高光谱成像技术在藻类表型研究中的应用

北京易科泰 20240618

藻类作为水体中最重要的初级生产者，对整个生态系统乃至地球圈的稳定都起着极为重要的作用。因此，对藻类的研究一直是生物学和生态学中非常重要的热点。目前藻类表型组学研究发展速度极为迅猛。藻类表型组学一方面是藻类基因组学的补充与验证，解释基因组和环境因素对植物表型的复杂作用及中间的变化过程；另一方面可以用于经济藻类的抗逆生理研究和遗传育种，获取更优良的经济藻种；还可以用于水华、赤潮的发生机理研究。

易科泰公司长期致力于农业-生态-健康领域，整合国际先jin技术资源，且自主研发生产了AlgaTech®高通量藻类表型分析平台，为藻类生物质能源及高通量表型研究领域提供全面解决方案，包括藻类叶绿素荧光与光合作用测量、藻类叶绿素荧光成像分析、藻类培养与在线监测及高通量藻类表型分析等。

图左、中：AlgaTech®高通量表型分析平台；图右：Specim IQ高光谱相机

应用案例1：

绿藻是一类光合自养生物，广泛分布于淡水和海水环境中，是水生生态系统中初级生产者的重要组成部分。其中一些绿藻种类能够适应ji端环境，如高盐度、高辐射或低温条件等。奥地利研究学者利用400-900nm高光谱显微成像技术对几种雪藻和气生绿藻进行了高强度光照适应性研究，结果发现，雪藻中的Chlamydomonas nivalis 和 Chlainomonas sp.品种的细胞光谱在400-550纳米波段显示出高吸收，这与次级类胡萝卜素（如虾青素）的已知吸收特性相一致；气生绿藻则在细胞水分丧失后，显示出400-500nm波段的吸收增加，这可能是一种生态相关的光保护机制。

多个雪藻品种显微成像图

雪藻Chlainomonas sp.和Chlamydomonas nivalis显示出相似的光谱模式，细胞主体的吸收最高，在400-600nm波段中发现了高吸收，并在大约680nm处有一个额外的吸收峰，不同的细胞也被高光谱成像清晰地描绘出来

绿色藻类Zygnema sp.显微成像图

在400nm处光谱值最高，之后吸收急剧下降，在500nm处达到最小，在大约680nm处清晰地出现另一吸收峰。在未经处理的细胞中，细胞主体的吸收相当均匀，向细胞外围逐渐减少（b）。当Zygnema sp.细胞质壁分离时，观察到明显的原生质体收缩（c），400-500nm波长带的光谱特性略有变化，680nm处的峰值强度增加了。在Zygnema sp.丝状体干燥时观察到更剧烈的效果（e），光谱吸收水平增加了。相比之下，在干燥的Zygogonium ericetorum细胞中没有观察到这种变化（f）。

高光谱成像技术不仅可以区分混合样本中的不同藻类物种，研究藻类或浮游植物的动态光谱变化，还可以用于区分由不同色素（如虾青素、叶绿素）产生的信号，高光谱显微成像技术揭示了活体单细胞藻类的光谱特性，这对于理解藻类在应对高辐射和其他胁迫方面的生态学具有潜在的应用价值。

应用案例2：

中国海洋大学藻类遗传学与育种研究团队使用AlgaTech®高通量表型分析平台的VNIR高光谱成像模块对条斑紫菜的四种重要光合色素含量（藻红蛋白（PE）、藻蓝蛋白（PC）、别藻蓝蛋白（APC）和叶绿素a（Chla））进行了定量分析，展现了AlgaTech®高通量藻类表型分析平台在藻类表型研究中的巨大潜力。

图左：基于zui 优PLSR和SVR模型的四种光合色素（PE/PC/APC/Chla）含量的预测值和实测值的散点图。其中▲为训练集数据，×为验证集数据；图右：条斑紫菜RGB图像及四种光合色素（PE/PC/APC/Chla）含量预测分布


参考文献：[1] Holzinger, Andreas, Michael C. Allen, and Dimitri D. Deheyn. "Hyperspectral imaging of snow algae and green algae from aeroterrestrial habitats." Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 162 (2016): 412-420.

[2] Che, Shuai, et al. "Quantification of photosynthetic pigments in Neopyropia yezoensis using Hyperspectral imagery." Plant Phenomics 5 (2023): 0012.

易科泰生态技术公司提供藻类生物质能源研究及高通量表型研究技术全面解决方案，包括藻类叶绿素荧光与光合作用测量、藻类叶绿素荧光成像分析、藻类培养与在线监测及AlgaTech高通量藻类表型分析等。

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