PlantScreen XYZ三維掃描植物表型成像分析系統(tǒng)應(yīng)用案例：種子活力評估與種苗抗逆研究

PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)基于Sensor-to-Plant運行模式設(shè)計。葉綠素?zé)晒狻?/span>RGB、紅外熱成像、高光譜、激光雷達(dá)等多種表型成像傳感器均安裝在一個掃描成像平臺上。掃描成像平臺通過機(jī)械裝置可以在XYZ三個方向自由移動，根據(jù)下方樣品的位置、高度自動調(diào)整并測量。這一系統(tǒng)的優(yōu)點在于樣品可以種植在樣品盆中，也可直接種在土壤中，還可以進(jìn)行水培。系統(tǒng)的大小可靈活定制，可安裝在溫室中，尤其適于安裝在人工氣候室或大型步入式培養(yǎng)箱中。

PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)已在歐洲、亞洲、澳洲等多國安裝運行并取得了一系列研究成果。本文我們主要通過幾個種子活力評估與種苗抗逆研究的相關(guān)案例，來介紹PlantScreen XYZ系統(tǒng)的功能特點：

案例一、捷克帕拉茨基大學(xué)：利用高通量表型成像系統(tǒng)對擬南芥種子萌發(fā)與種苗活力進(jìn)行高通量連續(xù)檢測

1. 高通量表型種質(zhì)資源活力評估方法的探索

捷克帕拉茨基大學(xué)（Palacky University Olomouc）是較早使用高通量表型成像技術(shù)進(jìn)行種質(zhì)資源活力評估的科研單位之一。研究人員使用一套PlantScreen XYZ三維掃描植物表型成像分析系統(tǒng)在嚴(yán)格控制培養(yǎng)條件的情況下，對多孔板上萌發(fā)的擬南芥幼苗進(jìn)行不同濃度的鹽脅迫處理，同時進(jìn)行連續(xù)RGB成像，考察其在9天生長過程中的形態(tài)變化。

結(jié)果表明，擬南芥種苗面積增長和相對生長率（RGR）隨鹽濃度升高而下降，同時發(fā)現(xiàn)顯著的營養(yǎng)條件與鹽脅迫交互作用。高濃度鹽脅迫下，擬南芥種苗出現(xiàn)明顯黃化與死亡。而高營養(yǎng)水平可能會加重鹽離子毒害效應(yīng)。

這一高通量種質(zhì)活力檢測方法的優(yōu)勢在于：通量高，單次運行可測上萬株樣品；速度快、時間分辨率高，可做到 2 小時級監(jiān)測；重復(fù)性好，幼苗生長同步化、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化，多重復(fù)間差異極小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；RGB成像不損傷植株，可長期跟蹤同一批個體，能夠與高光譜、葉綠素?zé)晒獾绕渌硇统上駛鞲衅髀?lián)用。

2. 利用高通量表型評估方法評估生物刺激素對種子萌發(fā)、種苗生長與抗逆的作用

在后續(xù)的研究中，帕拉茨基大學(xué)又進(jìn)一步研究了多胺、氨基酸、蛋白水解物等生物刺激素對擬南芥種子進(jìn)行預(yù)處理，是否能提高種子萌發(fā)率與鹽脅迫抗性。除了利用RGB成像分析形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，研究人員還利用反射光譜原理計算了歸一化綠紅差值指數(shù)NGRDI、綠色指數(shù)GLI、可見光大氣阻抗植被指數(shù)VARI等植被指數(shù)，用于考察擬南芥的營養(yǎng)狀況和脅迫耐受性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些生物刺激素對擬南芥種子活力與鹽脅迫抗性的影響不一。既是強(qiáng)促生長劑，又是有效脅迫緩解劑。其他生物刺激素，有的只有在特定濃度才能發(fā)揮效應(yīng)，有的則僅能促進(jìn)生長。

