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

PlantScreen XYZ三維掃描植物表型成像分析系統(tǒng)應用案例：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運行模式設計。葉綠素熒光、RGB、紅外熱成像、高光譜、激光雷達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：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（Palacky University Olomouc）是較早使用高通量表型成像技術進行種質(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)的擬南芥幼苗進行不同濃度的鹽脅迫處理，同時進行連續(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。

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；重復性好，幼苗生長同步化、環(huán)境標準化，多重復間差異極小，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、葉綠素熒光等其他表型成像傳感器聯(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，帕拉茨基大學又進一步研究了多胺、氨基酸、蛋白水解物等生物刺激素對擬南芥種子進行預處理，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，有的則僅能促進生長。

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，也為進一步的農(nóng)藥機理及葉綠素熒光、高光譜等植物表型響應研究進行了前期開拓。

參考文獻：

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（Wageningen University & Research, WUR）與烏得勒支大學（Utrecht University） 共同合作建設和運營。其裝備了多套不同型號的PlantScreen植物表型成像系統(tǒng)與FluorCam葉綠素熒光成像系統(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性狀的自然遺傳變異，來培育適應氣候變化的作物。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)制葉綠素熒光成像單元自動檢測樣品的最大光化學效率Fv/Fm、實際光化學量子效率ΦPSII、波動光照下的響應動力學等葉綠素熒光指標。

結(jié)果表明Fv/Fm和ΦPSII在低溫下均有所下降，但在溫度恢復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增減的響應并不相同，這表明控制光合作用在光強增加和減少時瞬變響應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是可行的。在未來的研究中，進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、氣候適應性更強的作物。

參考文獻：

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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? PlantScreen植物高通量表型成像分析系統(tǒng)，有傳送帶版、XYZ版、PlantScreen SC、根系表型分析等不同功能規(guī)格供選配

? FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)與FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)，幾千篇國際科研文獻可供參考