藻類表現型研究の包括的ソリューション（二）

5. サンゴ共生体の表現型研究

Miguel Costa LealなどはFluorCamクローズドマルチスペクトル蛍光イメージングシステムを利用して、サンゴ共生体の光合成能力と生態変化に対して研究を行った。FluorCamクローズドマルチスペクトル蛍光イメージングシステムはクロロフィル蛍光イメージング測定のほか、植生正規化指数NDVIイメージングと緑色蛍光蛋白GFPイメージング（他の蛍光蛋白質も測定可能）を行うことができる。本研究では、NDVIイメージングはその葉緑素の分布と濃度変化を反映し、GFPイメージングはGFP類似蛋白質を含む刺胞動物組織を示し、葉緑素蛍光イメージングはサンゴの光合成能力を示した。同時マルチスペクトル蛍光はまた、YFP、BFP、RFPなどの二次代謝群と病害表現型研究及びその他の蛍光蛋白イメージングを行うことができる。

そのため、FluorCamマルチスペクトル蛍光イメージングシステム1台だけでかなり全面的な藻類表現型の研究を完成することができる：光合成表現型、NDVI反射スペクトル指数、蛍光蛋白、二次代謝レベルと分布。

左：サンゴ収縮−膨張の異なる相NDVIマルチスペクトルイメージングとGFP緑色蛍光蛋白イメージング分析、右;サンゴ表面及び垂直断面サンプルの弱い光及び強い光適応条件下でのRGBイメージング、クロロフィル蛍光イメージング及びNDVIマルチスペクトルイメージング分析

本研究でカスタマイズされたFluorCamクローズドマルチスペクトル蛍光イメージングシステムの構造概略図

参考文献：Leal M C,et al.2015. Concurrent imaging of chlorophyllfluorescence, Chlorophyll a contentand greenfluorescent proteins-like proteinsof symbiotic cnidarians. Marine Ecology, DOI: 10.1111/maec.12164

6. 生物浸食の防除に関する研究

大理石の彫像には緑や黒灰色の生物膜が覆われていることが多い。この生体膜は藍藻、藻類と真菌の混合体であり、大理石を徐々に侵食していく。屋外の大理石彫刻像を保護するために、欧州の関連科学研究機関は多くの関連研究を行っている。バイオフィルムの活性及び洗浄後の効果を評価するために、クロロフィル蛍光イメージング技術は最も便利で直接的な技術であることは間違いない。イタリアのフロレンサ応用物理研究所のマルタ・マスカルチ氏はレーザーを用いて大理石上の生物膜を除去した。FluorCamポータブル蛍光イメージャは、パージ効果を検出し、レーザーパラメータを最適化するための最も強力なデータを提供します。

左：クロロフィル蛍光イメージング図による処理効果の検証、右：作業中のFluorCamポータブル蛍光イメージャ

参考文献：Mascalchi M,et al.2018. Laser removal of biofilm from Carrara marble using 532 nm: The first validation study. Measurement 130: 255-263

7. バイオマス開発

藻類産油のバイオエネルギー開発を行うには、まず高いバイオマスを獲得した優良藻種である。非光化学クエンチNPQは、藻類光合成システムが利用されずに熱的に散逸されたエネルギーを表す。NPQを小さくすれば、その生物量を高めることができるに違いない。本研究ではFluorCam葉緑素蛍光イメージングシステムを用いて2種類のNPQが減少した藻類突然変異株をスクリーニングし、同時にMC 1000 8チャンネル藻類培養モニタリングシステムを通じてその最適な培養条件を探索した。MC 1000 8チャネル藻類培養モニタリングシステムはFMT 150藻類培養とオンラインモニタリングシステムの簡略化版と考えられ、光照射、温度と光暗周期を動的に調節し、ODを測定することによって藻類の成長動態をモニタリングすることができ、藻類の多繰り返し急速培養に非常に適している。

左：クロレラ野生型と2種類の突然変異株のNPQ曲線、異なる培養条件及びその成長曲線、右：MC 1000 8チャネル藻類培養モニタリングシステム

参考文献：Berteotti S,et al.2016. Increased biomass productivity in green algae by tuning non-photochemical quenching. Scientific Reports 6, 21339

