模块式藻类表型成像分析系统

藻类是蓝藻门、眼虫藻门、金藻门、甲藻门、绿藻门、褐藻门、红藻门等一系列水生生物的总称。其形态种类众多，小至微米级的单细胞微藻，大至长达几米乃至几十米的大型褐藻。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。同时，很多经济藻类也在食品、医药、能源等行业中扮演重要角色。而水华、赤潮等有害生态现象也是由藻类造成的。

在藻类研究中，需要全面分析藻类的表型特征，尤其是光合生理、形态、颜色、色素组成与分布、不同色素的光合贡献、胁迫生理等方面的测量与分析，使藻类表型数字化、生理生态及功能可视化。这就需要针对藻类表型专门设计的表型成像系统方案。

模块式藻类表型成像分析系统由FMT150藻类培养与在线监测单元、FluorCam叶绿素荧光或多光谱荧光成像单元、FKM多光谱荧光动态显微成像单元、高光谱成像单元（或多光谱成像单元）、RGB彩色成像单元、等组成，是目前市场上配置最灵活、功能面、、技术的藻类表型与生理生态研究分析系统。

珊瑚共生体的表型成像研究，左图：珊瑚收缩－膨胀不同时相NDVI多光谱成像与GFP绿色荧光蛋白成像分析；右图；珊瑚表面及垂直剖面样品分别在弱光和强光适应条件下的RGB成像、叶绿素荧光成像和NDVI多光谱成像分析（Leal MC, et al. 2015）

主要功能特点与技术指标：

1. FMT150藻类培养与在线监测技术：将生物反应器与监测仪器地结合在一起，用于淡水、海水藻类和蓝藻等的模块化精确光照培养与生理监测：

1) 尺寸容积可选：400ml、1L、3L等，可定制25L、120L的大型培养容器

2) 全LED光源：红光、蓝光或白光、红光双色光源，其他光质可定制，光强达3000μmol (photons).m^-2.s^-1

3) 精确控制温度、光强、培养周期、CO₂浓度等培养条件，模拟自然周期变化，并可进行恒化或恒浊培养

4) 在线实时监测温度、pH值、溶解氧、O₂/CO₂通量、营养盐变化、光密度、叶绿素荧光参数（反映受胁迫状况和生理状态）等多种环境与生理参数

5) 通过专用的电脑软件实现外部控制、数据实时在线监测和保存

6) 可选配MC1000 8通道藻类培养与在线监测单元进行快速重复培养实验

莱茵衣藻多组学解析，左图：使用FMT150进行精确控制培养；右图：使用FluorCam进行叶绿素荧光分析（Strenkert, 2019, PNAS）

2. FluorCam叶绿素荧光成像技术：可根据需求选配不同型号和成像大小的叶绿素荧光成像系统，或选配GFP/YFP等稳态荧光成像、PAR吸收/NDVI成像等：

1) 便携式叶绿素荧光成像，成像面积31.5x41.5mm，可用于野外及实验室叶绿素荧光成像分析，还可选配光合联用系统进行光合作用测量和叶绿素荧光成像分析测量

2) 封闭式（一体式）叶绿素荧光成像系统，为功能（具备全部Protocols包括OJIP、QA再氧化动力学等）、、使用的台式植物表型成像分析设备，可同时对植物PAR吸收、光谱反射指数NDVI等进行成像测量

3) FluorCam模块式叶绿素荧光成像系统，有13x13cm标准版和20x20大型版，模块式结构，具备可扩展性，可选配白色LED光源（用于模拟自然光源）、青色LED光源、绿色LED光源、红色LED光源、蓝色LED光源等不同激发光源进行光质实验，用于激发不同的藻类光合色素蛋白（下图依次为便携式、一体式、模块式叶绿素荧光成像系统）

4) FluorCam大型叶绿素荧光成像平台，成像面积可达35x35cm（下图依次为便携式、一体式、模块式叶绿素荧光成像系统和大型叶绿素荧光成像平台）

5) FluorCam多光谱荧光成像技术方案，配备UV紫外光及专用滤波器激发并检测藻类的多光谱荧光，尤其适用于次生代谢组与病害表型研究。有一体式（成像面积13x13cm）或模块式（成像面积13x13cm或20x20cm）供选配，还可选配实验室大型多光谱荧光成像平台

中国海洋大学使用FluorCam多光谱荧光成像系统研究条斑紫菜Pyropia yezoensis感染赤腐病后的次生代谢响应（Tang L, 2019）

3. FKM多光谱荧光动态显微成像技术：基于FluorCam叶绿素荧光成像技术的显微成像技术。它由包含可扩展部件的增强显微镜、高分辨率CCD相机、激发光源组、光谱仪、控温模块以及相应的控制单元和专用的工作站与分析软件组成。它不仅可以对微藻、单个细胞、单个叶绿体乃至基粒-基质类囊体片段进行叶绿素荧光及多光谱荧光成像分析，还可以进行荧光蛋白、荧光染料以及藻类*光合色素的成像分析。

1) 内置现今叶绿素荧光研究的全部程序，如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，可获得70余项参数及其成像图

2) 配备10倍、20倍、40倍、63倍和100倍专用生物荧光物镜，可以清晰观测到叶绿体及其发出的荧光

3) 激发光源组中包括红外光、红光、蓝光、绿光、白光、紫外光和远红光等，能够研究植物/藻类中任何一种色素分子或发色团

4) 可进行GFP、DAPI、DiBAC4、SYTOX、CTC等荧光蛋白、荧光染料的成像分析

5) 高分辨率光谱仪能够深入解析各种荧光的光谱图。

6) 控温系统可以保证实验样品在同等温度条件下进行测量，提高实验精度，也可以进行高温/低温胁迫研究。

鱼腥藻异形胞分化过程中的光合作用规律（Ferimazova, 2014）

4. Specim高光谱成像技术，推荐IQ高光谱成像仪，一体式设计，内置自动推扫、数据采集处理、操作系统、触摸屏及操作键、GPS等，机身小巧轻便，只有1.3kg，实现轻松手持操作或固定操作，波段范围400-1000nm，7nm光谱分辨率，204个波段，图像分辨率512x512像素，视野31度，物距15cm至无穷远，1m视野55x55cm。可选配其它扫描式高光谱成像分析单元（参见下面高光谱成像技术选型参考表）

5. 可同时选配RGB成像分析或多光谱成像分析

6. 配置灵活、使用方便，可选配不同单元组合

海洋绿藻、褐藻和红藻的光谱成像分析（Ginneken V，2017）