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熒光成像內(nèi)窺鏡—激光技術(shù)在醫(yī)療成像與治療中的創(chuàng)新應(yīng)用
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2025-01-22 15:24 179閱讀次數(shù)
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熒光成像內(nèi)窺鏡可以直接量化腫瘤組織與正常組織之間的差異,幫助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)白光內(nèi)窺鏡無(wú)法識(shí)別的腫瘤組織。因此一款合適的激光治療設(shè)備至關(guān)重要
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2025-01-22 15:24
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FluorCam 葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用
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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(guó)內(nèi)的應(yīng)用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)作為Z早實(shí)用化的葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù),是目前世界上Zquan威、使用范圍Z廣、種類(lèi)Z全面、發(fā)表論文Z多的葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)。FluorCam已經(jīng)發(fā)展出十幾個(gè)型號(hào),涵蓋了從葉綠體、單個(gè)細(xì)胞、微藻到葉片、果實(shí)、花朵,乃至整株植物和植物灌層,幾乎可以測(cè)量所有的植物樣品,甚至包括含有葉綠素的微生物和動(dòng)物。易科泰Ecolab生態(tài)實(shí)驗(yàn)室總結(jié)了FluorCam相關(guān)SCI參考文獻(xiàn)近500篇,可聯(lián)系Ecolab生態(tài)實(shí)驗(yàn)室(eco-lab@eco-tech.com.cn,info@eco-lab.cn)索取文獻(xiàn)目錄及全文。了解FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)詳情請(qǐng)點(diǎn)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)Z早在21世紀(jì)初引進(jìn)到國(guó)內(nèi),但一直到2010年后國(guó)內(nèi)的科學(xué)家才在國(guó)際交流中逐漸發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的巨大價(jià)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(xiàn)。本期主要介紹目前FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)在國(guó)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)晒獬上窦夹g(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(zhǎng)前中期,旗葉與外露花梗的Zda光化學(xué)效率Fv/Fm和量子產(chǎn)額ΦPSII基本相同。但在生長(zhǎng)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(zhǎng)后期的灌漿期,花梗對(duì)維持籽粒的生長(zhǎng)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(guò)程中以及穎果發(fā)育過(guò)程中光合特性的變化[2;3,圖2]。圖1.不同生長(zhǎng)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)晒獬上駡D圖2.不同生長(zhǎng)期小麥葉片和穎片的Zda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(lèi)的生物/非生物逆境脅迫都會(huì)影響到植物光合系統(tǒng)的正常生理功能,而葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是公認(rèn)的植物逆境光合功能研究Z靈敏的無(wú)損探針。因此通過(guò)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(jī)理過(guò)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(gè)品種的Zda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(duì)PSII的實(shí)際功能活性更有作用。同時(shí)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(duì)兩種玉米品種造成影響的葉綠素?zé)晒獬上駡D2.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(guò)表達(dá)會(huì)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(duì)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Zda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(shuō)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(qiáng)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(guó)內(nèi)還有其他院校使用FluorCam開(kāi)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(shuō)是植物對(duì)人類(lèi)乃至整個(gè)生物圈Z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(duì)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(lái)進(jìn)行表型篩選、基因功能驗(yàn)證等方面的工作。1.從光合表型到基因功能ZG科學(xué)院植物研究所張立新研究員是Z早將FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)引入國(guó)內(nèi)的科學(xué)家。中科院植物所光生物學(xué)ZD實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)植物光合基因相關(guān)研究Z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(tuán)隊(duì)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(jìn)而證明了磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)維持葉片生長(zhǎng)后期正常光合作用的重要性[11](圖6)。