植物表型知多少？以不同基因型小麥干旱和熱脅迫響應(yīng)研究為例

? What is PlantPhenomics?

植物表型組學(xué)是通過(guò)表型分析系統(tǒng)，在不利條件下篩選理想農(nóng)業(yè)性狀，研究植物發(fā)育、生理活性、健康狀態(tài)的學(xué)科。該方法采用綜合技術(shù)手段，能動(dòng)態(tài)評(píng)估植物的應(yīng)激反應(yīng)，具備高時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)。借助集成式高通量植物表型分析平臺(tái)，結(jié)合成像傳感器、機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種植物性狀的動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)篩選生長(zhǎng)速率、光合活性和耐溫性等表型特征來(lái)評(píng)估植物在非生物脅迫下的表現(xiàn)，對(duì)于篩選抗逆性優(yōu)良品種至關(guān)重要。

? 表型技術(shù)有哪些？

RGB成像技術(shù)：拍攝彩色圖像，可量化植物形態(tài)學(xué)參數(shù)，比如株高、冠層面積、體積、葉傾角等。此外，還可以通過(guò)分析葉片顏色變化來(lái)檢測(cè)葉片衰老。

葉綠素?zé)晒?/span>/多光譜熒光成像技術(shù)：葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量作為光系統(tǒng)II（PSII）活性的非侵入性檢測(cè)手段，可用于監(jiān)測(cè)植物光合狀態(tài)，并在脅迫條件下檢測(cè)PSII功能損傷。多光譜熒光則是次生代謝水平、脅迫狀態(tài)的靈敏指示。

紅外熱成像技術(shù)：測(cè)量冠層溫度，可直觀反映氣孔調(diào)控機(jī)制及葉片的散熱能力，比如冠層溫度差（即空氣與葉片溫度之差）反映植物對(duì)干旱和高溫脅迫的耐受能力。

高光譜成像技術(shù)：則能夠通過(guò)捕捉數(shù)百個(gè)連續(xù)波段的光譜信息，精細(xì)解析植物體內(nèi)的色素含量、水分狀況及氮素水平等生化參數(shù)，為早期、非侵入式診斷植物脅迫響應(yīng)提供了獨(dú)特視角。

另外，還包含3D激光掃描技術(shù)構(gòu)建3維圖像和數(shù)據(jù)等。成像系統(tǒng)搭配移動(dòng)平臺(tái)、光源培養(yǎng)、稱(chēng)重/澆灌、環(huán)境監(jiān)測(cè)、*的控制和數(shù)據(jù)分析軟件等，構(gòu)成自動(dòng)化、智能化、高通量的表型分析工具。

? 易科泰生態(tài)技術(shù)——提供專(zhuān)業(yè)全面的植物表型解決方案   

易科泰是專(zhuān)業(yè)的葉綠素?zé)晒?/span>/多光譜熒光成像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)、Thermo-RGB成像技術(shù)等的產(chǎn)品提供者，致力于為科研和應(yīng)用領(lǐng)域提供優(yōu)良的表型系統(tǒng)方案，擁有PlantScreen表型成像技術(shù)，PhenoTron表型分析平臺(tái)、PhenoPlot近地遙感平臺(tái)、數(shù)字化植物工廠等系列產(chǎn)品，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室、溫室、田間等不同場(chǎng)景均有不同適用方案。

? 易科泰表型實(shí)際應(yīng)用？以小麥脅迫響應(yīng)研究為例

發(fā)表于 Agronomy《Investigating Combined Drought- and Heat Stress Effects in Wheat under Controlled Conditions by Dynamic Image-Based Phenotyping》的研究，就采用PlantScreen高通量表型成像分析技術(shù)對(duì)干旱、高溫及其復(fù)合脅迫對(duì)四種北歐小麥基因型的影響進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，以篩選耐受性強(qiáng)的品種。

在氣候變化背景下，干旱與高溫脅迫已成為影響農(nóng)作物產(chǎn)量的主要挑戰(zhàn)，因此篩選能夠適應(yīng)惡劣氣候條件的小麥品種，是作物育種與生產(chǎn)領(lǐng)域的重點(diǎn)攻關(guān)方向。由于植物已進(jìn)化出多種適應(yīng)性生理與代謝機(jī)制，不同基因型對(duì)脅迫的敏感程度存在差異。大量研究已深入探討作物對(duì)單一脅迫的生理響應(yīng)機(jī)制。然而，作物對(duì)多種非生物脅迫的組合效應(yīng)的反應(yīng)卻大相徑庭。