這一研究證明了PlantScreen XYZ三維掃描植物表型成像分析系統(tǒng)在篩選農(nóng)藥有效性上的靈敏性與可靠性，也為進(jìn)一步的農(nóng)藥機(jī)理及葉綠素?zé)晒狻⒏吖庾V等植物表型響應(yīng)研究進(jìn)行了前期開拓。

參考文獻(xiàn)：

1. De Diego N, Fürst T, Humplík JF, Ugena L, Podle?áková K and Spíchal L (2017) An Automated Method for High-Throughput Screening of Arabidopsis Rosette Growth in Multi-Well Plates and Its Validation in Stress Conditions. Front. Plant Sci. 8:1702

2. Ugena L, Hylová A, Podle?áková K, Humplík JF, Dole?al K, De Diego N and Spíchal L (2018) Characterization of Biostimulant Mode of Action Using Novel Multi-Trait High-Throughput Screening of Arabidopsis Germination and Rosette Growth. Front. Plant Sci. 9:1327.

3. Sorrentino M, De Diego N, Ugena L, Spíchal L, Lucini L, Miras-Moreno B, Zhang L, Rouphael Y, Colla G and Panzarová K (2021) Seed Priming With Protein Hydrolysates Improves Arabidopsis Growth and Stress Tolerance to Abiotic Stresses. Front. Plant Sci. 12:626301.

案例二、荷蘭植物生態(tài)表型中心NPEC——番茄在波動光及低溫條件下光合作用響應(yīng)的自然表型變異

荷蘭植物生態(tài)表型中心（Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre，NPEC）由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)（Wageningen University & Research, WUR）與烏得勒支大學(xué)（Utrecht University） 共同合作建設(shè)和運營。其裝備了多套不同型號的PlantScreen植物表型成像系統(tǒng)與FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)，其中包含3套安裝在FytoScope大型步入式水培植物生長室中的PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)。

在NPEC最新的研究成果中，研究人員旨在探究如何通過挖掘光合作用相關(guān)性狀的自然遺傳變異，來培育適應(yīng)氣候變化的作物。他們使用了番茄MAGIC群體的四個親本系：Nagcarlan（P1，耐熱）、North Carolina heatset-1（P2，中等耐熱）、Delfo parent 1（P3）和 Delfo parent 2（P4），以及對照品種 Moneymaker（MM）。在PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)配套的生長室中模擬低溫環(huán)境與波動光照條件（階梯式從200升至600 μmol m?2 s?1和階梯式從400降至200 μmol m?2 s?1），同時系統(tǒng)中的FluorCam調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上駟卧詣訖z測樣品的最大光化學(xué)效率Fv/Fm、實際光化學(xué)量子效率ΦPSII、波動光照下的響應(yīng)動力學(xué)等葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)。

結(jié)果表明Fv/Fm和ΦPSII在低溫下均有所下降，但在溫度恢復(fù)后能回到處理前水平，表明低溫造成的影響是生理性的、可逆的。而各基因型光合作用對光強(qiáng)增減的響應(yīng)并不相同，這表明控制光合作用在光強(qiáng)增加和減少時瞬變響應(yīng)的生理因素是不同的。

該研究在番茄MAGIC群體的親本系中，成功鑒定出了在波動光及低溫條件下光合作用響應(yīng)的自然表型變異。這些變異表明，通過遺傳手段改良光合作用對波動光和低溫的響應(yīng)是可行的。在未來的研究中，進(jìn)一步定位控制這些性狀的數(shù)量性狀位點（QTL），將有利等位基因?qū)朐耘嗥贩N，將能培育出光合效率更高、氣候適應(yīng)性更強(qiáng)的作物。

參考文獻(xiàn)：

1. Rayaprolu L, Jayasankar K, Aarts M G M, et al. Photosynthetic variation for climate‐resilient crops: photosynthetic responses to fluctuating light and chilling in tomato[J]. Physiologia Plantarum, 2025, 177(3): e70241.

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