易科泰 PhenoTron 模塊式表型成像分析技術(shù)應(yīng)用于種質(zhì)資源檢測(cè)

植物表型成像分析技術(shù)整合葉綠素?zé)晒獬上瘛?/span>RGB真彩3D成像、熱成像、高光譜成像等多種表型成像技術(shù)，對(duì)植物表型組進(jìn)行綜合分析。基于這一技術(shù)設(shè)計(jì)的高通量表型成像分析平臺(tái)，通過自動(dòng)傳送帶或XYZ三維移動(dòng)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高通量植物樣品表型分析。

高通量表型成像分析平臺(tái)固然高效快速，但畢竟建設(shè)周期長(zhǎng)、費(fèi)用較高。因此，在很多研究中，利用同類型表型傳感器設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室儀器組成一套模塊式表型方案來進(jìn)行相關(guān)研究，就成為了很多科研人員的更佳選擇。

易科泰依托農(nóng)業(yè)與表型檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的深厚積淀，創(chuàng)新性推出全自主、國(guó)產(chǎn)化PhenoTron模塊式表型成像分析技術(shù)解決方案。

本方案以FluorTron®葉綠素?zé)晒獬上衽c多功能高光譜成像分析技術(shù)為核心支撐，聯(lián)動(dòng)多種檢測(cè)技術(shù)形成協(xié)同合力，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物表型與種質(zhì)資源更全面、精準(zhǔn)、高效的綜合檢測(cè)。這一技術(shù)方案集成有葉綠素?zé)晒獬上瘛?/span>UV-MCF紫外激發(fā)多光譜熒光成像、高光譜成像、Thermo-RGB融合成像、種子呼吸、谷物成分分析、X-ray成像、種子發(fā)芽率成像等多種技術(shù)與相應(yīng)儀器，可根據(jù)實(shí)際研究需要靈活組配。

下面我們介紹一些利用PhenoTron模塊式表型成像的相關(guān)技術(shù)在模塊式種質(zhì)資源表型檢測(cè)方面的研究案例：

1. 利用模塊式表型方案研究納米粒子對(duì)豆類的影響

隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，納米粒子大量釋放到環(huán)境中，而其環(huán)境釋放風(fēng)險(xiǎn)尚未明了。CuO納米粒子作為潛在的農(nóng)藥/肥料載體，其對(duì)植物的生理影響亟需評(píng)估。研究人員將黃花槐的種子在不同濃度CuO納米粒子溶液浸泡后，在萌發(fā)過程中分別利用模塊式表型成像儀器進(jìn)行檢測(cè)：紅外熱成像監(jiān)測(cè)種子表面溫度變化；FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測(cè)定 Fm'（熒光）和 NPQ（非光化學(xué)淬滅系數(shù)）；熒光光譜檢測(cè)405nm-800nm的熒光光譜曲線，其藍(lán)綠波段可反映次生代謝水平，685 nm與 735 nm發(fā)射峰比值（F685/F735），則與葉綠素含量相關(guān)。

結(jié)果表明，CuO NPs 處理種子在早期（尤其 72–96 h）表面溫度顯著升高，隨后趨于恢復(fù)，提示存在短期熱應(yīng)激。NPQ在早期顯著升高，表明多余光能轉(zhuǎn)化為熱能耗散，暗示光系統(tǒng) II（PSII）受到壓力；后期下降則提示CuO NPs可能開始損傷光系統(tǒng)的葉黃素循環(huán)機(jī)制。從熒光光譜曲線上看，低濃度處理（100–200 mg/L）的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度略有增加，而高濃度處理（300–400 mg/L）的熒光強(qiáng)度下降，顯示光合色素受損。F685/F735比值也有對(duì)應(yīng)的變化，但差異不顯著。

2. 模塊式表型方案中最重要的成像技術(shù)：葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)

模塊式表型方案在使用上更加靈活簡(jiǎn)便，而在購(gòu)置時(shí)也可根據(jù)具體研究需要進(jìn)行選配或分批購(gòu)置。那么如果是目前的經(jīng)費(fèi)僅能購(gòu)買一套儀器，那么應(yīng)該先購(gòu)置什么儀器呢？

德國(guó)萊布尼茨蔬菜和觀賞植物研究所IGZ的這項(xiàng)研究可能會(huì)給您一些啟發(fā)。這一研究使用了多種表型成像技術(shù)檢測(cè)剛發(fā)芽的生菜幼苗，部分植株中接種了立枯絲核菌（Rhizoctonia solani），試圖確定哪些技術(shù)的哪個(gè)參數(shù)能夠更靈敏地將感染病害的植株和未感染的植株區(qū)分開，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)種苗抗病性的快速評(píng)估與篩選。

研究中進(jìn)行成像分析的參數(shù)與所屬技術(shù)如下：

l 葉綠素?zé)晒獬上瘢?/span>Fo、Fp、Ft、Fv、光化學(xué)效率Fv/Fm、熒光衰減比率Rfd、光合有效葉面積日相對(duì)生長(zhǎng)速率A_abs和A_rel

l UV-MCF多光譜熒光成像：F440與F520（次生代謝物熒光峰值）、F690與F740（葉綠素?zé)晒夥逯担┘案鱾€(gè)參數(shù)之間的比值

l 熱成像：作物水脅迫指數(shù)I1、I2、I3、平均溫度、中值溫度、溫度范圍

l 反射光譜成像：R_NIR、R_RED、歸一化植被指數(shù)NDVI 

    值得一提的是，在本研究中，所有成像分析工作都是由一臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)的FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)加配熱成像單元完成的。而這些成像功能也可以由多臺(tái)臺(tái)不同專用表型成像儀器組成的模塊式方案來分別完成，比如PhenoTron模塊式表型成像分析技術(shù)方案中的FluorTron®多功能高光譜成像+ FluorTron®葉綠素?zé)晒獬上?/span>+Thermo-RGB融合成像。

