植物表型知多少？以不同基因型小麥干旱和熱脅迫響應研究為例

What is PlantPhenomics?
      植物表型組學是通過表型分析系統(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)的學科。該方法采用綜合技術手段，能動態(tài)評估植物的應激反應，具備高時間分辨率優(yōu)勢。借助集成式高通量植物表型分析平臺，結合成像傳感器、機器人技術和計算機視覺技術，可實現(xiàn)對多種植物性狀的動態(tài)無損檢測。通過篩選生長速率、光合活性和耐溫性等表型特征來評估植物在非生物脅迫下的表現(xiàn)，對于篩選抗逆性優(yōu)良品種至關重要。
表型技術有哪些？
      RGB成像技術：拍攝彩色圖像，可量化植物形態(tài)學參數(shù)，比如株高、冠層面積、體積、葉傾角等。此外，還可以通過分析葉片顏色變化來檢測葉片衰老。
      葉綠素熒光/多光譜熒光成像技術：葉綠素熒光測量作為光系統(tǒng)II（PSII）活性的非侵入性檢測手段，可用于監(jiān)測植物光合狀態(tài)，并在脅迫條件下檢測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：測量冠層溫度，可直觀反映氣孔調(diào)控機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）反映植物對干旱和高溫脅迫的耐受能力。
      高光譜成像技術：則能夠通過捕捉數(shù)百個連續(xù)波段的光譜信息，精細解析植物體內(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提供了獨特視角。
      另外，還包含3D激光掃描技術構建3維圖像和數(shù)據(jù)等。成像系統(tǒng)搭配移動平臺、光源培養(yǎng)、稱重/澆灌、環(huán)境監(jiān)測、強大的控制和數(shù)據(jù)分析軟件等，構成自動化、智能化、高通量的表型分析工具。

易科泰生態(tài)技術——提供專業(yè)全面的植物表型解決方案   
      易科泰是專業(yè)的葉綠素熒光/多光譜熒光成像技術、高光譜成像技術、Thermo-RGB成像技術等的產(chǎn)品提供者，致力于為科研和應用領域提供先進的表型系統(tǒng)方案，擁有PlantScreen表型成像技術，PhenoTron表型分析平臺、PhenoPlot近地遙感平臺、數(shù)字化植物工廠等系列產(chǎn)品，對于實驗室、溫室、田間等不同場景均有不同適用方案。
易科泰表型實際應用？以小麥脅迫響應研究為例
      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對干旱、高溫及其復合脅迫對四種北歐小麥基因型的影響進行了綜合評價，以篩選耐受性強的品種。
      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)，因此篩選能夠適應惡劣氣候條件的小麥品種，是作物育種與生產(chǎn)領域的重點攻關方向。由于植物已進化出多種適應性生理與代謝機制，不同基因型對脅迫的敏感程度存在差異。大量研究已深入探討作物對單一脅迫的生理響應機制。然而，作物對多種非生物脅迫的組合效應的反應卻大相徑庭。
      本研究中，根據(jù)熱敏感性篩選出四個基因型（熱敏感型：LM19、SF1；熱耐受型：LM62、NS3）。研究人員對分蘗期小麥植株實施四種脅迫處理：對照組、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，高溫與復合脅迫均處理11天，之后3天恢復期。通過PlantScreen表型分析系統(tǒng)RGB，對植物在脅迫早期、晚期及恢復期的形態(tài)生理特征進行了量化評估。 1. 形態(tài)學分析（RGB成像）
      對小麥進行持續(xù)的頂端（top view）和側面（side view）成像監(jiān)測，獲得相對生長速率（RGR）、植株體積等性狀參數(shù)，從而分析4個基因型小麥在不同脅迫條件下的生長差異。 2. 光合性能（葉綠素熒光成像）
      該實驗的葉綠素熒光成像監(jiān)測部分，設計了光適應測量程序和暗適應與光響應曲線測量程序兩種方案，在一天中的不同時間通過PlantScreen系統(tǒng)自動完成，分析Fq’/Fm’（PSⅡ運行效率）、qL（PSⅡ反映中心開發(fā)比例，反映植物光合作用適應能力）、Fv/Fm（PSⅡ最大光量子效率）、NPQ（非光化學熒光淬滅，反應熱耗散）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差異。       葉綠素熒光成像結果表明，LM19和LM62基因型對后期干旱脅迫更為敏感；熱敏感基因型對于后期熱脅迫耐受性極低；NS3在復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)較強的光合和恢復能力。Fv/Fm在干旱脅迫下無顯著差異，可能是脅迫程度不夠，這與以往干旱研究結論相符
 
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，因為它反映了冠層的二氧化碳同化和氣孔調(diào)節(jié)。本研究通過熱紅外成像技術監(jiān)測小麥冠層溫度。 4. 手持式設備輔助驗證
      研究中還使用了PolyPen RP410手持式高光譜測量儀和FP100（FP110的上一版本）手持式熒光測量儀對小麥進行了測量       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)，當然這也可以通過在表型系統(tǒng)中配置功能更強的高光譜成像單元來實現(xiàn)。FP100則主要用來與表型成像數(shù)據(jù)對比。       研究中還結合了土壤水分、葉綠素含量等數(shù)據(jù)，對不同基因型小麥的脅迫響應及機制進行了綜合評估與分析，證明NS3是最具耐受性的基因型，適應性強，尤其在復合脅迫下表現(xiàn)突出。SF1對單一脅迫有較好耐受性，但對復合脅迫敏感。LM19和LM62在干旱后期和復合脅迫下表現(xiàn)較差。表型成像技術能有效、動態(tài)地評估小麥對復雜環(huán)境脅迫的響應，為育種提供可靠工具。
 
      易科泰生態(tài)技術公司設有EcoTech實驗室、光譜成像與無人機遙感技術研究中心及SpectrAPP 光譜成像創(chuàng)新應用項目，文中提到的技術設備，易科泰均有提供，歡迎了解！
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