(píng)估溫室效應(yīng)對(duì)南極生態(tài)系統(tǒng)的影響。當(dāng)時(shí)他們使用了專(zhuān)門(mén)加強(qiáng)極地適應(yīng)能力的AquaPen/FluorPen系列手持式葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量?jī)x來(lái)檢測(cè)藻類(lèi)和地衣的光合生理和生長(zhǎng)狀態(tài)。AquaPen/FluorPen既可以手動(dòng)操作，也具備無(wú)人值守監(jiān)測(cè)葉綠素?zé)晒獾墓δ?，在南極的嚴(yán)酷環(huán)境下表現(xiàn)良好。

• 萊茵衣藻高光脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制

所有光合生物都必須要應(yīng)對(duì)過(guò)量光照來(lái)避免光合氧化脅迫。對(duì)于植物和綠藻來(lái)說(shuō)，高光的快響應(yīng)機(jī)制就是光系統(tǒng)II的非光化學(xué)淬滅（NPQ）。這一過(guò)程允許光系統(tǒng)II將過(guò)量能量以熱量形式安全地耗散掉。PsbS蛋白是這一過(guò)程中的重要傳感器。

為了確定PsbS蛋白在萊茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii的NPQ和光保護(hù)中的作用，艾克斯－馬賽大學(xué)Tibiletti T等培養(yǎng)了可以表達(dá)藻類(lèi)或擬南芥psbS基因的葉綠體轉(zhuǎn)基因株。通過(guò)FluorCam開(kāi)放式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)進(jìn)行的NPQ成像分析終表明，兩種PsbS蛋白都可以增強(qiáng)萊茵衣藻野生型和npq4突變株的NPQ，但通過(guò)Fv/Fm測(cè)量沒(méi)有觀(guān)察到明確的光保護(hù)活性。

• 珊瑚共生體的表型研究

Miguel Costa Leal等利用FluorCam封閉式多光譜熒光成像系統(tǒng)，對(duì)珊瑚共生體的光合能力及生態(tài)變化進(jìn)行了研究。FluorCam封閉式多光譜熒光成像系統(tǒng)除了進(jìn)行葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量，還可以進(jìn)行植被歸一化指數(shù)NDVI成像與綠色熒光蛋白GFP成像（也可以測(cè)量其他熒光蛋白）。在本研究中，NDVI成像反映其葉綠素的分布及濃度變化，GFP成像則指示了含有GFP類(lèi)似蛋白的刺胞動(dòng)物組織，葉綠素?zé)晒獬上駝t展示了珊瑚的光合能力。同時(shí)多光譜熒光還可以進(jìn)行次生代謝組與病害表型研究及其他熒光蛋白成像，如YFP、BFP、RFP等。

因此，僅一臺(tái)FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)就可以完成相當(dāng)全面的藻類(lèi)表型研究：光合表型、NDVI反射光譜指數(shù)、熒光蛋白、次生代謝水平與分布。

• 生物侵蝕防治的研究

大理石雕像上經(jīng)常會(huì)覆蓋上綠色或黑灰色的生物膜。這種生物膜是藍(lán)藻、藻類(lèi)和真菌的混合體，并會(huì)逐漸侵蝕大理石。為了對(duì)戶(hù)外大理石雕像進(jìn)行保護(hù)，歐洲相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量相關(guān)的研究工作。而為了評(píng)估生物膜的活性以及清洗后的效果，葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)無(wú)疑是便捷、直接的技術(shù)。意大利弗洛倫薩應(yīng)用物理研究所的Marta Mascalchi使用激光清除大理石上的生物膜。FluorCam便攜式熒光成像儀為其檢測(cè)清除效果并優(yōu)化激光參數(shù)提供了有力的數(shù)據(jù)。

• 生物能源開(kāi)發(fā)

進(jìn)行藻類(lèi)產(chǎn)油生物能源開(kāi)發(fā)，首先就是獲得高生物量的優(yōu)良藻種。非光化學(xué)淬滅NPQ代表著藻類(lèi)光合系統(tǒng)沒(méi)有利用而熱耗散掉的能量。那么減小NPQ，勢(shì)必能提高其生物量。本研究中使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)篩選了兩種NPQ減小的衣藻突變株，同時(shí)通過(guò)MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探索其優(yōu)良的培養(yǎng)條件。MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以認(rèn)為是FMT150藻類(lèi)培養(yǎng)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化版，可動(dòng)態(tài)調(diào)控光照、溫度與光暗周期并通過(guò)測(cè)量OD監(jiān)測(cè)藻類(lèi)生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，非常適用于藻類(lèi)的多重復(fù)快速培養(yǎng)。

• 海洋生物表型組學(xué)光學(xué)成像分析系統(tǒng)

2019年中國(guó)海洋大學(xué)裝備了*套海洋生物表型組學(xué)光學(xué)成像分析系統(tǒng)，這一系統(tǒng)包含以下子系統(tǒng)：

• FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)
• FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)
• FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)
• Specim IQ 高光譜成像儀
• MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)是FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)的高級(jí)擴(kuò)展產(chǎn)品，既可用于葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像分析，又可用于長(zhǎng)波段UV紫外光對(duì)植物葉片激發(fā)產(chǎn)生的MCF多光譜熒光成像測(cè)量分析，還可選配綠色熒光蛋白GFP等穩(wěn)態(tài)熒光的成像測(cè)量。FluorCam廣泛應(yīng)用于藻類(lèi)光合功能基因、逆境脅迫、藻類(lèi)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)藻類(lèi)育種以及生物能源開(kāi)發(fā)等研究。其中，MCF多光譜熒光尤其適用于病害造成的次生代謝組總體分析及藻類(lèi)防御機(jī)制研究。

• AlgaTech藻類(lèi)高通量表型分析平臺(tái)

AlgaTech客戶(hù)定制藻類(lèi)高通量表型分析平臺(tái)由樣品自動(dòng)傳送系統(tǒng)、光譜成像站和分析軟件組成，可選配多光譜成像、高光譜成像、葉綠素?zé)晒獬上?、多光譜熒光成像等成像工作站，每個(gè)工作站可獨(dú)立運(yùn)行，可同步監(jiān)測(cè)藻類(lèi)光合作用、pH及溫度，還可選配不同類(lèi)型藻類(lèi)培養(yǎng)與在線(xiàn)分析系統(tǒng)。