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，感染病害的植株和未感染的植株之間，光化學(xué)效率Fv/Fm、熒光衰減比率Rfd、歸一化植被指數(shù)NDVI、作物水脅迫指數(shù)I1、光合有效葉面積日相對(duì)生長(zhǎng)速率A_rel、多光譜熒光F440、F520等參數(shù)都表現(xiàn)出顯著差異。通過進(jìn)一步數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析最終發(fā)現(xiàn)光化學(xué)效率Fv/Fm、熒光衰減比率Rfd在本次實(shí)驗(yàn)中的識(shí)別，誤差≤0.052。Fv/Fm＞0.73的生菜幼苗即可認(rèn)為是健康的。Fv/Fm甚至能夠在病害癥狀發(fā)生前即可檢測(cè)到病菌感染。

由此可見，葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)是用于種子萌發(fā)與種苗活力檢測(cè)的技術(shù)之一。在很多研究中，只使用了葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)來就能確定種苗的抗逆能力。比如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)通過轉(zhuǎn)基因方法使水稻過表達(dá)兩種抗逆基因CdtCIPK5和CdtCBL4，然后對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻幼苗進(jìn)行鹽脅迫、低溫脅迫和干旱脅迫處理。通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測(cè)量的光化學(xué)效率Fv/Fm證明，CdtCIPK5和CdtCBL4過表達(dá)提高了水稻的鹽脅迫抗性，但對(duì)低溫和干旱脅迫則沒有顯著作用。

參考文獻(xiàn)：

1. Santos ES, Graciano DE, et al. 2021. Effects of copper oxide nanoparticles on germination of Sesbania virgata (FABACEAE) plants. Anais da Academia Brasileira de Ciências, 93, e20190739.

2. Sandmann M, et al. 2018. The use of features from fluorescence, thermography and NDVI imaging to detect biotic stress in lettuce. Plant Disease 102: 1101-1107

3. Huang S, et al. 2020. CBL4-CIPK5 pathway confers salt but not drought and chilling tolerance by regulating ion homeostasis. Environmental and Experimental Botany 179: 104230

北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供模塊式植物表型分析技術(shù)與種質(zhì)資源表型分析技術(shù)全面解決方案并提供相關(guān)參考文獻(xiàn)：

易科泰即可提供國(guó)際FluorCam葉綠素?zé)晒獬上衽c多光譜熒光成像系統(tǒng)，也可提供自主國(guó)產(chǎn)化PhenoTron模塊式表型成像分析技術(shù)方案，具體包括：

Ø FluorTron®多功能高光譜成像技術(shù)

種子活力、生理狀態(tài)、生化成分含量及轉(zhuǎn)基因標(biāo)記蛋白均會(huì)改變其特定波段的反射光譜指紋與熒光光譜特征。FluorTron®多功能高光譜成像技術(shù)能夠精準(zhǔn)捕獲種子的反射光譜與熒光光譜，不僅能高效評(píng)估萌發(fā)潛力、抗逆能力等關(guān)鍵活力指標(biāo)，為高活力種子篩選提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；還能進(jìn)行種子品種分類和分級(jí)、種子成分和屬性預(yù)測(cè)、清潔度評(píng)估、損傷與病害檢測(cè)；此外還能對(duì)綠色熒光蛋白（GFP）、紅色熒光蛋白（RFP）等成像檢測(cè)。

Ø Thermo-RGB融合成像分析技術(shù)

自動(dòng)量化種子大小、形狀、顏色等形態(tài)特征，對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行高通量表型分析與精準(zhǔn)鑒定。并通過動(dòng)態(tài)熱成像捕捉種子熱衰減曲線，實(shí)現(xiàn)快速、無損的種子質(zhì)量分級(jí)。

Ø 種子呼吸檢測(cè)技術(shù)

通過監(jiān)測(cè)耗氧率等呼吸代謝指標(biāo)，揭示種子生理活性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)種子活力的無損、快速的評(píng)估。

Ø Grainsense谷物成分分析技術(shù)

采用近紅外光譜技術(shù)精準(zhǔn)測(cè)定碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、水分等成分的含量，用于種質(zhì)資源營(yíng)養(yǎng)組成精準(zhǔn)鑒定與優(yōu)質(zhì)基因型快速篩選。

Ø X-ray成像分析技術(shù)

對(duì)種子進(jìn)行高分辨率X射線成像，清晰呈現(xiàn)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)（如種子胚乳、胚、裂紋、蟲道等）。精準(zhǔn)測(cè)量種子空癟/飽滿率等，自動(dòng)識(shí)別機(jī)械損傷、組織劣變、畸形或未成熟種子，用于種子資源無損質(zhì)量分級(jí)。

Ø PhenoTron-APP種子發(fā)芽率成像分析技術(shù)

基于高精度圖像識(shí)別與智能分析技術(shù)，通過移動(dòng)端或固定成像設(shè)備采集種子與幼苗圖像，自動(dòng)識(shí)別、計(jì)數(shù)并分析發(fā)芽狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)芽率的高通量、無損傷、自動(dòng)化檢測(cè)。