三维原位荧光成像揭示绿藻Ulva fenestrata纤维素与生物聚合物的空间分布与组织架构

本研究通过结合多模态荧光显微镜与光追踪技术（optotracing），首次实现了绿藻Ulva fenestrata原生组织中纤维素（Carbotrace 680标记）与寡/多芳香族化合物（自发荧光）的三维原位空间定位。研究揭示了叶片与假根组织的异质性结构，发现未报道的中间层（假根中占比56%），为藻类生物学及生物材料开发提供了新视角。

　　

在海洋生态系统中，绿藻Ulva fenestrata（曾用名U. lactuca）因其卓越的环境适应能力（如耐盐度变化、潮汐干湿循环）和快速生长特性，成为水产养殖、生物燃料和碳封存领域的新兴资源。然而，其三维组织架构与生物聚合物分布的精确解析长期缺失，制约了对其功能特性和生物材料潜力的深入开发。传统方法如电子显微镜或组分提取会破坏原生结构，而现有研究仅关注提取后的纤维素分析，无法揭示原位空间关系。

瑞典皇家理工学院（KTH）与卡罗林斯卡医学院的研究团队首次将光追踪技术（optotracing）应用于海洋大型藻类，结合多模态荧光显微镜（包括共聚焦成像、光谱扫描和荧光寿命成像FLIM），构建了Ulva叶片与假根组织的三维生物聚合物图谱。研究发现：(1) 叶片外层呈现"三明治"结构，新发现的中间层在假根中厚度占比达56%（叶片仅7%）；(2) 通过Carbotrace 680（Ex. 561 nm/Em. 570-631 nm）标记证实纤维素主要分布于细胞壁；(3) 405 nm激发的自发荧光揭示了寡/多芳香族化合物在支架层中的分布；(4) 假根细胞的光谱异质性提示其机械锚定功能的分子基础。该成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。

关键技术包括：(1) 光追踪技术（Carbotrace 680标记纤维素）；(2) 共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）原位成像；(3) λ扫描（光谱验证：纤维素561/570-631 nm，寡/多芳香族405/408-505 nm，叶绿素639/649-693 nm）；(4) 荧光寿命成像（FLIM）分析；(5) 长期培养的Ulva gametophytes（10年室内培养，10°C，PES培养基，80-100 μmol m^?2 s^?1光照）。

【Algal cultivation and collection】
实验室培养的配子体（>10年）在标准化条件下维持，确保样本一致性。

【In situ 2D map of biopolymers】
共聚焦成像显示叶片中层由两个细胞层构成，Carbotrace 680信号证实纤维素富集于细胞壁，而405 nm通道自发荧光揭示外层存在富含寡/多芳香族化合物的"三明治"结构。

【Discussion】
假根组织中间层的异常厚度（56%）可能与其机械功能相关，光谱差异提示细胞异质性。光追踪技术克服了传统方法无法原位关联化学组分与结构的局限。

【Conclusions】
该研究建立了首个海洋大型藻类原生组织的三维生物聚合物图谱，为藻类功能进化、生物材料设计及生物精炼工艺提供了新工具（如Carbotrace 680在海洋生物的应用）。作者团队（Alina E.M. Schmidt等）指出，该方法可扩展至其他藻类研究，推动多学科交叉创新。

注：研究受瑞典研究委员会（2019–01460、2023–03275）和AIMES中心资助，部分作者持有Carbotrace相关专利（Ebba Biotech AB）。