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，在不利條件下篩選理想農業性狀，研究植物發育、生理活性、健康狀態的學科。該方法采用綜合技術手段，能動態評估植物的應激反應，具備高時間分辨率優勢。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，可實現對多種植物性狀的動態無損檢測。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，對于篩選抗逆性優良品種至關重要。

? 表型技術有哪些？

RGB成像技術：拍攝彩色圖像，可量化植物形態學參數，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II（PSII）活性的非侵入性檢測手段，可用于監測植物光合狀態，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：則能夠通過捕捉數百個連續波段的光譜信息，精細解析植物體內的色素含量、水分狀況及氮素水平等生化參數，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維圖像和數據等。成像系統搭配移動平臺、光源培養、稱重/澆灌、環境監測、強大的控制和數據分析軟件等，構成自動化、智能化、高通量的表型分析工具。

? 易科泰生態技術——提供專業全面的植物表型解決方案   

易科泰是專業的葉綠素熒光/多光譜熒光成像技術、高光譜成像技術、Thermo-RGB成像技術等的產品提供者，致力于為科研和應用領域提供優良的表型系統方案，擁有PlantScreen表型成像技術，PhenoTron表型分析平臺、PhenoPlot近地遙感平臺、數字化植物工廠等系列產品，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作物產量的主要挑戰，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RGB，對植物在脅迫早期、晚期及恢復期的形態生理特征進行了量化評估。

1. 形態學分析（RGB成像）

對小麥進行持續的頂端（top view）和側面（side view）成像監測，獲得相對生長速率（RGR）、植株體積等性狀參數，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系統自動完成，分析Fq’/Fm’（PSⅡ運行效率）、qL（PSⅡ反映中心開發比例，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II效率，在單一脅迫階段也表現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節。本研究通過熱紅外成像技術監測小麥冠層溫度。

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，當然這也可以通過在表型系統中配置功能更強的高光譜成像單元來實現。FP100則主要用來與表型成像數據對比。

研究中還結合了土壤水分、葉綠素含量等數據，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是耐受性的基因型，適應性強，尤其在復合脅迫下表現突出。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較差。表型成像技術能有效、動態地評估小麥對復雜環境脅迫的響應，為育種提供可靠工具。

易科泰生態技術公司設有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！