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流式细胞仪

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安徽农学通报,Anhui A .Sci.Bul1.2006,12(12):39—41 39 流式细胞仪 赵 泓 刘 凡 (北京市农林科学院蔬菜研究中心,北京100097) 摘要:随着科技水平的不断深入,科研设备的不断更新,国家对科研投入的不断增多,植物检测技术也得到了进一 步的发展。流式细胞仪植物检测技术是近几年在我国刚刚兴起的一项新技术,对许多植物科技工作者来说还比较陌 生。本文用比较通俗的语言介绍了进行流式细胞仪分析所必须的基本概念、发展历史、工作原理、知名品牌、常见型 号及其在植物上的应用。 关键词:流式细胞仪;植物;检测技术 中图分类号C343 文献标识码A 文章编号1007—7731(2006)l2—39一O3 Flow Cytometry Zhao Hong(Beijing Vegetable Research Center,Bering 100089,China) Abstract:With the development of science,with the updating of scientific equipments,and wiht the increasing investment by nation,the plant measurement technologies have been made great progress.Flow cytometry(FCM)is a new technology appeared recently in China.It is still strange to many plant scientiifc researchers.In this article we briefly introduce the bas— ic concept and history of FCM,simply explmn the principle,concretely present three famous companies and their modelTl models,and demonstrate some applications of FCM in plants science. Key words:Flow cytometyr;plant;measurement 1 流式细胞仪的概念及其发展历史 对流式细胞仪及其技术阐述的最为详尽和透彻的中文著 1.1流式细胞仪的基本概念流式细胞仪(flow cytonle- 作。这本书非常详细地介绍了流式细胞术的历史、结构、 try,FCM)是对高速直线流动的细胞或生物微粒进行快速 原理、技术指标等,例举了其在医学和生物工程中的应用, 定量测定和分析的仪器,主要包括样品的液流技术、细胞 非常适合从事此方面专业研究的人。由于这本书是13年 的计数和分选技术,计算机对数据的采集和分析技术等。 前出版的,所以基本上没有涉及植物流式细胞仪检测技 流式细胞仪以流式细胞术为理论基础,是流体力学、激光 术。此外对于只需要对流式细胞仪有些基本认识的人士 技术、电子工程学、分子免疫学、细胞荧光化学和计算机等 来说,这本书太复杂太深奥。谢小梅 主要介绍了流式细 学科知识综合运用的结晶。流式细胞术是一种自动分析 胞仪在生物工程中的应用。杨蕊 概括了流式细胞仪的 和分选细胞或亚细胞的技术。其特点是:测量速度快、被 工作原理,简单提及了流式细胞仪的应用。本文在分析这 测群体大、可进行多参数测量,即对同一个细胞做有关物 三篇论著或文章的优缺点后,用比较通俗的语言介绍了掌 理、生物化学特性的多参数测量,且在统计学上有效 。 握流式细胞仪检测技术必须了解的一些原理,并对目前市 1.2流式细胞仪的发展简史最早的流式细胞仪雏形诞 场上的主流型号进行了客观的性能概括。 生于1934年,Moldavan提出使悬浮的单个血红细胞流过 2流式细胞仪的工作原理和技术指标 玻璃毛细管,在亮视野下用显微镜进行计数,并用光电记 2.1流式细胞仪工作原理 除电源外,流式细胞仪主要 录装置测量的设想。