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植物表型組學(xué)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(xué)科。該方法采用綜合技術(shù)手段，能動態(tài)評估植物的應(yīng)激反應(yīng)，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(jié)合成像傳感器、機器人技術(shù)和計算機視覺技術(shù)，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(guān)重要。
PlantScreen表型成像工作流程示意（Marek K.,2024）
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，還可以通過分析葉片顏色變化來檢測葉片衰老。
葉綠素?zé)晒?/strong>/多光譜熒光成像技術(shù)：葉綠素?zé)晒鉁y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(shù)：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(shù)：則能夠通過捕捉數(shù)百個連續(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(gòu)成自動化、智能化、高通量的表型分析工具。
易科泰是專業(yè)的葉綠素?zé)晒?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)域提供先進的表型系統(tǒng)方案，擁有PlantScreen表型成像技術(shù)，PhenoTron表型分析平臺、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。
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)對干旱、高溫及其復(fù)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(yīng)惡劣氣候條件的小麥品種，是作物育種與生產(chǎn)領(lǐng)域的重點攻關(guān)方向。由于植物已進化出多種適應(yīng)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(yīng)機制。然而，作物對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(fù)合脅迫均處理11天，之后3天恢復(fù)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(fù)期的形態(tài)生理特征進行了量化評估。
A：本研究中的PlantScreen表型系統(tǒng)工作流程：樣品在培養(yǎng)室中生長；在培養(yǎng)稱重/澆灌單元控制土壤含水量；在葉綠素?zé)晒猓ㄔu估光合性能）、熱紅外（分析蒸騰效率）、RGB（監(jiān)測植株生長動態(tài)）三個成像單元中成像分析，B：樣品脅迫處理流程
對小麥進行持續(xù)的頂端（top view）和側(cè)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。
RGB成像結(jié)果顯示，NS3在所有脅迫下表現(xiàn)最優(yōu)，生長速率最高，恢復(fù)能力強。LM19和LM62在干旱和復(fù)合脅迫下生長受限更明顯。SF1在單一脅迫下表現(xiàn)良好，但在復(fù)合脅迫下顯著受損。
該實驗的葉綠素?zé)晒獬上癖O(jiān)測部分，設(shè)計了光適應(yīng)測量程序和暗適應(yīng)與光響應(yīng)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(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(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)較強的光合和恢復(fù)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(jié)論相符
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(shù)監(jiān)測小麥冠層溫度。
紅外熱成像單元側(cè)面成像及頂端成像結(jié)果，在干旱脅迫下，除SF1基因型外，所有基因型的蒸騰溫差（?T）均在第10天后持續(xù)升高，表明SF1可能具有獨特的氣孔調(diào)控機制。而所有基因型在高溫脅迫期間，由于蒸騰速率升高，蒸騰溫差反而降低，這說明高溫環(huán)境下葉片冷卻效果增強
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(dāng)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(jié)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(yīng)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(yīng)性強，尤其在復(fù)合脅迫下表現(xiàn)突出。SF1對單一脅迫有較好耐受性，但對復(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、動態(tài)地評估小麥對復(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實驗室、光譜成像與無人機遙感技術(shù)研究中心及SpectrAPP 光譜成像創(chuàng)新應(yīng)用項目，文中提到的技術(shù)設(shè)備，易科泰均有提供，歡迎了解！
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