Soluzione completa per la ricerca sul fenotipo algale

Alghe sono un termine generale per una serie di organismi acquatici come cianobatteri, diatomi, dinoflagellati, alghe verdi, alghe brune e alghe rosse. Esistono varie forme di microalghe, che vanno da microalghe monocellulari di dimensioni micrometriche a grandi alghe brune che possono crescere fino a diversi metri o addirittura decine di metri di lunghezza. Le alghe, in quanto i principali produttori primari di corpi idrici, svolgono un ruolo estremamente importante nella stabilità dell'intero ecosistema e persino della sfera terrestre. Alghe modello come Chlamydomonas reinhardtii e cianobatteri forniscono materiali eccellenti per la ricerca su geni funzionali, evoluzione biologica, fotosintesi e altro ancora. Nel frattempo, molte alghe economiche svolgono un ruolo importante anche in settori come l'alimentazione, la medicina e l'energia. Fenomeni ecologici nocivi come la fioritura delle alghe e le maree rosse sono anche causati dalle alghe. Pertanto, lo studio delle alghe è sempre stato un hotspot molto importante in biologia ed ecologia

Attualmente, uno degli hotspot di ricerca più accattivanti nel campo delle scienze della vita - la ricerca sul fenotipo omica, si concentra principalmente sul campo delle piante/colture. Nel campo delle alghe, la ricerca sul fenotipo omica è appena iniziata, ma la velocità di sviluppo è estremamente rapida. Da un lato, la genomica algale è un complemento e convalida della genomica algale, spiegando i ruoli complessi e i processi intermedi del genoma e dei fattori ambientali nei fenotipi vegetali; D'altra parte, può essere utilizzato per la ricerca fisiologica della resistenza allo stress e l'allevamento genetico di alghe economiche, analizzando in modo completo fenotipi algali e ottenendo migliori specie di alghe economiche; Può anche essere usato per studiare il meccanismo di occorrenza di fioriture algali e maree rosse.

L'omica del fenotipo delle alghe richiede un'analisi completa delle caratteristiche fenotipiche delle alghe, in particolare la misurazione e l'analisi della fisiologia fotosintetica, morfologia, colore, composizione e distribuzione dei pigmenti, contributi fotosintetici di diversi pigmenti, fisiologia dello stress, ecc., al fine di digitalizzare fenotipi algali, visualizzare ecologia fisiologica e funzioni. Ciò richiede soluzioni tecniche specificamente progettate per fenotipi algali.

Gli strumenti elencati nel piano possono essere combinati in modo flessibile in base alle specifiche esigenze di ricerca e tutti gli strumenti godono di un elevato riconoscimento internazionale. Di seguito sono riportati alcuni casi applicativi di soluzioni di sistema.

1. Approfondimento sul meccanismo di fotosintesi nelle alghe blu-verdi

Il ricercatore Wang Qiang dell'Istituto di Idrobiologia, Accademia Cinese delle Scienze, ha studiato l'effetto dello stress nitrito sulle alghe blu-verdiSynechocystisIl meccanismo di stress di sp. PCC 6803 photosystem II, utilizzandoAquaPenStrumento di misura portatile della fluorescenza delle algheFL3500L'analizzatore di fluorescenza della clorofilla (modelli prima di FL6000) e il sistema di termoluminescenza della clorofilla TL sono stati utilizzati per misurare e analizzare rispettivamente l'efficienza fotochimica massima di Fv/Fm, la curva cinetica di fluorescenza rapida OJIP, la curva cinetica di ri ossidazione QA, la misura dello stato S e la curva di termoluminescenza TL. Lo studio dimostra infine che lo stress nitrito colpisce per primoSynechocystisSp. lato del recettore del fotosistema II del PCC 6803 (Zhan X, 2017)

Sinistra: campione sperimentale; Al centro:Fv/FmDestra: curva cinetica a fluorescenza rapida OJIP

Sinistra: curva cinetica di reossigenazione QA; Media: Misura dello stato S: Destra: curva di termoluminescenza TL

