FluorCam葉綠素熒光成像技術在藥用植物研究中的應用

FluorCam葉綠素熒光成像技術是目前最權威、使用最廣、種類最全面、發表論文最多的葉綠素熒光成像技術，廣泛應用于植物和作物的光合生理、表型成像分析、脅迫與抗性檢測、病害檢測研究、遺傳育種、生理生態學、初級代謝與次級代謝研究、污染生態學研究檢測/生物檢測等研究。
 

中國是中草藥的發源地，大約有12000種藥用植物。其中很多藥用植物在世界范圍內有廣泛分布，有些在國外傳統醫學和現代醫學中也有應用。藥用植物同樣是FluorCam葉綠素熒光成像技術的重要研究對象。本文將介紹一些FluorCam葉綠素熒光成像技術的國內外藥用植物研究案例。
 

一、藥用植物光合表型、抗逆及種植技術研究
 

1. 凍害的熱成像和葉綠素熒光成像同步觀測

  奧地利因斯布魯克大學研究了千里光、香樟等的凍害響應。紅外熱成像測量反映了凍害擴散過程中造成葉片溫度變化的過程，而FluorCam葉綠素熒光成像則反映了凍害擴散對光合系統的損害。結果顯示，千里光葉片溫度變化是同步的，但其葉尖的光合系統會先受到傷害。而香樟則觀察到葉片的一種斑駁凍結模式。這反映了這兩個物種對凍害的不同響應方式。
 

參考文獻：Hacker, J., Spindelböck, J. P. & Neuner, G. 2008. Mesophyll freezing and effects of freeze dehydration visualized by simultaneous measurement of IDTA and differential imaging chlorophyll fluorescence. Plant, Cell & Environment 31, 1725 – 1733

2. 鹽脅迫的耐受機制

浙江農科院和浙江大學合作研究秋葵的鹽脅迫耐受機制。葉綠素熒光參數最大光化學效率Fv/Fm作為檢測植物受脅迫程度最靈敏的無損指標之一，已經得到了廣泛的驗證和認可。在這一研究中，Fv/Fm成像圖作為重要的數據，反映鹽脅迫對光系統的損害程度。
 

參考文獻：Yu C, et al. 2019. The Phosphoproteomic Response of Okra (Abelmoschus esculentus L.) Seedlings to Salt Stress. Int. J. Mol. Sci. 20(6): 1262

3. 調控培養光質促進光合和生長
 

韓國國立忠北大學使用紅綠藍（RGB）三色LED光源模擬了三種單色光和不同配比紅藍/紅綠藍混色光的光照培養條件，研究不同培養光質對黃瓜假還陽參生長的影響。FluorCam葉綠素熒光成像分析表明，藍光顯著提高了非光化學淬滅系數NPQ，而紅光和綠光則降低了NPQ。紅綠藍三色光中藍光比例提高會造成NPQ上升，紅光比例提高則會使電子傳遞速率ETR上升。同時，紅綠藍三色光培養時，莖生物量、葉面積等形態學指標要優于單色光和紅藍光。綜合結果，R8G1B1的光照比例被認為是最優的培養光照比例。這為相關的藥用植物大規模人工培養提供了理論依據和培養方案。
 

參考文獻：Park SY, et al. 2020. Manipulating light quality to promote shoot growth and bioactive compound biosynthesis of Crepidiastrum denticulatum (Houtt.) Pak & Kawano cultivated in plant factories. Journal of Applied Research on Medicinal and Aromatic Plants 16: 100237
 

二、藥用植物加工與品質鑒定

1. 最佳干燥溫度的篩選
 

米蘭理工大學研究了牛至葉片在不同溫度下（50°C，55°C，60°C）的通風干燥過程。傳統方法是通過檢測葉片水分含量變化來確定葉片是否達到要求。但僅靠水分含量，是無法確定葉片是否已經真正失活。如果葉片實際還沒有完全失活，那么在儲存和運輸過程中很可能會有有效成分減少、霉變等問題。而通過FluorCam葉綠素熒光技術測量的最大光化學效率Fv/Fm可以非常簡便直觀地反映葉片活性。經過暗適應處理后，生長良好的C3植物葉片Fv/Fm約為0.83-0.84。在受到脅迫后，這一數值會隨著脅迫程度的加劇而線型降低。當Fv/Fm低于0.1時，葉片已經處于完全失活的狀態。通過葉綠素熒光成像圖分析，結合有效活性成分——總多酚量分析，研究得到了最佳的干燥溫度，確定了后續的進一步加工處理方法。
 

