FKM多光譜熒光動態顯微成像系統應用于釋秋海棠藍色葉片的特殊光合機制研究
KM多光譜熒光動態顯微成像系統幫助科學家解釋秋海棠藍色葉片的特殊光合機制
2016年10月，國際學術權威刊物Nature出版集團旗下子刊《Nature Plants》發表了英國布里斯托大學Heather Whitney研究團隊的一篇研究論文。論文研究了一種喜陰植物秋海棠（Begonia grandis × B. pavonina，秋海棠與孔雀秋海棠的雜交種），發現它能通過自己的藍暈色葉片，利用其特有的光合質體iridoplast來增強光合作用，從而適應了極度弱光的環境條件（Jacobs，2016）。
圖1. 秋海棠藍暈色葉片和暈色體iridoplast. a. 葉片照片 b. 暈色體的落射光顯微鏡明場照片 c. 單個暈色體的掃描電鏡照片 d. 單個暈色體的特征反射光譜曲線
很早以前，科學家們就發現生長在低緯度熱帶雨林生態系統中的一些陸生植物葉片在特定觀察視角下會呈現一種藍暈色 （iridescent blue colour）的表型（Lee & Lowry，1975；Lee，1991）。最開始人們認為這種藍暈色可能是特殊的色素造成的，但在后續的研究中并沒能提取到相應的色素。通過透射電子顯微鏡（TEM）的觀察，在圓果杜英、圓葉錦香草和孔雀秋海棠等多種具有藍暈表型的植物中，科學家們發現葉片近軸面表皮細胞的下層平周壁毗鄰處存在一種特化的質體（Gould & Lee，1996；Lee，1991），并將這種質體命名為iridoplasts，國內文獻中將其翻譯為暈色體（王卅，2012）。
圖2. 秋海棠葉片組織橫切面的暈色體分布示意圖
后來的研究中發現，暈色體也是一種葉綠體，但是它們的內部結構與一般葉綠體有很大的差別。一般葉綠體內由類囊體組成的基粒大小不一，分布不均。秋海棠暈色體內規則分布著3～4個類囊體形成的基粒。這些基粒像一個光學晶體，強烈反射430~560納米波長的光，導致葉子呈藍暈色；同時強烈吸收綠光，這也正是秋海棠生長的林下弱光環境中最主要的光。而綠光正是一般植物最難以利用進行光合作用的光。
圖3. 左：一般葉綠體結構示意圖；右：秋海棠暈色體超微結構透射電鏡照片 但是如果Heather Whitney研究團隊的工作只進行到這一步，那么也僅僅是將前人的工作在秋海棠上再重復了一遍，并沒有什么太大的突破性。這些研究都是通過暈色體光譜特性和顯微結構的差異推測了它對林下低光照和綠光的利用能力，但是從來沒有人能直接對暈色體的光合能力進行直接的測定。當然，這也是因為以前并沒有相應的儀器設備能夠進行這種測量。
FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）多光譜熒光動態顯微成像系統作為目前功能最為強大全面的植物顯微熒光研究儀器，可以說是現在唯一可以完美解決這個問題的儀器系統。它不僅可以進行微藻、單個細胞、單個葉綠體乃至基粒-基質類囊體片段進行Fv/Fm、Kautsky誘導效應、熒光淬滅、OJIP快速熒光響應曲線、QA再氧化等各種葉綠素熒光及MCF多光譜熒光（multicolor fluorescence）成像分析；還能通過激發光源組進行任意熒光激發和熒光釋放波段的測量，從而進行GFP、DAPI、DiBAC4、SYTOX、CTC等熒光蛋白、熒光染料以及藻青蛋白、藻紅蛋白、藻膽素等藻類特有熒光色素的成像分析；更可以利用光譜儀對各種熒光進行光譜分析，區分各發色團（例如PSI和PSII及各種捕光色素復合體等）并進行深入分析。
圖4. FKM系統測量得到的葉綠素熒光顯微成像圖與光譜分析結果
因此FKM系統也就成為了Heather Whitney研究團隊的不二之選。他們通過直接進行葉肉葉綠體、保衛細胞葉綠體和暈色體的葉綠素熒光動態成像測量，比較了它們各自的最大光化學效率Fv/Fm（也稱為最大量子產額，即光合系統將光量子轉化成電子的能力），發現暈色體的Fv/Fm要顯著高于肉葉綠體和保衛細胞葉綠體。從而第一次證明，暈色體不但增強了遮陰環境下對綠光的捕獲，同時也將低光照條件下的量子產額提高了5-10%。
圖5. 秋海棠葉綠體和暈色體的葉綠素熒光成像圖和量子產額分析 這一研究表現了植物在適應環境過程中進化的神奇性，同時也向公眾展示了科學家是如何從身邊簡單的現象入手，深刻揭示其內在的機理與規律。因此，從文章發表之初，國內外媒體就進行了廣泛的報道：
參考文獻：
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，張旸. 2012. 熱帶雨林低光植物結構色產生機制及生物學功能研究進展. 園藝學報，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.