FKM多光谱荧光动态显微成像系统应用于释秋海棠蓝色叶...
FKM多光谱荧光动态显微成像系统应用于释秋海棠蓝色叶片的特殊光合机制研究
KM多光谱荧光动态显微成像系统帮助科学家解释秋海棠蓝色叶片的特殊光合机制
2016年10月，国际学术权威刊物Nature出版集团旗下子刊《Nature Plants》发表了英国布里斯托大学Heather Whitney研究团队的一篇研究论文。论文研究了一种喜阴植物秋海棠（Begonia grandis × B. pavonina，秋海棠与孔雀秋海棠的杂交种），发现它能通过自己的蓝晕色叶片，利用其特有的光合质体iridoplast来增强光合作用，从而适应了极度弱光的环境条件（Jacobs，2016）。
图1. 秋海棠蓝晕色叶片和晕色体iridoplast. a. 叶片照片 b. 晕色体的落射光显微镜明场照片 c. 单个晕色体的扫描电镜照片 d. 单个晕色体的特征反射光谱曲线
很早以前，科学家们就发现生长在低纬度热带雨林生态系统中的一些陆生植物叶片在特定观察视角下会呈现一种蓝晕色 （iridescent blue colour）的表型（Lee & Lowry，1975；Lee，1991）。最开始人们认为这种蓝晕色可能是特殊的色素造成的，但在后续的研究中并没能提取到相应的色素。通过透射电子显微镜（TEM）的观察，在圆果杜英、圆叶锦香草和孔雀秋海棠等多种具有蓝晕表型的植物中，科学家们发现叶片近轴面表皮细胞的下层平周壁毗邻处存在一种特化的质体（Gould & Lee，1996；Lee，1991），并将这种质体命名为iridoplasts，国内文献中将其翻译为晕色体（王卅，2012）。
图2. 秋海棠叶片组织横切面的晕色体分布示意图
后来的研究中发现，晕色体也是一种叶绿体，但是它们的内部结构与一般叶绿体有很大的差别。一般叶绿体内由类囊体组成的基粒大小不一，分布不均。秋海棠晕色体内规则分布着3～4个类囊体形成的基粒。这些基粒像一个光学晶体，强烈反射430~560纳米波长的光，导致叶子呈蓝晕色；同时强烈吸收绿光，这也正是秋海棠生长的林下弱光环境中最主要的光。而绿光正是一般植物最难以利用进行光合作用的光。
图3. 左：一般叶绿体结构示意图；右：秋海棠晕色体超微结构透射电镜照片 但是如果Heather Whitney研究团队的工作只进行到这一步，那么也仅仅是将前人的工作在秋海棠上再重复了一遍，并没有什么太大的突破性。这些研究都是通过晕色体光谱特性和显微结构的差异推测了它对林下低光照和绿光的利用能力，但是从来没有人能直接对晕色体的光合能力进行直接的测定。当然，这也是因为以前并没有相应的仪器设备能够进行这种测量。
FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光谱荧光动态显微成像系统作为目前功能最为强大全面的植物显微荧光研究仪器，可以说是现在唯一可以完美解决这个问题的仪器系统。它不仅可以进行微藻、单个细胞、单个叶绿体乃至基粒-基质类囊体片段进行Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭、OJIP快速荧光响应曲线、QA再氧化等各种叶绿素荧光及MCF多光谱荧光（multicolor fluorescence）成像分析；还能通过激发光源组进行任意荧光激发和荧光释放波段的测量，从而进行GFP、DAPI、DiBAC4、SYTOX、CTC等荧光蛋白、荧光染料以及藻青蛋白、藻红蛋白、藻胆素等藻类特有荧光色素的成像分析；更可以利用光谱仪对各种荧光进行光谱分析，区分各发色团（例如PSI和PSII及各种捕光色素复合体等）并进行深入分析。
图4. FKM系统测量得到的叶绿素荧光显微成像图与光谱分析结果
因此FKM系统也就成为了Heather Whitney研究团队的不二之选。他们通过直接进行叶肉叶绿体、保卫细胞叶绿体和晕色体的叶绿素荧光动态成像测量，比较了它们各自的最大光化学效率Fv/Fm（也称为最大量子产额，即光合系统将光量子转化成电子的能力），发现晕色体的Fv/Fm要显著高于肉叶绿体和保卫细胞叶绿体。从而第一次证明，晕色体不但增强了遮阴环境下对绿光的捕获，同时也将低光照条件下的量子产额提高了5-10%。
图5. 秋海棠叶绿体和晕色体的叶绿素荧光成像图和量子产额分析 这一研究表现了植物在适应环境过程中进化的神奇性，同时也向公众展示了科学家是如何从身边简单的现象入手，深刻揭示其内在的机理与规律。因此，从文章发表之初，国内外媒体就进行了广泛的报道：
参考文献：
1. Jacobs M, et al. 2016. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency. Nature Plants, doi:10.1038/nplants.2016.162
2.王卅，李玉花，张旸. 2012. 热带雨林低光植物结构色产生机制及生物学功能研究进展. 园艺学报，39（11）：2291-2300
3. Lee D W，Lowry J B. 1975. Physical basis and ecological significance of iridescence in blue plants. Nature，254: 50-51.
4. Lee D W. 1991. Ultrastructural basis and function of iridescent blue colour of fruits in Elaeocarpus. Nature，349: 260-261.
5.Gould K S，Lee D W. 1996. Physical and ultrastructural basis of blue leaf iridescence in four malaysian. American Journal of Botany，83 (1): 45-50.
