基于葉綠素a熒光評估光合生物生理狀態(tài)的方法是近50多年來(lái)植物和微藻研究的重要技術(shù)。葉綠素熒光作為無(wú)損的探針可以直接探測細胞的光合機制，特別是光系統II（PSII），另外，一定程度上也可以探測到光系統I（PSI）。葉綠素熒光的研究結果可以用來(lái)理解光合生物體的生理過(guò)程，但也不僅限于此，因為大多數生物代謝途徑直接或間接地依賴(lài)于光合作用。多年來(lái)，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量葉綠素a熒光測量的技術(shù)和方法并得到了廣泛用的應用，例如直接閃光誘導熒光，脈沖幅度調制熒光（PAM），高分辨率快速熒光誘導，快速重復頻率熒光（fRRF），以及星載的地面熒光觀(guān)測。所使用的儀器最初是由研究人員自己制造的，后來(lái)漸漸地商業(yè)化。其中一種儀器是德國WALZ公司生產(chǎn)的IMAGING-PAM，它通過(guò)CCD相機測量葉綠素a熒光并將熒光數據圖像化。葉綠素熒光成像系統的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)測量多個(gè)樣品或大型光合生物的多個(gè)區域，可以輕松評估樣品的異質(zhì)性。
了解溫度、光照、營(yíng)養物質(zhì)、pH值和CO2等多種非生物脅迫對光合生物生理性能的交互影響是預測和理解植物應對氣候變化響應的基礎。傳統上，評估以上多重脅迫的相互作用既費時(shí)又費力，亟需新的方法來(lái)改善這類(lèi)研究過(guò)程。近日，New BIOTECHNOLOGY (IF=5.1)雜志刊登了悉尼科技大學(xué)Andrei Herdean的最新研究文章“Phenoplate: An innovative methodfor assessing interacting effects of temperature and light on non-photochemicalquenching in microalgae under chemical stress”。文章中作者展示了一個(gè)新的實(shí)驗方案，用于同時(shí)沿多個(gè)脅迫梯度進(jìn)行高通量光生理測量。具體方案的細節是通過(guò)將IMAGING-PAM與實(shí)驗室PCR實(shí)驗中廣泛使用的熱循環(huán)儀相結合來(lái)實(shí)現的。
圖1 Phenoplate方案及示例數據：IMAGING-PAM+熱循環(huán)儀，示例數據
上述文章的實(shí)驗旨在研究微藻對多種環(huán)境脅迫相互作用的短期響應，從而揭示其部分表型。改變不同樣品中磷（P）的含量，目的是為了限制其對類(lèi)囊體膜ATP合酶的可用性，以觀(guān)察這種限制如何影響光合對不同溫度的反應。表型組學(xué)是藻類(lèi)研究中的一門(mén)新興學(xué)科，將在一系列生物技術(shù)應用中產(chǎn)生廣泛影響；然而，開(kāi)發(fā)新的工具以滿(mǎn)足在特定系列條件下快速篩選多個(gè)菌株/物種/突變體仍然是一個(gè)技術(shù)難題?，F在，Phenoplate的出現必將為此類(lèi)研究學(xué)科的發(fā)展做出貢獻，作者將該類(lèi)實(shí)驗過(guò)程命名為“Phenoplate Analysis”。
快速光照曲線(xiàn)是評估光合生物生理狀態(tài)使用最廣泛的方法之一。該方法在過(guò)去20年中已應用于一系列生理學(xué)研究，但它在適應多參數表型的現代應用中進(jìn)展甚微。為了推進(jìn)快速光曲線(xiàn)應用于評估多種因素生理影響的研究，開(kāi)發(fā)了Phenoplate。Phenoplate可以用于同時(shí)評估溫度和光梯度。研究人員把它用于測量三種海洋微藻在溫度梯度上的快速光照曲線(xiàn)，并疊加不同磷含量處理，改變磷酸鹽的可用性。結果表明，在較低溫度下，Tetraselmis sp.藻光保護機制的激活效率較高，當溫度超過(guò)一定閾值時(shí)，光保護的弛豫受到負面影響。此外，研究結果還觀(guān)察到Thalassiosira pseudonana 和Nannochloropsis oceanica 表現出兩種獨特的延遲非光化學(xué)淬滅特征：分別是弱光低溫和黑暗高溫組合。這些發(fā)現表明，這些發(fā)現表明，Phenoplate方法可以作為一種快速而簡(jiǎn)單的工具來(lái)深入了解微藻的光生物學(xué)特性。以下是部分實(shí)驗結果。
圖2 三種藻在不同溫度下光系統II的相對電子傳遞速率
圖3 三種藻在不同溫度和磷含量下光系統II的相對電子傳遞速率
圖4 不同磷含量處理條件下生長(cháng)的Tetraselmis sp.藻的NPQ數據變化
圖5 三種藻在不同溫度，磷含量處理下光曲線(xiàn)+暗弛豫的實(shí)驗結果與差異
—— 原文 ——
Herdean A, Sutherland D, Ralph P. Phenoplate: an innovative method for assessing interacting effects of temperature and light on non-photochemical quenching in microalgae under chemical stress. New Biotechnology, 2021.