1953年Crosland—Taylor根据牛顿 由四部分组成:流动室和液流系统:激光源和光学系统;光 流体在圆形管中流动规律设计了流动室。其后又经过 电管和检测系统;计算机和分析系统,其中流动室是仪器 Coulter Parker Horst Kamentsky1 Gohde、Fulwyler Herzen— 的核心部件。这四大部件共同完成了信号的产生、转换和 berg等人的不断改进,设计了光电检测设备和细胞分选装 传输的任务。 置、完成了计算机与流式细胞仪的物理连接及多参数数据 2.1.1 信号的产生、转换和传输在压力作用下,鞘液管 的记录和分析、开创了细胞的免疫荧光染色及检测技术、 中的鞘液被持续不断地压入流动室,形成一股稳定地连续 推广流式细胞仪在临床上的应用…。近20年来,随着流 的液流,保证了样本液稳定地处于鞘液液流的轴线上,并 式细胞仪及其检测技术和的13臻完善,人们越来越致力于 以单个细胞形式直线通过激光照射区。激光照射区又称 样品制备、细胞标记、软件开发等方面的工作,以扩大FCM 测量区,是指液流与激光束垂直相交的点。 的应用领域和使用效果。 当细胞携带荧光素标记物通过激光照射区时,产生代 宋平根…的《流式细胞术的原理和应用》是迄今为止 表细胞内部不同物质、不同波长的荧光信号,这些信号以 作者简介:赵泓(1971一),女,北京人。助理研究员,硕士学位,主要从事蔬菜生物技术研究。 收稿日期:2006一lO—l5 维普资讯 http://www.cqvip.com

40 细胞为中心,向空间360。立体角发射,产生散射光和荧光 信号。散射光不依赖任何细胞样品的制备技术,因此被称 为细胞的物理参数或固有参数。散射光又包括前向角散 射和测向角散射。前向角散射与被测细胞直径的平方密 参数直方图。 数据分析的方法大体可分为参数法和非参数法两大 类。当被检测的生物学系统能够用某种数学模型时则多 使用参数方法。非参数分析法不用对显示的图像做任何 假设,也不采用数学模型,分析程序可以很简单.也可能很 切相关,测向角散射光对细胞膜、胞质、核膜的折射率更敏 感,可提供有关细胞内精细结构和颗粒性质的信息。荧光 信号也有二种;一种是细胞自身在激光照射下发出的微弱 复杂。临床医学较常使用非参数分析法。 2.2流式细胞仪性能的技术指标流式细胞仪性能的技 荧光信号,另一种是经过特异荧光素标记后的细胞受激发 照射后得到的荧光信号。在免疫分析中常要同时探测两 术指标主要有荧光分辨率、荧光灵敏度、适用样品浓度、分 选纯度等。荧光分辨率是指分辨两个相邻峰的最小距离, 种以上波长的荧光信号,就采用二向色性反射镜,或二向 色性分光器,来有效地将各种荧光分开。 经荧光染色的细胞受到适合的光激发后产生的荧光 是通过光电转换器转变成电信号而进行测量的。最常用 的光电转换器是光电倍增管(PMT)。从PMT输出的电信 号需要经过放大后才能输入分析仪器。流式细胞仪中一 般备有两类放大器。一类是线性放大器,其输出信号与输 入信号成线性关系。线性放大器适用于在较小范围内变 化的信号以及代表生物学线性过程的信号,如DNA测量 等。另一类是对数放大器,其输出信号和输入信号之间成 常用对数关系。在免疫学测量中常使用对数放大器。 放大后的电信号被传送到计算机,再经模一数转换器 传输到微机处理器形成数据文件,保存在计算机上。保存 在计算机上的数据可在脱机后再进行数据处理和分析。 2.1.2流式细胞仪分选原理并不是所有的流式细胞仪 都具有分选功能。流式细胞仪的分选功能是由细胞分选 器来完成的。由喷嘴射出的液流柱在电信号作用下发生 振动,断裂形成均匀的小液滴。根据选定的某个参数由逻 辑电路判明是否将被分选,而后由充电电路对选定细胞液 滴充电,带电液滴携带细胞通过静电场而发生偏转,落入 收集器中。使用不同孔径的喷孔及改变液流速度,可能会 改变分选效果。从参数测定经逻辑选择再到脉冲充电需 要一段延迟时间。精确测定延迟时间是决定分选质量的 关键,可根据具体要求进行适当调整。 2.1.3数据的显示和分析数据处理主要包括数据的显 示和分析。单参数直方图是使用最多的图形显示形式,既 可用于定性分析,又可用于定量分析。单参数直方图是由 x、Y二方向组成的二维平面图。横座标x是所测的荧光 或散射光的强度,用“道数”(Channel No.)