8. 海洋生物表現型グループ学光学イメージング解析システム

2019年、中国海洋大学は国内初の海洋生物表現型グループ学光学イメージング分析システムを装備し、このシステムは以下のサブシステムを含む：

lFKMマルチスペクトル蛍光動的顕微イメージングシステム

lFluorCamマルチスペクトル蛍光イメージングシステム

lFluorCamクロロフィル蛍光イメージングシステム

lSpecim IQこうスペクトルイメージャ

lMC1000 8チャネル藻類培養モニタリングシステム

海洋生物表現型グループ学的光学画像解析システムの各サブシステム

FluorCamマルチスペクトル蛍光イメージングシステムはFluorCam葉緑素蛍光イメージング技術の高級拡張製品であり、葉緑素蛍光動態イメージング分析に用いることができ、また、植物葉の励起に対する長帯域UV紫外光のMCFマルチスペクトル蛍光イメージング測定分析に用いることができ、また、緑色蛍光蛋白GFPなどの定常状態蛍光のイメージング測定に配合することができる。FluorCamは藻類光合成機能遺伝子、逆境ストレス、藻類生態、経済藻類育種及び生物エネルギー開発などの研究に広く応用されている。その中で、MCFマルチスペクトル蛍光は特に病害による二次代謝群の全体分析及び藻類防御メカニズムの研究に適している。

左：動作中のFluorCamマルチスペクトル蛍光イメージングシステム、右：海苔感染病害のMCFマルチスペクトル蛍光イメージング分析

FKM（Fluorescence Kinetic Microscope）マルチスペクトル蛍光動的顕微イメージングシステムは現在最も強力で全面的な植物顕微蛍光研究機器であり、FluorCam葉緑素蛍光イメージング技術に基づく顕微イメージングカスタムシステムである。FKMは蛍光イメージング技術を光合成メカニズムの研究の探針にし、科学研究者に藻類と高等植物細胞と亜細胞のレベルで光合成プロセスとその過程で発生した各種の変化を深く理解させ、葉緑体中の光合成システムの作業メカニズムを直接研究するために最も有力なツールを提供した。FKMは藻類/植物表現型と遺伝子型顕微鏡研究の二重利器として、学界の広範な認可を得て大量の科学研究成果を得た。FKMとFluorCamマルチスペクトル蛍光イメージングシステムの組み合わせは、病害などのストレス要因が藻類のマクロとミクロの2段階に与える影響を全面的に反映することができる。

海苔病害感染後のクロロフィル蛍光顕微鏡画像：左：最大蛍光Fm、中：最大光化学効率Fv/Fm、1は病害の最初の感染領域、2は病害の拡散領域、3は未感染領域、右：作業中のFKMシステム

Specim IQ高スペクトルイメージャは完全で、携帯性があり、手持ち式の高スペクトルカメラであり、高スペクトルデータ収集、分析処理、結果可視化などの機能特徴を一体化している。必要なコンポーネントはすべてコンパクトで軽量なボディに統合されており、IPレベルの保護と全自動運転を備えており、システムには充電可能なバッテリと交換可能な標準メモリカードが付属しています。測定した高スペクトルイメージング図は、藻類色素成分の変化、光照射適応、ストレス中後期の色素分解、細胞構造の損傷などをさらに説明することができる。

左：Specim IQ高分光イメージャ、右：異なる藻類の高スペクトルイメージング解析

中国海洋大学はこのシステムを通じて、逆境ストレス下における異なる遺伝子型藻類の表現型分析研究を広く展開し、それによって藻類の抗逆適応のメカニズムを明らかにし、優れた経済藻種の開発に理論的根拠を提供することを望んでいる。現在、初歩的な研究成果が得られている。

中国海洋大学ではFluorCamを使用マルチスペクトル蛍光イメージングシステムによる縞海苔の研究Pyropia yezoensis赤腐病感染後の二次代謝応答（Tang L，2019）

参考文献：Tang L,et al.2019. Transcriptomic Insights into Innate Immunity Responding to Red Rot Disease in Red AlgaPyropia yezoensis. Int. J. Mol. Sci. 20: 5970

9. AlgaTech藻類高スループット表現型解析プラットフォーム

AlgaTech顧客カスタム藻類高スループット表現型分析プラットフォームはサンプル自動転送システム、スペクトルイメージングステーションと分析ソフトウェアから構成され、オプションでマルチスペクトルイメージング、高スペクトルイメージング、クロロフィル蛍光イメージング、マルチスペクトル蛍光イメージングなどのイメージングステーションを配置することができ、各ステーションは単独で運行することができ、藻類光合成、pHと温度を同時に監視することができ、また異なるタイプの藻類培養とオンライン分析システムを選択することができる。