王 蕾,羅帝洲,鄧紫璇,,莫敏瑩,,張健玲,蘇穎輝,房元杰,張曉愛
(1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因研究中心/廣東省農(nóng)作物種質(zhì)資源保護與利用重點實驗室,廣東 廣州 510640;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院,廣東 廣州 510642;3.江門海關(guān)技術(shù)中心,廣東 江門 529085)
流式細胞術(shù)(Flow cytometry,F(xiàn)CM)是一種單細胞分析技術(shù),基于流式細胞儀通過檢測散射或偶聯(lián)熒光信號快速、準確、客觀、高通量獲得懸浮微粒(通常是細胞、細菌等微小顆粒)一系列重要的生物物理、生物化學(xué)相關(guān)特征參量,并能根據(jù)預(yù)選的參量范圍對細胞、細菌等微小顆粒進行自動分析和對特定群體進行分選。流式細胞術(shù)是20 世紀60 年代后期開始發(fā)展起來的。20 世紀50 年代,光電粒子計數(shù)器被發(fā)明出來;1967年,Kamemtsky 和Melamed 提出細胞分選的方法;兩年后Van Dila Fulwyler 及其同事發(fā)明了第一臺熒光檢測細胞計[1]。從早期使用的顯微鏡技術(shù)、激光共聚焦顯微成像技術(shù),到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的計算機圖像處理與分析系統(tǒng),光學(xué)與電子電路等現(xiàn)代儀器已成為科學(xué)研究中必不可少的重要組成部分。國內(nèi)外專家和學(xué)者在光學(xué)和電子信息技術(shù)研究方面展開了更多的探索,使流式細胞儀的研究開始朝模塊化方向邁進。
流式細胞術(shù)應(yīng)用于許多研究領(lǐng)域,特別是生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。近年來,由于流式細胞儀性能不斷提高、檢測快速以及高質(zhì)量試劑不斷開發(fā),流式細胞術(shù)在農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛。就植物研究而言,由于植物細胞的特殊結(jié)構(gòu)——細胞壁的作用,使流式細胞儀在植物中的應(yīng)用受到限制。但是近年隨著分子生物學(xué)及生物信息學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展,流式細胞學(xué)方法被廣泛應(yīng)用于植物病原菌的分類與定位、基因組測序以及基因表達譜分析等諸多方面,如倍型分析、DNA 含量分析、原生質(zhì)體分選、細胞周期分析、細胞融合產(chǎn)物分選等。就畜牧研究而言,流式細胞儀在疫病檢測、精子分選和性別控制等方面也有廣泛應(yīng)用。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展以及計算機技術(shù)的進步,流式細胞術(shù)已經(jīng)能夠?qū)ι飿悠愤M行快速準確的分析處理,并實現(xiàn)高通量篩選。流式細胞術(shù)雖在微生物研究中應(yīng)用較晚,但是也得到一定程度的發(fā)展,目前已經(jīng)發(fā)展了多種基于流式細胞術(shù)對病原菌進行快速篩查以及分離純化的方法。隨著流式細胞術(shù)越來越完善,在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛和深入,該技術(shù)為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究提供了更強大的技術(shù)手段。
流式細胞術(shù)是在流式細胞儀的基礎(chǔ)上,利用激光作為光源激發(fā)懸浮微細胞、細菌等微小顆粒的熒光分子,產(chǎn)生散射光和熒光信號。這些信號被光電二極管或光電倍增管等檢測器讀取后,聚焦激光和熒光信號的光學(xué)元件陣列與光散射特征相結(jié)合,從而對懸浮液中的細胞或顆粒進行詳細分析[2]。流式細胞術(shù)可以快速測量、存貯、顯示在一定壓力下懸浮于液體中呈分散狀的細胞、細菌等微小顆粒,利用分析細胞或顆粒的光散射特性以及靶向抗體或細胞探針的熒光信號反映細胞或顆粒的特性,并且可以同時測量多個參數(shù),根據(jù)預(yù)先選擇的參數(shù)范圍對特定亞群的細胞進行分類和分選[3]。
流式細胞儀主要由激光源和光學(xué)系統(tǒng)、流動室和液體流動系統(tǒng)、光電管和檢測系統(tǒng)以及計算機和分析系統(tǒng)4 個部件構(gòu)成。流式細胞儀有3 個重要的基本常數(shù),即前向角散射、側(cè)向角散射和其他參數(shù)。其中,前向角散射可用于檢測不同大小的生物細胞和微粒;側(cè)向角散射通常用來反映生物細胞和微粒的表面形態(tài)、分布形態(tài)以及生物細胞內(nèi)顆粒的大小,也可精確地了解生物細胞內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)等參數(shù)[4];其他參數(shù)通常為利用熒光光源的強度來檢測待測物質(zhì)在生物細胞內(nèi)的量和位置等。
1.2.1 分析型流式細胞儀 分析型流式細胞儀只能用于流式分析,細胞通過液體流動系統(tǒng)進行分析,最后進入廢液桶而無法再循環(huán)使用[5-6]。流式細胞儀的檢測和分析能迅速、高通量分析個體細胞中是否有大量的熒光和光散射信號,這些信號與細胞形態(tài)、細胞表面和細胞內(nèi)蛋白的表達、基因表達和細胞生理有關(guān),最終得到樣本群中的細胞理化特性,從而能夠?qū)?fù)雜體系中的樣品進行精確的定量分析和影像分析[7]。
1.2.2 分選型流式細胞儀 分選型流式細胞儀除含有分析型流式細胞儀的系統(tǒng)外,還配備了分選模塊,可同時進行數(shù)據(jù)采集和細胞分類分選。分選型流式細胞儀通過在噴嘴上引入輕微振動,當射流從噴嘴出來時,在射流表面上產(chǎn)生小波,使其在激光交叉點下游破裂成規(guī)則的液滴,從而能夠?qū)颖局械陌邢蚣毎M行分離和回收。分選不會對被處理的微粒造成損害,也不會對細胞的活性和功能產(chǎn)生任何影響,因此可用于后續(xù)的功能性實驗[8-9]。
流式細胞術(shù)在植物研究中最重要的應(yīng)用之一是細胞核DNA 含量的測定,通過分析可以得出目標植物的基因組大小、細胞周期、遺傳倍性水平,以及對目標細胞核進行精準分選等[10-15]。張俊環(huán)等[16]應(yīng)用流式細胞術(shù)對普通杏、遼杏、西伯利亞杏、紫杏和仁用杏5 個種或類型的13 個杏品種資源的基因組大小進行測定,首次揭示了杏屬植物不同種和品種間基因組大小存在差異,為后續(xù)杏基因組大小與其種間分化、表型性狀及植物學(xué)分類研究奠定基礎(chǔ)。李雯雯等[17]利用流式細胞術(shù)鑒定新疆野杏染色體倍性和DNA 含量,所采集的野杏均為二倍體,同時篩選出最適合杏的解離液。流式細胞術(shù)在種質(zhì)資源鑒定中扮演著重要角色[18]。Burson 等[19]利用流式細胞術(shù)測定了568 份黃樟草種質(zhì)資源,研究結(jié)果表明,黃樟草存在多種不同的倍性,明確了不同黃樟草種質(zhì)資源內(nèi)在的差異,也為黃樟草的開發(fā)利用以及種質(zhì)創(chuàng)新提供理論依據(jù)。
植物原生質(zhì)體在很多研究中被認為是完整植物細胞的理想模型,其包含完整的細胞結(jié)構(gòu),可用于研究植物細胞結(jié)構(gòu)、生理功能和次生代謝產(chǎn)物等??蓱?yīng)用流式細胞術(shù)分析和分選目標原生質(zhì)體進行后續(xù)的培養(yǎng),對開展原生質(zhì)體研究相關(guān)工作均具有重要意義。Luria 等[20]使用活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)探針測定擬南芥和番茄成熟花粉的萌發(fā)頻率,發(fā)現(xiàn)高ROS 花粉的萌發(fā)頻率是低ROS 花粉的35 倍,同時證明使用流式細胞術(shù)研究花粉應(yīng)激反應(yīng)期間的代謝變化具有很好的潛力。隨著科研方法和技術(shù)手段的進步,近年來單細胞測序技術(shù)在微生物學(xué)、篩選動物細胞單克隆等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[21]。植物細胞單細胞測序在很大程度上依賴流式細胞儀對樣品進行分離純化得到原生質(zhì)體[22]。為獲得玉米穗的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜,Xu 等[23]應(yīng)用流式細胞儀獲得純化后的玉米穗原生質(zhì)體并進行單細胞測序。Dreissig 等[24]利用流式細胞儀進行單細胞分選研究大麥花粉,評估每條染色體上的重組位點數(shù)量和位置,驗證了細胞學(xué)假設(shè)。
植物在自然界不同生境中需要應(yīng)對各式各樣的環(huán)境脅迫,包括高溫、低溫、土地鹽堿化、干旱、病蟲害和環(huán)境污染等。一般植物可通過自身強大的抗逆能力調(diào)節(jié)基因表達,如合成抗凍蛋白、滲透調(diào)節(jié)蛋白等抗逆蛋白質(zhì)[25]。目前有關(guān)植物內(nèi)在抗逆調(diào)節(jié)的分子機制尚不清晰。利用流式細胞儀在檢測方面的強大功能,選擇合適的熒光染料與抗逆因子或抗病因子相結(jié)合,從而檢測出抗逆基因表達的潛在途徑[26]。同時流式細胞儀也可應(yīng)用于植物病原微生物的檢測,主要是利用特異性抗體識別病原體,通過測定特異的熒光表達量或者代謝產(chǎn)物等評估病原菌的生存能力或活力[27]。
流式細胞術(shù)在動物免疫檢測分析,尤其是免疫細胞表面標志物檢測和細胞因子檢測方面應(yīng)用也很廣泛[28]。楊蕾芳等[29]利用流式細胞術(shù)檢測小鼠感染附紅細胞后細胞因子CD4、IL-17 等的表達變化,結(jié)果表明Th17 細胞在小鼠感染附紅細胞后增多,由此推測此過程中Th17 細胞發(fā)揮一定的免疫調(diào)節(jié)。流式細胞術(shù)也可用于快速分析異質(zhì)細胞群,可以從混合物中識別多個表型亞群,選擇單個細胞,甚至可以分離該細胞用于表征免疫細胞和免疫相關(guān)疾病。有研究者使用流式細胞術(shù)比較荷爾斯泰因奶牛和荷爾斯泰因小牛之間以及荷斯坦奶牛分娩前后的外周血白細胞,發(fā)現(xiàn)與成熟奶牛相比,小牛白細胞的CD3 淋巴細胞、γδ T 細胞、CD8+γδT 細胞和單核細胞的比例更高。相反,奶牛淋巴細胞的CD4 和CD8 T 細胞以及B 細胞的比例高于小牛淋巴細胞,利用該技術(shù)可以更好地了解牛的免疫系統(tǒng)以及影響奶牛免疫的相關(guān)疾病[30]。因此,通過流式細胞術(shù)對動物淋巴細胞各亞群的數(shù)量進行測定,可監(jiān)控動物的免疫狀態(tài)并及時制定預(yù)防機制,避免各種傳染病的傳播。
微量元素是動物必需的營養(yǎng)元素,直接參與機體大量的生理、生化活動,對動物的新陳代謝、生長發(fā)育及生產(chǎn)性能影響較大。研究微量元素對畜禽生產(chǎn)性能的影響,對提高微量元素的利用率、減少排放和控制環(huán)境污染具有重要意義。流式細胞儀對于動物體內(nèi)的微量元素的檢測具有重要作用。彭西等[31]利用流式細胞術(shù)研究日糧中硒對雛雞免疫功能影響的機理發(fā)現(xiàn),日糧硒水平達到5 mg/kg 以上會導(dǎo)致免疫器官細胞分裂增殖能力下降、凋亡細胞增多;外周血T 淋巴細胞增殖能力降低,CD3+、CD3+CD4+和CD3+CD8+T 細胞數(shù)量下降,進而導(dǎo)致免疫器官生長發(fā)育受阻,出現(xiàn)病理損傷,嚴重影響其生長發(fā)育。Wu 等[32]通過流式細胞術(shù)等方法揭示了硒對黃曲霉毒素誘導(dǎo)的肉雞肝臟發(fā)病具有保護作用,并揭示了黃曲霉毒素在細胞和分子水平上誘導(dǎo)細胞凋亡的機制,流式細胞凋亡分析結(jié)果顯示,0.4 mg/kg 硒能改善afb1 誘導(dǎo)的肝臟細胞凋亡。Fasil 等[33]采用流式細胞術(shù)定量測定斑馬魚細胞內(nèi)ROS 的水平,分析探討硒納米顆粒(SeNPs)和氧化鋅納米顆粒(ZnONPs)對斑馬魚體內(nèi)ROS 產(chǎn)生的影響,細胞內(nèi)ROS 流式細胞術(shù)分析顯示,在不同濃度SeNPs+ZnONPs(2 mg/kg)聯(lián)合處理和對照的斑馬魚中,SeNPs+ZnONPs 聯(lián)合給藥比單獨給藥產(chǎn)生的ROS 更少。
流式細胞術(shù)可以用于動物精子質(zhì)量控制和動物性別控制方面的研究。利用流式細胞術(shù)可以對精子類型進行選擇,產(chǎn)生符合期望的性別后代,從而促進畜牧業(yè)發(fā)展。哺乳動物(家畜)中的后代性別主要由父本的X/Y 染色體決定,X 精子的DNA 含量比Y 精子多3.0%~4.5%,據(jù)此可以利用流式細胞術(shù)對哺乳動物的精子進行分離,獲得高純度的X、Y 精子群,從而達到控制動物性別的目的。該方法具有分離速度快、準確性高的特點,克服了傳統(tǒng)方法對精子活力、胚胎和后代發(fā)育造成損傷的缺點[34]。研究表明,利用流式細胞術(shù)分離精子,可以達到8 000 個/s 的分離速度,純度可達到90%左右。目前流式細胞術(shù)已在生產(chǎn)上應(yīng)用于各種哺乳動物的精子分離,包括牛、豬、馬、綿羊、山羊、狗、貓、鹿、麋鹿、海豚、水牛等[35]。該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用對畜牧業(yè)育種具有重要意義。
霉菌毒素對畜牧業(yè)是一種非常嚴重的危害[36-38],一方面帶來巨大的經(jīng)濟損失,另一方面嚴重危害人畜健康。由于流式細胞術(shù)具有快速、準確的特點,已被廣泛應(yīng)用于霉菌毒素檢測及細胞毒性研究中。流式細胞術(shù)可以用于計數(shù)細胞以及檢測細胞增殖情況,通過特定的染料還可以用于監(jiān)測細胞的生理狀態(tài)。目前已研制出多種染色劑來評價細胞功能,比如細胞繁殖能力、代謝活動、膜活動以及膜電位等。隨著DNA 染料的不斷發(fā)展、細胞周期階段標記物的發(fā)現(xiàn)以及新技術(shù)的出現(xiàn),流式細胞術(shù)一直是細胞周期和細胞凋亡研究的首選技術(shù)。因此,可以通過檢測各細胞周期中DNA 含量的改變,得到不同時期細胞的分布比例,從而研究霉菌毒素對細胞增殖和細胞周期的影響[39-40]。Kwon 等[41]利用流式細胞術(shù)分析EGR-1 基因敲除對霉菌毒素誘導(dǎo)細胞凋亡的影響,結(jié)果表明,毒素通過增加氧化應(yīng)激誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子EGR-1 的磷酸化而提高ATF3 的表達,進而導(dǎo)致細胞周期停滯和凋亡蛋白級聯(lián)反應(yīng)的激活。Fraeyman 等[42]利用流式細胞術(shù)對鐮刀菌毒素等進行分析,通過檢測IPEC-J2 細胞活力、凋亡、凋亡/壞死的百分比分布來評估真菌毒素對IPEC-J2 細胞的相對細胞毒性影響。流式細胞術(shù)不僅可以對細胞凋亡進行定性和定量檢測,還能夠根據(jù)細胞DNA 含量變化、線粒體膜電位和通透性的變化以及胞內(nèi)ROS 等指標對細胞進行高通量分選,為霉菌毒素毒性作用分析提供了有力依據(jù)。
流式細胞術(shù)已被用于快速區(qū)分和鑒定微生物細胞、快速評估細胞活力和多種生理特性、分析抗微生物藥物-細胞相互作用、分離高產(chǎn)菌株等,并已成功用于多種病例。對于菌血癥、細菌尿癥等病癥,利用流式細胞術(shù)既能快速發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致感染的微生物,又能根據(jù)細胞計數(shù)特征初步判斷微生物種類。流式細胞術(shù)可以快速采集樣品中細胞群的多種參數(shù),能夠從不同樣品中檢測和分離病原體的抗體和RNA 探針,并從樣品基質(zhì)中回收和區(qū)分細菌,區(qū)分總種群中的活細菌、受損或死亡的細菌細胞。使用特定的熒光染料還可以更深入地了解活細菌細胞的生理狀態(tài)和代謝活動[43]。在厭氧條件下使用流式細胞術(shù)和細胞分選技術(shù),能夠從糞便材料中檢測、分離和培養(yǎng)新的腸道共生菌種菌株。該方法可以快速分析微生物種群,同時可以使用特異性抗體對極度氧敏(Extremely Oxygen Sensitive,EOS)菌進行分類、分離和培養(yǎng)新的普氏菌和細枝桿菌菌株,為培養(yǎng)組學(xué)開辟了新途徑[44]。另外,流式細胞術(shù)可以準確區(qū)分細胞外細菌和細胞內(nèi)細菌,對于闡明病原體觸發(fā)的宿主細胞侵襲的分子機制具有重要意義[45]。流式細胞術(shù)在食源性病原體檢測中的應(yīng)用也很廣泛。Wang 等[46]基于流式細胞術(shù),通過對特異性抗體進行熒光標記可快速和多重檢測牛肉樣品中的食源性病原體如沙門氏菌、大腸桿菌O157 和福氏鏈球菌的單細胞。Liu 等[47]通過高選擇性的熒光標記抗體和碘化丙啶識別活的金黃色葡萄球菌細胞,再通過流式細胞術(shù)進行分析,可以有效監(jiān)測金黃色葡萄球菌污染,可應(yīng)用于快速檢測牛奶和乳制品中的微生物。
病毒可以利用宿主因子進入細胞并引起疾病。研究病毒的入侵和復(fù)制階段以及它們與宿主因素的相互作用是全面了解病毒感染的關(guān)鍵,對病毒性疾病的基礎(chǔ)研究以及抗病毒產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用至關(guān)重要[48]。流式細胞術(shù)可用于分析病毒與細胞之間的相互作用,可以檢測感染細胞內(nèi)和表面的病毒抗原。通過使用特異性識別細胞表面或細胞內(nèi)抗原的單克隆抗體,利用流式細胞術(shù)可以快速檢測并定量受感染細胞,該技術(shù)現(xiàn)已用于診斷一系列病毒,包括導(dǎo)致流感[49]、雞新城疫[50]、非洲豬瘟[51]和牛結(jié)核?。?2]等的病毒。流式細胞術(shù)還可用于記錄受病毒感染植物細胞間層面的感染狀態(tài),能夠精準測量植物細胞被單種病毒或多種病毒感染的情況,以及受多種病毒變體感染的細胞在時空上的分布。Tromas 等[53]利用流式細胞術(shù)分析煙草花葉病毒的細胞感染速率。流式細胞術(shù)已被用于表征細胞群并檢查其內(nèi)部分子和過程,通常用于研究整個感染細胞內(nèi)的病毒標記物。流式細胞術(shù)不僅用于檢測還可用于純化細胞內(nèi)病毒的成熟中間體,這為病毒學(xué)研究衣殼組裝、成熟和釋放、分析突變表型以及確定與特定病毒中間體相關(guān)的宿主因子開辟了新的研究途徑[54]。流式細胞術(shù)還可以應(yīng)用于病毒核酸樣本的測序[55]和病毒滴度的定量檢測[56],在病毒培養(yǎng)過程中監(jiān)測病毒滴度和細胞系的狀態(tài)對于開展疫苗生產(chǎn)及其優(yōu)化非常重要。Schulze-Horsel等[57]認為,流式細胞術(shù)是研究培養(yǎng)條件和工藝變化對病毒復(fù)制和病毒產(chǎn)量影響的有價值的工具,對監(jiān)測生物反應(yīng)器病毒感染以及對于疫苗生產(chǎn)過程中的工藝表征和再現(xiàn)性研究也是靈敏、可靠的方法。
流式細胞術(shù)是目前對單個細胞進行綜合和多重分析最有效可行的技術(shù),具有非常廣泛的應(yīng)用前景。隨著光電技術(shù)的進一步發(fā)展,流式細胞儀已開始向模塊化發(fā)展,即其光學(xué)系統(tǒng)、檢測器單元和電子系統(tǒng)都可以按照實驗要求隨意更換。隨著新型多功能流式細胞儀以及新型特異探針的開發(fā),流式細胞術(shù)的功能也將更強大、數(shù)據(jù)也將更精確;流式細胞術(shù)對小顆粒的檢測能力也越來越強,打破了傳統(tǒng)檢測 0.5~50 μm 的顆粒檢測范圍,目前可以達到0.1 μm 的檢測精度,極大拓寬其應(yīng)用范圍,使其還可應(yīng)用于微囊泡(外泌體)的分析與分選、細菌和微生物研究等方面。目前流式細胞術(shù)在植物研究中的應(yīng)用主要集中在細胞核DNA 含量的測定,在線粒體、葉綠體、花粉等應(yīng)用研究較少。由于植物的細胞結(jié)構(gòu)與組成存在多樣性和復(fù)雜性,很大程度上限制了流式細胞術(shù)在植物研究中的應(yīng)用。如何能夠分離純化出適合流式細胞儀分析和分選的單細胞顆粒懸浮液,是未來植物流式細胞術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵前提。流式細胞儀在動物疫病檢測、精子分選和性別控制等方面已被廣泛應(yīng)用。隨著分子生物學(xué)的進一步發(fā)展以及計算機技術(shù)的進步,流式細胞術(shù)已經(jīng)能夠?qū)ι飿悠愤M行快速準確的分析處理并實現(xiàn)高通量篩選。流式細胞術(shù)雖在微生物研究中開始得比較晚,但目前已經(jīng)發(fā)展了多種對病原菌進行快速篩查以及分離純化的方法,在病毒感染分析與診斷方面,具有特異性好、靈敏度高、操作能實現(xiàn)自動化等優(yōu)點,應(yīng)用前景廣闊。
此外,單細胞測序方法(Single Cell Sequencing,SNS)可以準確定量單個細胞的基因組,能夠避免混合樣本的均質(zhì)化掩蓋單細胞的異質(zhì)性,可以在單細胞水平下深入探索細胞狀態(tài),因此被評為2014 年度 Nature Methods 最重要的方法學(xué)進展。但是單細胞研究有兩大技術(shù)難點,即對單細胞的精準捕獲、對低豐度單細胞核酸高分辨率的測序,而流式細胞術(shù)能夠在短時間內(nèi)分析大量細胞,并且進行單細胞分選,將單個細胞的基因轉(zhuǎn)錄、蛋白表達和細胞功能三者有機結(jié)合,與上下游進行無縫銜接,流式細胞術(shù)已經(jīng)成為單細胞獲取的主流技術(shù),具有成熟的標準操作方案。隨著純化技術(shù)和標記熒光染料的不斷開發(fā)與完善,流式細胞術(shù)結(jié)合單細胞測序技術(shù)必將有廣泛的應(yīng)用前景。綜上所述,流式細胞術(shù)由于其諸多優(yōu)勢,其應(yīng)用前景將越來越廣闊,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中也會發(fā)揮越來越重要的作用。