来表示。选择 的放大器类型不同,标度不同。纵座标Y通常表示被测细 胞的绝对数目。正常情况下,数据分析得到的图形为具有 一个或若干个峰的曲线图。对曲线图的解释应该具体问 题具体分析。 除直方图外,数据显示方式还包括二维点图、二维等 高图、假三维图和列表模式等。二维点图也是比较常用的 数据显示类型。它显示两个独立参数与细胞相对数之间 的关系,也是二维平面图,横纵坐标可以根据自己选定的 被测参数自行决定,点的位置表明了细胞和颗粒具有的二 个被测参数的数值。二维点图所提供的信息量要大于单 通常用变异系数(CV值)来表示。现在市场上主流型号 出厂时的荧光分辨率应该小于2.O%。荧光灵敏度反映 了仪器探测最小荧光光强的能力。一般用荧光微球上可 测出的FITC的最少分子数来表示。目前仪器均可达到 1000左右。仪器工作时样品浓度一般在105—107细胞/ m1。分析速度/分选速度是指流式细胞仪每秒种可分析或 分选的颗粒数目。一般分析速度为5000—10000,分选速 度控制在1000以下。 流式细胞仪测量的数据是相对值,因此需要在使用前 对系统进行校准或标定。流式细胞仪的校准有二个目的, 即仪器的准直调整和定量标度。通常使用标准微球作为 非生物学标准样品,鸡血红细胞做为生物学标准样品。 3主流流式细胞仪型号及其特性介绍 目前拥有市场较大份额的公司是美国的BD(Becton —Dickinson)公司、Beckman—Coulter公司(原名称Cou1. ter)和德国的Partec公司。 3.1 BD公司流式细胞仪介绍BD公司生产的流式细胞 仪都冠以FACs(fluorescence activated cell sorter),即荧光 激活细胞分选器。其型号种类比较齐全,如早期的FAC. Sort、FACS Canto、FACSean,。现在市场上供应的型号有五 种:FACSCount(小型流式细胞仪)、FACSCAlibur(流式细 胞仪)、FACSAfia(流式细胞分选仪)、FACSVantage SE (多色分析和高速分选流式细胞仪)、LSRII(数字化分析 型流式细胞仪)。 FACSCount为精确计数淋巴细胞CD3,CD4,CD8绝 对数而设计的。FACSCalibur是全自动多色流式系统,偏 重于临床,其整体设计帮助临床医生快速实现常规免疫表 型、CD4T细胞计数、DNA、网织红细胞、血小板等临床分 析,兼具分选功能。配备有二根激光管,可同时检测4个 荧光参数。可识别粘联细胞。 BD FACSAfia流式细胞分选仪为台式高速细胞分选 仪,获取速度达70,000细胞/s,分析速度达50,000细 s。使用石英杯流动检测池固定光路校准技术。使用三种 激光,多色分析,分析参数可达15色。两管或四管分选, 可以使用多种规格的收集管。液流监测系统白动监测液 流断点,检查堵塞,实现了细胞分选的无人操作。配件BD ACDU装置,可以在微孔板或载波片上定量分选细胞。 FACSVantage SETM是在FACSVantage的细胞分选功能 基础上推出的分选增强型流式细胞仪。六色荧光分析系 维普资讯 http://www.cqvip.com

41 统,点对点分选,配置FACS Diva数字化系统,提供全面的 配套试剂。速度和功能优于FACSVantage。 CyFlow(R)SL配备三种激光管,可应用于诸如人类 健康、微生物学、工业应用、过程控制、生态学等研究。如 HIV扫描中免疫标记细胞计数、食品处理过程中的微生物 计数、细胞凋亡等。它使用l2 V直流电,特别适合边远地 区和发展中国家。 BD LSR II是LSR的数字化升级版,其性能介于 FACSVantage SE和FACS Calibur之间,是专为生命科学研 究设计的台式机。配备固定校准的紫外激光,四种激光立 体空间激发、十色荧光同时分析、电子系统数字化、比较易 学易用。 3.2 Beckman—Coulter公司流式细胞仪介绍 Beckman —国际上2O世纪8O年代开始将流式细胞仪检测应用 到植物的研究中(Galbraith ,1983),众多学者都认为流 式细胞仪是一种准确、快速的检测DNA含量的方法 (Michae|son ,1991)。