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  芬蘭赫爾辛基大學(xué)國家植物表型基礎(chǔ)設(shè)施（the National Plant Phenotyping Infrastructure，NaPPI）是芬蘭國家研究基礎(chǔ)設(shè)施（Finnish Research Infrastructure，F(xiàn)IRI）的重要植物科學(xué)研究平臺(tái)之一。它的核心使命是通過整合從基因組學(xué)到高通量表型組學(xué)，再到高精度代謝組學(xué)的完整技術(shù)鏈條，為植物科學(xué)研究提供頂尖的非破壞性表型分析技術(shù)。就在近期（2026年1月21日），NaPPI正式加入了由NordForsk（北歐國家政府間科研合作資助機(jī)構(gòu)，隸屬于北歐理事會(huì)部長會(huì)議框架）資助的 NordPheno北歐研究基礎(chǔ)設(shè)施中心。這一合作旨在加強(qiáng)整個(gè)北歐地區(qū)在數(shù)字表型分析能力、知識(shí)交流、設(shè)施共享以及科研人員培訓(xùn)方面的合作，共同推動(dòng)植物科學(xué)和育種研究。

  NaPPI的核心設(shè)施為兩套PlantScreen高通量植物表型成像分析系統(tǒng)。一套大型傳送帶系統(tǒng)適用于120cm以下的大型植株，如小麥、玉米、番茄、馬鈴薯等。一套緊湊式傳送帶系統(tǒng)適用于50cm以下的小型植株，如擬南芥或作物幼苗等。兩套系統(tǒng)均可高通量自動(dòng)化運(yùn)行，在無人值守情況下自動(dòng)完成植物樣品的培養(yǎng)、澆灌、傳送、各項(xiàng)表型成像測(cè)量與分析等一整套植物表型組學(xué)測(cè)量程序。同時(shí)，赫爾辛基大學(xué)還裝備有多臺(tái)不同型號(hào)配置的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)，可配合PlantScreen系統(tǒng)的表型研究工作，完善部分特殊表型數(shù)據(jù)，如OJIP快速熒光動(dòng)力學(xué)成像分析等。

NaPPI的大型PlantScreen高通量植物表型成像分析系統(tǒng)，可同時(shí)容納270株高120cm寬100cm樣品，具備葉綠素?zé)晒獬上窈蚏GB彩色形態(tài)成像等功能。

 NaPPI的緊湊型PlantScreen高通量植物表型成像分析系統(tǒng)，可同時(shí)容納360株高小型樣品，具備葉綠素?zé)晒獬上瘛GB彩色形態(tài)成像、紅外熱成像等功能。系統(tǒng)安裝于一套FytoScope大型步入式植物生長室中，可進(jìn)行各種模擬光照、溫度、光周期等環(huán)境條件下的表型測(cè)量

  這兩套PlantScreen系統(tǒng)在2015年安裝完畢，是北歐地區(qū)最早的植物表型研究設(shè)施之一。時(shí)至今日，它們也依然是支持NaPPI乃至整個(gè)北歐地區(qū)植物表型研究的核心設(shè)施之一。NaPPI利用這些表型組學(xué)設(shè)備已經(jīng)開展了一系列研究工作并取得了大量的科研成果，部分研究案例如下：

1. 甘薯病毒的協(xié)同致病機(jī)制研究

  由甘薯羽狀斑駁病毒（SPFMV）? 和甘薯褪綠矮化病毒（SPCSV）? 協(xié)同感染引起的病毒病對(duì)甘薯產(chǎn)量影響極為嚴(yán)重。傳統(tǒng)的病毒檢測(cè)方法（如核酸檢測(cè)）雖然有效，但成本高、耗時(shí)，并且由于需破壞樣品，無法進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。本研究旨在利用PlantScreen高通量表型分析系統(tǒng)，結(jié)合葉綠素?zé)晒猓–hlF）成像和熱紅外（TIR）成像技術(shù)，靈敏、無損并且省時(shí)省力地研究SPFMV和SPCSV在甘薯中的協(xié)同致病機(jī)理。

  實(shí)驗(yàn)設(shè)置了6個(gè)不同的甘薯病毒處理組，在兩種光照條件下進(jìn)行培養(yǎng)，以評(píng)估環(huán)境的影響。在29天的連續(xù)培養(yǎng)中，定期測(cè)量RGB形態(tài)成像、葉綠素?zé)晒獬上窈图t外熱成像。

  結(jié)果表明，與健康植株（Wt-H）和僅感染SPFMV（Wt-F）的植株相比，感染SPCSV（Wt-C）、共感染（Wt-FC）以及轉(zhuǎn)基因感染（R3-F）的植株生長受到顯著抑制，表現(xiàn)為株高降低、生物量和葉面積減少。

不同處理組甘薯的側(cè)面成像圖與形態(tài)數(shù)據(jù)：高度、生物量、葉面積

  葉綠素?zé)晒鈪?shù)ΦPSII（PSII有效量子產(chǎn)量）和 qP（光化學(xué)淬滅系數(shù)）是區(qū)分不同病毒處理嚴(yán)重程度的最敏感參數(shù)，在感染第3天即可明顯指示病害發(fā)生。癥狀嚴(yán)重的植株（Wt-FC，R3-F）這兩個(gè)值均顯著降低，表明其光化學(xué)反應(yīng)中心效率低下。葉片溫度在癥狀嚴(yán)重的植株中更高，這可能是由于氣孔關(guān)閉導(dǎo)致蒸騰作用減少所致。TIR成像在感染早期（約7天后）就能檢測(cè)到溫度差異。