參考文獻：Bravin R, 2017, Effect of drying temperature on selected product parameter of oregano and downstream cold atmospheric pressure plasma processing for microbial inactivation, Politecnico Di Milano, Master Thesis

2. 次生代謝總體水平
 

中草藥的有效成分主要來源于植物次生代謝所產生的一系列復雜化合物，比如多酚、黃酮等。要分析這些次生代謝化合物一般都是使用高效液相色譜或是其他化學分析方法。這些分析方法雖然高效準確，但很多時候只能分析一種或者幾種特定化合物，難以衡量植物總體的次生代謝水平。同時由于需要對植物樣品進行破壞性處理，因此無法進行次生代謝的長期動態測量，也不能提供次生代謝在植物不同部位分布的相關信息。
 

而最近幾年逐漸成熟的UV-MCF多光譜熒光成像技術通過檢測UV紫外光激發的植物多光譜熒光（Multi-color Fluorescence，MCF），可以獲得包括苯丙素類：黃酮醇（如楊梅酮-3-O-蕓香糖苷、槲皮素-3-O-半乳糖苷、槲皮素-3-O-葡萄糖苷）、羥基肉桂酸（如咖啡酸）等[Montero, 2016]；植保素、多酚、黃酮類、阿魏酸[Castillo-Lizardo, 2015; Pérez-Bueno, 2016]等一系列次生代謝的總體水平數據。這一技術與葉綠素熒光成像技術結合，已經廣泛應用于脅迫造成的次生代謝響應研究中，如西班牙科學研究委員會研究了煙草在感染細菌性甘薯莖腐病菌后光合能力與次生代謝的變化、中國農科院煙草研究所對煙草干旱抗性的次生代謝研究。
 

而通過藥用植物次生代謝總體水平研究來快速檢測其有效成分的相對含量，無疑是這一技術未來的重要應用方向。目前國際上開展的工作如通過向日葵次生代謝變化檢測列當的早期接種；高光與紫外光培養對積雪草黃酮類化合物含量影響等。在可以預期的未來，這一技術將成為藥用植物研究的重要工具之一。

參考文獻：

lPérez-Bueno M L, et al. 2016. Temporal and Spatial Resolution of Activated Plant Defense Responses in Leaves of Nicotiana benthamiana Infected with Dickeya dadantii. Front Plant Sci. 6: 1209

lKhan R, et al. 2019. Transcriptome Profiling, Biochemical and Physiological Analyses Provide New Insights towards Drought Tolerance in Nicotiana tabacum L. Genes 10: 1041

lOrtiz-Bustos CM, et al. 2016. Fluorescence Imaging in the Red and Far-Red Region during Growth of Sunflower Plantlets. Diagnosis of the Early Infection by the Parasite Orobanche cumana. Front. Plant Sci. 7:884

lMüller V, et al. 2016. Ecologically relevant UV-B dose combined with high PAR intensity distinctly affect plant growth and accumulation of secondary metabolites in leaves of Centella asiatica L. Urban. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 127: 161–169

三、藥用植物提取物開發生物農藥
 

波蘭農業大學嘗試從葛縷子和薄荷中提取香精油來開發生態友好的植物性除草劑。他們將不同濃度的精油乳液施加到玉米和典型的玉米雜草稗子上。通過FluorCam葉綠素熒光成像分析，可以直觀地獲得玉米和稗子光合系統的損傷數據，從而評估精油的除草效果。結果顯示，2.5%濃度的葛縷子香精油效果最好。它可以在對玉米光合能力不造成顯著影響的情況下，明顯地損傷稗子的光合系統，從而達到抑制雜草生長同時不對作物造成傷害的目的。這為生物農藥的進一步開發和商業化推廣提供了理論依據。
 

參考文獻：Synowiec A, et al. 2019. Carum carvi L. essential oil: A promising candidate for botanical herbicide against Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv. in maize cultivation. Industrial Crops & Products 140: 111652
 

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