应用范围主要是利用流式细胞仪 Coulter公司生产的流式细胞仪以Profile(早期,现已停 产)和EPICS系列为代表,近年又推出了Cytomics FC500 研究属内、属间多种植物的DNA含量(Baird ],1994;Ja— 系列。EPICS系列是大型流式细胞仪,目前市场上有XL、 XL—MCL和ALTRA三种型号,其中ALTRA具有分选功 能,适用于免疫学、细胞生理、分子生物学、遗传学、微生物 学、水质分析和植物细胞分析。Cytomics FC500系列流式 细胞仪体积小,可自动进行5种颜色的分析,适用于免疫 学检测,如人类HIV诊断。特别是FC50OMPL的独特设计 可以在同一系统上使用12×75mm的离心管和24或96孑L 的平板。特别适合工作量大的实验室。 这二个公司主要针对医学研究和临床工作进行设计 和生产,其产品可应用于生物医学基础研究以及临床检测 的许多领域,如遗传、肿瘤、血液、免疫等诸多研究中红细 胞、T细胞、淋巴细胞亚群测定、检测早期细胞凋亡、肿瘤 细胞免疫测定等。这二个公司的流式细胞仪价格昂贵,我 国主要购买、使用的单位基本上都是一些医疗机构。 3.3 Partee公司流式细胞仪介绍 与BD和Becman— Coutler公司的产品相比,德国Partee公司生产的流式细胞 仪的共同特点是体积小,造价低,易操作,便于携带,适合 植物学研究,适合边远地区和发展中国家。德国Partec公 司的产品分为三类:CCA家族、PAS家族和CyFlow家族 (Galaxy为早期产品,已停产)。 CCA家族包括细胞计数分析仪CCA和倍性分析仪 PA—I。它是单或双参数的台式小型机,可以进行一些常 规分析,如核DNA测定(检测倍性或细胞周期)、细胞计 数、细胞凋亡。它的特点是体积小,易操作,价格低,检测 范围广,可以检测多种荧光素(如PI、DAPI、Fluorescein)发 出的荧光。PAS家族包括粒子分析系统PAS、粒子分析系 统III(PAS—III)和倍性分析仪PA—II。提供三种激光器 的三种组合,可检测十余种荧光染料。最多可检测和记录 八个独立荧光参数。 倍性分析仪PA能够在2分钟内自动测量植物的倍性 水平,检测异倍体。可以对叶片、幼苗、种子、果皮、根、花 等植物材料进行分析。在大多数植物中,异倍体染色体的 检测分辨率为±1条染色体。PA—I使用HBO一100汞 灯,属于弧光灯,可产生紫外激发光和蓝光。PA—II中增 加了488 am氩离子激光器,能够检测几乎所有的荧光染 料,如DAPI,Hoeehst,PI,EB,MMC,FITC,FDA等。汞 灯发光是电流经过气体时,气体电离产生的。它能提供最 佳的激发波长。 cob[ ,1996;HALL ,2000)和倍性水平(Costich ,1993; Meng[101,2002)、检测体细胞杂种(Pfosser… ,1995;Kel— ler[” ,1996)和游离小孢子培养再生株(Kim¨3 ,2003)的 DNA含量。过去我国应用这一检测技术的植物研究工作 者寥寥无几,且大多是在国外实验室完成的。研究内容包 括植物生理Ⅲ 引、程序性死亡Ⅲ 、倍性鉴定mI2 等。植 物研究中使用的流式细胞仪基本上都是Partec公司的产 品,也有少量是BD公司生产的流式细胞仪。 BD公司的产品主要定位于医学研究与应用,与 Partec产品相比,不太适合从事植物染色体倍性的鉴定。 主要体现在不能提供植物样品制备技术/试剂,数据获取 软件可同时检测到的倍性数目少。鉴于目前我国科研院 所中使用较多的是BD公司生产的流式细胞仪,在下一篇 中将会对利用BD流式细胞仪进行植物倍性检测的技术 和技巧做详细报告。 参考文献 [1]宋平根,李素文.流式细胞术的原理和应用.北京:北京师范大 学出版社,1992,1—51,108—207 [2]谢小梅,许杨.流式细胞术.中国生物工程杂志,2003,23(9): 1o0—104 [3]杨蕊,邹明强.流式细胞术的最新进展.