Sinistra: AquaPen strumento di misura portatile della fluorescenza delle alghe; Cinese: analizzatore di fluorescenza della clorofilla a doppia modulazione FL3500; Destra: TL Clorofill Thermoluminescence System

riferimento: Zhang X, Ma F, Zhu X, Zhu J, Rong J, Zhan J, Chen H, He C, Wang Q. 2017. The acceptor side of photosystem II is the initial target of nitrite stress in Synechocystis sp. strain PCC 6803. Appl Environ Microbiol 83:e02952-16

2. Analisi multi omica degli eventi molecolari in Chlamydomonas reinhardtii

Chlamydomonas reinhardtiiChlamydomonas reinhardtiiIl metabolismo ha una buona adattabilità ai cambiamenti ambientali. Daniela Strenkert dell'Università della California ha tentato di simulare un ciclo scuro chiaro e studiare i cambiamenti transcriptomi e proteomici di Chlamydomonas reinhardtii durante quel giorno. Questo studio richiede innanzitutto la capacità di simulare con precisione un ambiente di coltivazione che cambia dinamicamente, monitorando anche l'ambiente di coltivazione pertinente, la densità delle alghe, la fisiologia e altri fattori. Questo può fornire i campioni più accurati per la successiva analisi omica. Attualmente, l'unico strumento di monitoraggio della coltivazione delle alghe in grado di soddisfare questo requisito è il sistema FMT150 di coltivazione delle alghe e monitoraggio online. Le condizioni di coltivazione sono fissate come segue:

nColtivazione simultanea di più macchine FMT150

n200 μELuce rossa/blu, alternanza notturna di 12 ore al giorno, simulando alba e tramonto

n28 ℃ durante il giorno e 18 ℃ di notte

nVelocità di ventilazione 0,2 L/min

nMonitoraggio in tempo reale di temperatura, OD680 e pH

Pre coltura con torbidità costante per 5 giorni, controllo OD680 a 0,4

A sinistra: diagramma schematico A.FMT150, B-D. Monitoraggio in tempo reale della temperatura, OD680 e pH durante il processo di coltivazione; A destra:Variazione dinamica della massima efficienza fotochimica Fv/Fm con diverse intensità di luce

L'analisi della fluorescenza clorofillica è una parte indispensabile della ricerca sulla fisiologia fotosintetica e sul fenotipo omica. Pertanto, questo studio ha utilizzato contemporaneamenteFluorCamMisurazione dei cambiamenti dinamici nell'efficienza fotochimica massima Fv/Fm di Chlamydomonas reinhardtii in diverse intensità luminose utilizzando un sistema di imaging a fluorescenza chiuso, riflettendo l'effetto dell'intensità luminosa su Chlamydomonas reinhardtii e conducendo analisi di correlazione con dati proteomici e trascrittomi

Sinistra:FMT150coltivazione di alghe e sistema di monitoraggio online; Destra: FluorCam Closed Clorofill Fluorescence Imaging System

riferimento: Strenkert D,et al.2019, Multiomics resolution of molecular events during a day in the life ofChlamydomonas. PNAS 116 (6): 2374-2383

3. Monitoraggio della risposta climatica di alghe e licheni antartici

2006La Repubblica Ceca costruì la stazione Johann Gregor Mendel sull'isola James Ross in Antartide. Ricercatori dell'Università Masaryk, nella Repubblica Ceca, hanno studiato la risposta delle alghe locali e dei licheni all'aumento delle temperature in Antartide dal 2007, al fine di valutare l'impatto degli effetti serra sull'ecosistema antartico. All'epoca, utilizzavano lo strumento di misura portatile della fluorescenza della clorofilla della serie AquaPen/FluorPen specificamente progettato per migliorare l'adattabilità polare per rilevare la fisiologia fotosintetica e lo stato di crescita di alghe e licheni. L'AquaPen/FluorPen può essere azionato manualmente e ha anche la funzione di monitoraggio senza equipaggio della fluorescenza clorofillica, performante bene nell'ambiente duro dell'Antartide.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno iniziato a utilizzare dispositivi automatici di monitoraggio della fluorescenza della clorofilla Monitoring Pen specificamente progettati per gli esperimenti di monitoraggio. La Monitoring Pen può funzionare automaticamente per 2 anni in condizioni ideali, dotata di due versioni: versione potenziata a terra e versione potenziata subacquea.