之后,植物所張立新團(tuán)隊(duì)和彭連偉團(tuán)隊(duì)都使用FluorCam發(fā)表了多篇植物光合基因相關(guān)文獻(xiàn)[12;13]。彭連偉在研究NADH脫氫酶復(fù)合體穩(wěn)定性時(shí)[14],發(fā)現(xiàn)在50molphotons/m.s的光強(qiáng)下,lhca5lhca6pgr5、lhca6pgr5和crr4-2pgr5擬南芥突變體都產(chǎn)生了生長(zhǎng)阻滯,并表現(xiàn)出了高葉綠素?zé)晒猓▓D7A,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YZ。進(jìn)一步分析不同光強(qiáng)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lhca6pgr5和lhca5lhca6pgr5的ΦPSII水平則顯著降低,通過(guò)其他結(jié)果比對(duì)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YZ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(tuán)隊(duì)還使用FluorCam發(fā)現(xiàn)了NdhV亞基對(duì)NADH脫氫酶復(fù)合體穩(wěn)定性的重要作用[15]。其團(tuán)隊(duì)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(kù)中篩選光合電子傳遞調(diào)控的突變體,并ZD研究了bfa3的功能,相關(guān)結(jié)果于2016年4月發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊PlantPhysiology[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)晒獬上裾撐囊坏泉?jiǎng)。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.lhca5lhca6pgr5三突變體葉綠素?zé)晒夥治觯珹.可見(jiàn)表型;B.葉綠素?zé)晒獗硇停籆.ΦPSII測(cè)量國(guó)內(nèi)另一個(gè)應(yīng)用FluorCam技術(shù)進(jìn)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(jìn)儀器技術(shù)雖然較晚,但在購(gòu)置FluorCam開(kāi)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(gè)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(zhǎng)、博士生導(dǎo)師ChanhongKim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(jìn)行了大量的研究工作并在PNAS、PlantCell發(fā)表多篇相關(guān)文獻(xiàn)。2014年,ChanhongKim到上海生命科學(xué)研究院工作后立刻購(gòu)置了一臺(tái)FluorCam封閉式葉綠素?zé)晒?GFP成像系統(tǒng)。他用這一系統(tǒng)一方面進(jìn)行GFP表達(dá)植株的快速篩選(圖9),另一方面進(jìn)行單線態(tài)氧和EXECUTER1介導(dǎo)信號(hào)在基粒中發(fā)生過(guò)程的研究,這一Zxin研究成果發(fā)表同樣在2016年P(guān)NAS上[19]。沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)也使用FluorCam技術(shù)開(kāi)展了大白菜生長(zhǎng)緩慢、類(lèi)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(guò)其他方法基本上確定的。但這個(gè)基因表達(dá)出的表型是否符合預(yù)期,還是必須通過(guò)FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)進(jìn)行光合表型方面的驗(yàn)證。ZG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(shí)驗(yàn)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YZ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(dá)了GFP的植株,其顏色越偏向紅色,則表明其表達(dá)的GFP更多,暗藍(lán)色的植株即為沒(méi)有表達(dá)GFP的植株四、國(guó)際合作由于FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)引進(jìn)到國(guó)內(nèi)的時(shí)間較晚,國(guó)內(nèi)科學(xué)家對(duì)這一技術(shù)的運(yùn)用程度還低于歐美同行。因此,很多國(guó)內(nèi)的科學(xué)家目前是與國(guó)際上的知名科研院所開(kāi)展合作,使用FluorCam進(jìn)行研究工作并發(fā)表文章。比如浙江大學(xué)與德國(guó)康斯坦茨大學(xué)合作發(fā)表的使用FKM多光譜熒光動(dòng)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),是國(guó)際上對(duì)這一技術(shù)應(yīng)用Z前沿的學(xué)者)研究了銅對(duì)海州香薷Elsholtziasplendens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(guó)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(duì)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(mén)含有葉綠體的稀有細(xì)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(guó)諾丁漢大學(xué)合作研究的兩種病原菌對(duì)不同小麥品系的侵害性[26]等。參考文獻(xiàn):1.KongLA,etal.2010.Thestructuralandphotosyntheticcharacteristicsoftheexposedpeduncleofwheat(TriticumaestivumL.):animportantphotosynthatesourceforgrainfil領(lǐng).BMCplantbiology10,1412.KongLA,etal.2015.Photochemicalandantioxidativeresponsesoftheglumeandflagleaftoseasonalsenescenceinwheat.FrontiersinPlantScience,6:358.doi:10.3389/fpls.2015.003583.KongLA,etal.2016.Comparisonofthephotosyntheticcharacteristicsinthepericarpandflagleavesduringwheat(TriticumaestivumL.)caryopsisdevelopment.Photosynthetica54(1),40-464.Li,G.etal.2012.Effectsofnitrogenonphotosyntheticcharacteristicsofleavesfromtwodifferentstay-greencorn(ZeamaysL.)varietiesatthegrain-fil領(lǐng)stage.Can.J.PlantSci.92,671-6805.Gong,B.etal.2014.OverexpressionofS-adenosyl-L-methioninesynthetaseincreasedtomatotolerancetoalkalistressthroughpolyaminemetabolism.PlantBiotechnologyJournal,12,6947086.KongLA,etal.2010.Arootzonesoilregimeofwheat:physiologicalandgrowthresponsestofurrowirrigationinraisedbedplantinginNorthernChina.AgronomyJournal102,1541627.FengB.etal.2014.EffectofHeatStressonthePhotosyntheticCharacteristicsinFlagLeavesattheGrainFil領(lǐng)StageofDifferentHeatResistantWinterWheatVarieties.JournalofAgronomyandCropScience200(2),1431558.周錦業(yè),丁國(guó)昌,何荊洲,曹光球,李秀玲,卜朝陽(yáng).2015.不同光質(zhì)對(duì)金線蓮組培苗葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響.農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)5(5),67-729.簡(jiǎn)敏菲,汪斯琛,余厚平,李玲玉,簡(jiǎn)美鋒,余guan軍.2016.Cd2+?Cu2+脅迫對(duì)黑藻(Hydrillaverticillata)的生長(zhǎng)及光合熒光特性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào)36(6)10.鄭國(guó)華,潘東明,牛先前&方樹(shù)民.2010.冰核細(xì)菌對(duì)低溫脅迫下枇杷光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響.ZG生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)18(6),1251125511.MaJF,GuoJK,PengLW,ChenCY&ZhangLX,2006.DecreaseofphotosystemiiphotochemistryinArabidopsisppt1mutantisdependentonleafage.Journalofintegrativeplantbiology48,1409141412.SunXW,WangLY&ZhangLX,2007.InvolvementofDEG5andDEG8proteasesintheturnoverofthephotosystemIIreactioncenterD1proteinunderheatstressinArabidopsisthaliana.ChineseScienceBulletin52,1742174513.ChiW,etal.2008.ThepentratricopeptiderepeatproteinDELAYEDGREENING1isinvolvedintheregulationofearlychloroplastdevelopmentandchloroplastgeneexpressioninArabidopsis.Plantphysiology147,57358414.PengL,&Shikanai,T.2011.SupercomplexformationwithphotosystemIisrequiredforthestabilizationofthechloroplastNADHdehydrogenaselikecomplexinArabidopsis.Plantphysiology155,1629163915.FanX,etal.2015.TheNdhVsubunitisrequiredtostabilizethechloroplastNADHdehydrogenase-likecomplexinArabidopsis.ThePlantJournal,82,22123116.ZhangL,etal.2016.BiogenesisFactorRequiredForATPSynthase3FacilitatesAssemblyoftheChloroplastATPSynthaseComplex.PlantPhysiology171,1291-130617.QiY,etal.2016.APutativeChloroplastThylakoidMetalloproteaseVIRESCENT3RegulatesChloroplastDevelopmentinArabidopsisthaliana.TheJournalofBiologicalChemistry291,3319-333218.QiY,etal.2016.MutationsincircularlypermutedGTPasefamilygenesAtNOA1/RIF1/SVR10andBPG2suppressvar2-mediatedleafvariegationinArabidopsisthaliana.PhotosynthesisResearch127(3),355-36719.WangLS,etal.2016.Singletoxygen-andEXECUTER1-mediatedsigna領(lǐng)isinitiatedingranamarginsanddependsontheproteaseFtsH2.PNAS,DOI:10.1073/pnas.160356211320.ZhangL,etal.2016.BiogenesisFactorRequiredForATPSynthase3FacilitatesAssemblyoftheChloroplastATPSynthaseComplex.PlantPhysiology171,1291-130621.LiX,etal.2013.MolecularCloningandCharacterizationofViolaxanthinDeEpoxidase(CsVDE)inCucumber.PLoSONE8(5):1-1122.PengH,etal.2012.DifferencesincopperaccumulationandcopperstressbetweeneightpopulationsofHaumaniastrumkatangense,EnvironmentalandExperimentalBotany,79:58-6523.LuoT.etal.2013.Virus-inducedgenesilencingofpeaCHLIandCHLDaffectstetrapyrrolebiosynthesis,chloroplastdevelopmentandtheprimarymetabolicnetwork.PlantPhysiologyandBiochemistry65,172624.ZengY,etal.2014.Functionaltype2photosyntheticreactioncentersfoundintherarebacterialphylumGemmatimonadetes.PNAS,111(21),7795780025.ZengY,etal.2015.Characterizationofthemicroaerophilic,bacteriochlorophylla-containingbacteriumGemmatimonasphototrophicasp.no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