分析测试学报,2004,23 (6);124—128 [4]Galbraith DW,Harkins KR,Maddox JM,Ayres NM,Sharma DP, Fiorozabady E.Rapid flow eytometirc analysis of the cell cycle in in・ tact plnat tissues.Science 1983.220:lO49—1051 [5]Michaelson,M.J.;Price,H.J.;Ellison,J.R;Johnston,J.S Comparison of plant DNA contents determined by Feulgen micmspec‘ tmphotometry and laser flow cytometry.Am—J—Bot.1991,78(2): 183—188 [6]Baird,一w V.;Estager,一A.S.;Wells,一J.K.Estimating nude・ ar DNA content in peach and related diploid species using laser flow cytometry and DNA hybridization.J—Am—Soc—Hortic—Sci. 1994,119(6):1312—1316 [7]Jacob,Y.;Teyssier,C.;Reynders A.S.;Brown,S.C.Use offlow cytometry for the rapid determination of ploidy level in the genus Ro- s Aeta—hortic.1996。(424):273—278 [8]s.E.HALL,W.S.DVORAK,J.S.JOHNSTON。H.J.PRICE and C.c-WILLIAMS Flow Cytometric Analysis of DNA Content for Tropical and Temperate New World Pines.Annals of Botany 2000, 86:1081—1086 [9]Costich,一D.E.;Ortiz,一R.;Meagher,一T.R.;(下转8O页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

8O 0.380591)。显然,高稳系数HSC能较综合体现品种的高 (2)HSC是权衡高产与稳产两方面的统计参数,可综 合体现参试品种高产性与稳产性能,完全可表达X、S、CV 产稳定性,其对品种的评价既全面又准确。 表1 参试品种产量稳定性参数、高稳系数计算结果 标准变异系数高稳系数高稳系 品种 的测度,在小豆新品种高产稳定性评估中具有极高的可靠 性与实用性,故对小豆种质资源的评价利用研究具有重要 差S CV(%)HSC(%)数排序 的现实意义。同时,由-vx ̄照品种标准不能降低,只能通 过提高育成品种的产量或降低产量标准差,来提高品种的 高产稳产性,这与小豆的育种实践相一致,所以应用HSC 发判断小豆新品种的高产稳产性不仅可行,而且简便又准 确。 参考文献 表2参试品种产量的x、s、CV与HSC相关分析 [1]何桂芳.应用HSC法评价蚕豆高产稳产性.杂粮作物.2001,21 (2):28—29 [2]温振民,张永科.用高稳系数法估算玉米杂交种高产稳产性的 3结论与讨论 (1)HSC分析结果表明,B0003236,B1022,龙小豆二 号(CK)高产稳产性较好,可在生产中推广利用。 (上接41页)Bruederle,一L P_;v0rsa,一N.Determination of ploidy level and nuclear DNA content in blueberry by low cytfometry.Theor 探讨[j].作物学报,1994,2o(4):508—512 [3]刘海燕.利用高稳系数法综合分析玉米新品种的研究.玉米科 学,2003,11(1):37—38 (责编:余立华) 中的应用.环境化学。2004,23(5):525—528 [15]叶庆华陈海鹏吴韩志等.用流式细胞仪研究秋茄叶柄薄壁细 胞大小及叶绿素含量与海水盐度的关系.分析仪器,2004, I —appl—genet,1993,86(8):1001—1006 [10]Meng,一R.G.;Finn,一C.Determining ploidy level and nuclear DNA content in Rubus by flow cytometry.J—Am—Soc—Hortic— (3):13—20 SeL 2002,127(5)P.767—775 [16]徐昌杰,陈昆松,Hong Ding等.