Sinistra: AquaPen/FluorPen utilizzato dalla stazione Johann Gregor Mendel dal 2007 al 2009; Destra: Penna di monitoraggio utilizzata negli ultimi anni

Sinistra: Monitoring Pen Land Enhanced Edition; A destra: Monitoring Pen Underwater Enhanced Edition

Riferimento: Bart á k M,et al.2009, Long-term study on vegetation responses to manipulated warming using open top chambers installed in three contrasting Antarctic habitats. Structure and function of antarctic terrestrial ecosystems, Masaryk University

4. Meccanismo molecolare di risposta ad alto stress luminoso in Chlamydomonas reinhardtii

Tutti gli organismi fotosintetici devono affrontare un'eccessiva esposizione alla luce per evitare lo stress ossidativo fotosintetico. Per le piante e le alghe verdi, il meccanismo di risposta più veloce all'alta luce è l'estinzione non fotochimica (NPQ) del fotosistema II. Questo processo permette al fotosistema II di dissipare in modo sicuro l'energia in eccesso sotto forma di calore. La proteina PsbS è un sensore importante in questo processo.

Determinare la presenza della proteina PsbS in Chlamydomonas reinhardtiiChlamydomonas reinhardtiiIl ruolo dell'NPQ e della fotoprotezione nella coltivazione di alghe o Arabidopsis thaliana da Tibiletti T et al. dell'Università di Aix MarsigliapsbSIl ceppo transgenico del gene cloroplast. L'analisi di imaging NPQ utilizzando il sistema di imaging a fluorescenza clorofillica aperto FluorCam ha infine mostrato che entrambe le proteine PsbS possono migliorare il tipo selvaggio e il tipo selvaggio di Chlamydomonas reinhardtiinpq4NPQ del ceppo mutante, ma non è stata osservata alcuna chiara attività fotoprotettiva attraverso la misurazione di Fv/Fm.

Sinistra: immagine di imaging NPQ; Media: Cambiamenti dinamici in NPQ durante i cicli scuri chiari; Destra: Analisi dei dati Fv/Fm

Allo stesso tempo, hanno anche utilizzato due schede luminose LED bianche per simulare uno sforzo luminoso sostenuto elevato (1200 µ mol m-2 s-1); Il sistema di sorgenti luminose fytoled è stato utilizzato per simulare condizioni di illuminazione fluttuanti (3 minuti 1200 µ mol m-2 s-1+3 minuti 45 µ mol m-2 s-1) per esperimenti di velocità di crescita; Il sistema FluorCam è dotato di una scheda luminosa LED blu per simulare condizioni di illuminazione fluttuanti (3 minuti 1200 µ mol m-2 s-1+3 minuti 20 µ mol m-2 s-1) per l'analisi Fv/Fm. Queste schede di sorgente luminosa LED in realtà provengono dalla stessa fonte di tecnologia, vale a dire la scheda di sorgente luminosa SL3500 LED PSI. Lo sviluppo di questa sorgente luminosa LED è finalizzato a fornire un'illuminazione ad alta intensità, alta uniformità e elevata purezza per il sistema FluorCam per misurare l'imaging a fluorescenza clorofillica, mentre è dotato anche di funzione di controllo automatico di livello microsecondo. Il sistema di coltivazione sviluppato sulla base di questa sorgente luminosa LED possiede naturalmente elevate prestazioni che altri sistemi di coltivazione non possono raggiungere. Molti ricercatori in Europa e America utilizzano questa sorgente luminosa per costruire i propri sistemi di coltivazione progettati. Ad esempio, nell'articolo "I tassi di recupero riflettono la distanza da un punto di ribaltamento in un sistema vivente" pubblicato su Nature nel 2012, l'autore ha utilizzato la sorgente luminosa SL3500 per costruire un sistema di coltivazione delle alghe auto-progettato.

Sinistra: FluorCam Open Clorofyll Fluorescence Imaging System; Cinese: scheda sorgente luminosa SL3500 LED; A destra: AlgaeTron/Fytoscope Algae/Plant Incubator

riferimento: Tibiletti T,et al. 2016. Chlamydomonas reinhardtiiPsbS protein is functional and accumulates rapidly and transiently under high light. Plant Physiology, 171(4): 2717-2730