本研究中，根據(jù)熱敏感性篩選出四個(gè)基因型（熱敏感型：LM19、SF1；熱耐受型：LM62、NS3）。研究人員對(duì)分蘗期小麥植株實(shí)施四種脅迫處理：對(duì)照組、干旱脅迫、高溫脅迫及干旱與高溫聯(lián)合作用。干旱處理16天，高溫與復(fù)合脅迫均處理11天，之后3天恢復(fù)期。通過(guò)PlantScreen表型分析系統(tǒng)RGB，對(duì)植物在脅迫早期、晚期及恢復(fù)期的形態(tài)生理特征進(jìn)行了量化評(píng)估。

1. 形態(tài)學(xué)分析（RGB成像）

對(duì)小麥進(jìn)行持續(xù)的頂端（top view）和側(cè)面（side view）成像監(jiān)測(cè)，獲得相對(duì)生長(zhǎng)速率（RGR）、植株體積等性狀參數(shù)，從而分析4個(gè)基因型小麥在不同脅迫條件下的生長(zhǎng)差異。

2. 光合性能（葉綠素?zé)晒獬上瘢?/span>

該實(shí)驗(yàn)的葉綠素?zé)晒獬上癖O(jiān)測(cè)部分，設(shè)計(jì)了光適應(yīng)測(cè)量程序和暗適應(yīng)與光響應(yīng)曲線測(cè)量程序兩種方案，在一天中的不同時(shí)間通過(guò)PlantScreen系統(tǒng)自動(dòng)完成，分析Fq’/Fm’（PSⅡ運(yùn)行效率）、qL（PSⅡ反映中心開(kāi)發(fā)比例，反映植物光合作用適應(yīng)能力）、Fv/Fm（PSⅡ最大光量子效率）、NPQ（非光化學(xué)熒光淬滅，反應(yīng)熱耗散）等熒光參數(shù)的變化，從而獲得不同基因型在不同脅迫下的響應(yīng)差異。

葉綠素?zé)晒獬上窠Y(jié)果表明，LM19和LM62基因型對(duì)后期干旱脅迫更為敏感；熱敏感基因型對(duì)于后期熱脅迫耐受性極低；NS3在復(fù)合脅迫下仍保持較高的光系統(tǒng)II效率，在單一脅迫階段也表現(xiàn)較強(qiáng)的光合和恢復(fù)能力。Fv/Fm在干旱脅迫下無(wú)顯著差異，可能是脅迫程度不夠，這與以往干旱研究結(jié)論相符

3. 氣孔與蒸騰（紅外熱成像）

冠層溫度是一種重要的生理特征，可用于篩選熱敏感和耐熱基因型，因?yàn)樗从沉斯趯拥亩趸纪蜌饪渍{(diào)節(jié)。本研究通過(guò)熱紅外成像技術(shù)監(jiān)測(cè)小麥冠層溫度。

4. 手持式設(shè)備輔助驗(yàn)證

研究中還使用了PolyPen RP410手持式高光譜測(cè)量?jī)x和FP100（FP110的上一版本）手持式熒光測(cè)量?jī)x對(duì)小麥進(jìn)行了測(cè)量

PolyPen RP410主要用于獲取反映植物色素、健康等信息的植被指數(shù)，當(dāng)然這也可以通過(guò)在表型系統(tǒng)中配置功能更強(qiáng)的高光譜成像單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。FP100則主要用來(lái)與表型成像數(shù)據(jù)對(duì)比。

研究中還結(jié)合了土壤水分、葉綠素含量等數(shù)據(jù)，對(duì)不同基因型小麥的脅迫響應(yīng)及機(jī)制進(jìn)行了綜合評(píng)估與分析，證明NS3是耐受性的基因型，適應(yīng)性強(qiáng)，尤其在復(fù)合脅迫下表現(xiàn)突出。SF1對(duì)單一脅迫有較好耐受性，但對(duì)復(fù)合脅迫敏感。LM19和LM62在干旱后期和復(fù)合脅迫下表現(xiàn)較差。表型成像技術(shù)能有效、動(dòng)態(tài)地評(píng)估小麥對(duì)復(fù)雜環(huán)境脅迫的響應(yīng)，為育種提供可靠工具。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司設(shè)有EcoTech實(shí)驗(yàn)室、光譜成像與無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)研究中心及SpectrAPP 光譜成像創(chuàng)新應(yīng)用項(xiàng)目，文中提到的技術(shù)設(shè)備，易科泰均有提供，歡迎了解！