  本研究首次系統(tǒng)性地驗(yàn)證了葉綠素?zé)晒獬上窈图t外熱成像技術(shù)可用于區(qū)分和量化SPFMV和SPCSV在甘薯中引起的病毒病嚴(yán)重程度。為利用高通量表型技術(shù)進(jìn)行溫室科學(xué)實(shí)驗(yàn)和田間精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的病毒病早期檢測(cè)提供了重要依據(jù)。

左圖：不同生長時(shí)期的RGB、葉綠素?zé)晒夂蜔岢上駡D；右圖：各項(xiàng)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的動(dòng)態(tài)變化曲線

2. 林木病原菌致病機(jī)制研究

  本研究聚焦于壞死性林木病原真菌——小孢子異擔(dān)子菌Heterobasidion parviporum的致病機(jī)制。小孢子異擔(dān)子菌是造成云杉根部和干基腐朽的最主要病原體，每年都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。該真菌的基因組編碼大量小分泌蛋白（SSP），推測(cè)其作為效應(yīng)子在與寄主互作中起關(guān)鍵作用，但大多數(shù) SSP 的功能尚不明確。

  通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的瞬時(shí)表達(dá)技術(shù)在本氏煙葉片中測(cè)試四個(gè)能引起細(xì)胞死亡的 SSP 同源候選蛋白。結(jié)果顯示，只有 HpSSP35.8 能引發(fā)強(qiáng)烈的組織壞死和細(xì)胞死亡，而其他同源蛋白效果微弱或無效果。用 H. parviporum 的分生孢子接種云杉幼苗根部，在不同時(shí)間點(diǎn)檢測(cè) HpSSP35.8 基因的表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)：HpSSP35.8 的表達(dá)在侵染的早期、癥狀出現(xiàn)前（24-60小時(shí)）被強(qiáng)烈誘導(dǎo)，在36小時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)真菌可能正在形成侵染結(jié)構(gòu)（附著胞）。當(dāng)根部出現(xiàn)明顯褐變癥狀（72小時(shí)后），該基因的表達(dá)水平反而顯著下降。這表明 HpSSP35.8 在建立侵染的初期階段可能扮演重要角色。但這種鑒定方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，研究人員還是需要一種高效、靈敏的方法來快速篩選和鑒定具有生物活性的效應(yīng)子蛋白以開展后續(xù)工作。

左圖：接種病菌的云杉根部和HpSSP35.8的表達(dá)動(dòng)力學(xué)；右圖：本氏煙葉片的葉綠素?zé)晒馀cRGB彩色成像參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，葉綠素?zé)晒鈪?shù)包括QYmax、ΦPSII和NPQ，RGB彩色成像圖轉(zhuǎn)化為色調(diào)飽和度數(shù)據(jù)（Hue-Saturation-Brightness）

  于是，研究人員利用PlantScreen系統(tǒng)中的RGB可見光形態(tài)成像與葉綠素?zé)晒獬上窆δ?，?duì)瞬時(shí)表達(dá) HpSSP35.8 的本氏煙葉片進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，利用可見光成像的色彩分析要到36小時(shí)才能看到明顯的壞死癥狀。而葉綠素?zé)晒鈪?shù)ΦPSII（PSII實(shí)際光化學(xué)效率）在接種后3小時(shí)就開始顯著下降；QYmax（PSII最大光化學(xué)效率?）則在9小時(shí)后出現(xiàn)差異，從而證明葉綠素?zé)晒鈪?shù)及成像分析是比形態(tài)、色彩觀察更靈敏、更早期的細(xì)胞死亡和生理脅迫指示器，可用于高效篩選其他潛在的效應(yīng)子蛋白。

農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化本氏煙葉片的RGB成像圖與葉綠素?zé)晒獬上駡D，可見處理3小時(shí)后ΦPSII成像圖即可明顯觀察到HpSSP35.8的表達(dá)與影響范圍

3. 高通量種子活力評(píng)估

  種子活力是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長的潛勢(shì)、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的總和（發(fā)芽和出苗期間的活性水平與行為），是種子品質(zhì)的重要指標(biāo)。種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)無疑是最為直接有效的種子活力檢測(cè)方法。但一般的傳統(tǒng)方法需要人工計(jì)數(shù)來測(cè)量幼苗和計(jì)算發(fā)芽率，工作量極大，也非常耗時(shí)。而基于彩色圖像分析來識(shí)別發(fā)芽幼苗又存在很大誤差。同時(shí)，傳統(tǒng)的形態(tài)數(shù)據(jù)難以真正評(píng)估幼苗生長的潛勢(shì)、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力。因此，基于現(xiàn)代植物表型組學(xué)研究和種子活力評(píng)估要求，在種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)中還需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種表型數(shù)據(jù)，而不僅僅是傳統(tǒng)表型所說的形態(tài)數(shù)據(jù)。

  赫爾辛基大學(xué)的研究人員為了研究一種新的ABA響應(yīng)泛素E3連接酶對(duì)擬南芥種子萌發(fā)活力的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于高通量葉綠素?zé)晒獬上穹治龅拿劝l(fā)實(shí)驗(yàn)。

  PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)植物樣品進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)和表型監(jiān)測(cè)，非常適用于進(jìn)行高通量的種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。其配備的LED光照控溫培養(yǎng)室能夠模擬理想的光照與溫度條件。自動(dòng)傳送系統(tