原文献信息：Oumeng Zhang; Reinaldo E. Alcalde; Haowen Zhou; Siyuan Yin; Dianne K. Newman; Changhuei Yang. Investigating 3D microbial community dynamics of the rhizosphere using quantitative phase and fluorescence microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2024, 121(33): e2403122121.
摘要：
研究结果：
系统原理与操作
CFAST的系统示意图如图1A所示。该系统在传统宽场显微镜中集成了4f系统，用于在物镜的瞳孔处调制光线。系统通过激光平面波同时照亮样品并激发荧光。核心部件是位于4f系统后焦面的旋转盘孔径，阻挡了瞳孔的四分之三。旋转盘在采集荧光和明场图像时会在四个特定方向停下（如图1A）。系统通过相机捕捉荧光和照明光，使用KKSAI方法进行定量相位成像（QPI），并通过干涉获取图像。在实验中，通过成像5微米半径的荧光微球验证了KKSAI的效果，证明可以数字化生成z轴堆叠图像，并确认了盖玻片倾斜约15°。
CFAST系统的3D荧光成像原理类似于多视角反射显微镜和傅里叶光场显微镜。实验和理论的点扩散函数（PSF）表明，在3D荧光成像中，侧向分辨率为0.6 ± 0.1微米，轴向分辨率为1.9 ± 0.1微米，并且在20微米的景深内分辨率稳定。通过激光照明的QPI，景深可大幅提升。
植物根系和根表面细菌的双模态成像
使用CFAST对玉米根系进行了3D成像。对于薄根部分，一次轴向位置成像即可获得完整3D荧光分布，而厚根部分则需四次成像才能获取完整的3D体积重建。此外，CFAST还成功捕捉到了根表面的荧光细菌。
细菌生物膜形成的双模态成像
利用CFAST跟踪了细菌在培养基上的早期生物膜形成过程。实验表明，QPI能够与荧光成像互补，用于观察早期生物膜的发展。此外，我们还研究了不同细菌之间的竞争，发现了菌株间的竞争动态。
基因表达与复杂场成像的结合
最后，使用CFAST同时成像了细菌生长的复杂场和荧光标记的基因表达，探讨了磷限制和群体感应对基因表达的影响。
通过以上研究，CFAST展示了其在3D成像和双模态成像中的优势，特别是在提高成像效率、减少光毒性以及提供额外相位信息等方面的潜力。
文中图表：
