高通量植物表型成像技術(shù)用于藥用植物脅迫應(yīng)答與優(yōu)化栽培條件

藥用植物，是指醫(yī)學(xué)上用于防病、治病的植物。其植株的全部或一部分供藥用或作為制藥工業(yè)的原料。藥用植物除了在中醫(yī)藥中有廣泛應(yīng)用，在歐美、南亞、東南亞的傳統(tǒng)醫(yī)藥以及現(xiàn)代醫(yī)藥中也有廣泛而重要的用途。

目前最新的藥用植物研究利用最新的表型成像技術(shù)取得了大量的成果。相關(guān)研究主要有兩個(gè)方向：

1. 著重于藥用植物的“植物"屬性，研究其光合能力、逆境響應(yīng)、生理生態(tài)等

2. 利用先進(jìn)的表型成像技術(shù)，對(duì)藥用植物的生長狀況、有效成分等進(jìn)行連續(xù)無損檢測，用于開發(fā)選育更優(yōu)良的天然藥物或優(yōu)化其培養(yǎng)條件。

在藥用植物表型研究中，植物表型相關(guān)研究技術(shù)請(qǐng)見下表：

在藥用植物表型研究中，國內(nèi)外研究者利用易科泰及合作廠家提供的植物表型成像技術(shù)已經(jīng)取得了大量研究成果，下面我們介紹其中的部分重要成果：

案例一、積雪草不同灌溉體系下的表型應(yīng)答變化

        積雪草（Centella asiatica (L.) Urban）具有清熱利濕、活血止血、解毒消腫的功效，主治發(fā)熱，咳喘，咽喉腫痛，腸炎，痢疾等，是亞洲地區(qū)廣泛使用的一種傳統(tǒng)藥用植物，在現(xiàn)代醫(yī)藥和化妝品行業(yè)中也有應(yīng)用。

泰國科技發(fā)展署研究了積雪草在不同灌溉體系下的表型應(yīng)答變化，目標(biāo)是獲得最適宜的灌溉方法以用于培育生產(chǎn)。研究人員利用PlantScreen高通量表型成像分析系統(tǒng)模擬了4種不同的灌溉方法（100%、75%、50%、25%田間持水量，分別標(biāo)為I100、I75、I50、I25），在培養(yǎng)過程中同步進(jìn)行了RGB形態(tài)成像、葉綠素?zé)晒獬上瘛⒓t外熱成像等表型成像分析。

結(jié)果表明在I75灌溉植株中，葉片數(shù)量、植株周長、植株體積和干重保持不變，而當(dāng)植株接受I25灌溉21天時(shí)，其形態(tài)生長參數(shù)受到嚴(yán)重影響。與對(duì)照組相比，I75灌溉植物的葉溫保持不變，而采用I25灌溉處理的植物葉溫升高了2.0℃。葉溫升高歸因于蒸騰效率下降，導(dǎo)致作物水分脅迫指數(shù)CWSI上升。在I75灌溉下，植物葉片綠度保持不變，而在I50和I25灌溉下，葉片綠度顯著下降。這些下降歸因于非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ增加和光合速率受到抑制。因此，研究結(jié)果認(rèn)為75%田間持水量是積雪草的最佳灌溉方法。

案例二、纈草在水淹和不同水分虧缺條件下的表型響應(yīng)

纈草（Valeriana jatamansi Jones），又名蜘蛛香，中醫(yī)認(rèn)為其味辛、澀，性涼，具有消食健胃、理氣止痛、祛風(fēng)解毒的功能。纈草也用于阿育吠陀（Ayurveda，印度傳統(tǒng)醫(yī)術(shù)）和藏醫(yī)。

印度科學(xué)和工業(yè)研究理事會(huì)研究了纈草在水淹和不同水分虧缺條件下（80%對(duì)照、60%、40%、20%田間持水量）的脅迫響應(yīng)，尤其是光合系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制。研究人員通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)等儀器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)葉綠素?zé)晒獯銣绯上穹治龊?/span>OJIP快速熒光動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果表明，隨著水分虧缺程度加深，最大光化學(xué)效率Fv/Fm、非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ和qN、性能指數(shù)PI都隨之下降，水淹的相關(guān)參數(shù)在中等水平。而實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSII（即量子產(chǎn)額QY）、光化學(xué)猝滅系數(shù)qP等則對(duì)水分虧缺和水淹更為敏感。由此可知，灌溉調(diào)控在纈草栽培過程中極為重要。

案例三、人參熱脅迫早期診斷

韓國忠南大學(xué)的學(xué)者在人參熱脅迫早期檢測實(shí)驗(yàn)中，使用熒光高光譜成像系統(tǒng)對(duì)四個(gè)人參品種（Chunpoong、Jakyeong、Sunil、Sunmyoung）進(jìn)行紫外光激發(fā)生物熒光高光譜成像，應(yīng)用方差分析（ANOVA）選擇最佳波長生成比值圖像，將圖像轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制圖像確定閾值，利用閾值強(qiáng)度來可視化對(duì)人參熱脅迫前后的差異。結(jié)果顯示，基于UV-MCF生物熒光數(shù)據(jù)應(yīng)用方差分析來檢測熱脅迫植物，其準(zhǔn)確度為96%。

易科泰植物表型成像技術(shù)方案：

l 可根據(jù)用戶需要靈活定制各種高通量測量平臺(tái)，如PTS傳送帶式、XYZ三維掃描式等，樣品通量從幾十盆至上千盆。

l 可靈活選配RGB成像、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上瘛?/span>UV-MCF生物熒光成像、高光譜成像、紅外熱成像、激光雷達(dá)、根系成像等多種成像傳感器以及自動(dòng)澆灌與稱重模塊等。

l 根據(jù)研究對(duì)象進(jìn)行專門優(yōu)化定制，包括擬南芥、煙草等模式植物；玉米、水稻、小麥、大豆等作物；花卉、蔬菜等園藝作物等。

參考文獻(xiàn)：

1. Theerawitaya C, et al. 2023. Investigating high throughput phenotyping based morpho-physiological and biochemical adaptations of indian pennywort (Centella asiatica L. urban) in response to different irrigation regimes. Plant Physiology and Biochemistry 202: 107927

2. Thakur A, et al. 2024. Physiological and biochemical regulation of Valeriana jatamansi Jones under water stress. Plant Physiology and Biochemistry 208: 108476

3. Faqeerzada M A, et al. 2022. Fluorescence Hyperspectral Imaging for Early Diagnosis of Heat-Stressed Ginseng Plants. Applied Sciences 13(1): 31

北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供藥用植物表型研究及無損鑒定全面技術(shù)方案：

l FluorTron®多功能高光譜成像分析系統(tǒng)

l FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)

l FluorTron®植物光合表型成像分析系統(tǒng)

l FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)

l PhenoTron®植物表型成像分析系統(tǒng)

l RhizoTron®根系表型成像分析系統(tǒng)

l PhenoTron®復(fù)式智能LED光源培養(yǎng)與光譜成像分析平臺(tái)

l PlantScreen高通量表型成像分析系統(tǒng)