植物程序性细胞死亡检测技术. 遗传,2004,26(1):127—132 [11]Pfosser。M.;Amon,A.;Lafferty,J+;eta1.Gain or loss of single chromosomes in wheat—-rye addition lines and in 6X titricale detee- [】7]李贽,石荫坪,束怀瑞等.利用流式细胞光度术鉴定苹果倍性的 研究.两北植物学报,1998,l8(4):499—504 [18]刘继红,曾少华,徐春永等.澳洲指橘与粗柠檬体细胞杂种倍性 FCM分析及其花粉活力检测,果树学报,2003,20(4):251— 255 ted byflow cytometry.Plant—breed.1995,114(6):555—557 [12]Keller,E.R.J.;Sehubea,I.;Fuchs,J.;Meister,A.Interspecif- ic crosses of onion with distant Allium species and characterization of the presumed hybrids by me ̄Mls of lfow cytometry,kary ̄ype analysis and genomic in situ hybridization.Theor—appl—genet.1996.92 [19]蔡兴奎,柳俊,谢从华.马铃薯栽培种与野生种叶肉细胞融合及 体细胞杂种鉴定.园艺学报,2004,31(5):623—626 [20]周元昌,S Kennedy,抱子甘蓝花培苗倍性的快速鉴定.福建农 林大学学报,2002,31(1):55—58 (3/4):417—424 [13]Kim,一K.M.;Baenziger,一P.s.;Rybczynski,一J.J.;Arumuga. nathan.一K Characterization of ploidy levels of wheat miemspore— derived plants using laser flow eytometry.In vitro cellular and devel- [21]周伟军,毛碧增,唐桂香,Hagberg 甘蓝型油菜小孢子再生植株 染色体倍数检测研究.中国农业科学,2002,35(6):724—727 opmental biology Plnt.2003,a39(6):663—668 [14]于洋,孔繁翔,钱蕾蕾等.流式细胞术在铜对藻类生态毒理研究 (责编:余立华) (上接8l页)生长发育,提高抗寒性。二可以抑制第一节 间过度伸长,提高抗倒性。 (2)灌水防止早春冻害。由于水的热容量比空气和 赶大蘖,提高分蘖成穗率,减轻冻害的损失。淮北春季多 干旱,如果冻害再遇旱,不仅使受冻麦苗得不到恢复生长, 而且反而恶化,最后导致因旱致死。因此冻害后浇水补肥 尤为重要。 土壤热容量大,因此早春寒潮到来之前灌水能使土层空气 中水汽增多,在发生凝结时,放出潜热,以减少地面温度的 变幅。同时灌水后土壤水分增加,土壤导热能力增强,使 土壤温度增高。 3小麦低温冷害发生特点及预防补救措施 小麦生长进入孕穗阶段,因遭受0℃以上的低温发生 的危害称为低温冷害。其特点是:茎叶部分不受其害,无 (3)烟熏。主要利用草燃烧后烟幕持续使地面温度 升高,一般可以提高叶面温度1—2℃,有减轻霜冻的效 果。其原理是烟雾微粒吸收地面长波辐射,降低地面辐射 冷却,防止土壤和植株大量失热;再者,水汽在烟粒上面凝 结时,放出潜能,也可以提高地温。 (4)施速效性氮肥和浇水。小麦早春冻害后的补救 措施是立即施速效性氮肥和浇水,促进小麦早分蘖,小蘖 异常表现,受害部位多为穗的全部和部分小穗,表现为延 迟抽穗或抽出空颖白穗或麦穗中部分小穗空瘪,仅有部分 结实,严重影响产量。它的防御和补救措施是在低温来临 之前采取灌水和烟熏等办法,可预防和减轻低温冷害的发 生在小麦生长后期,要及时追肥浇水,保证小麦正常灌浆, 提高粒重。 (责编:余立华) 

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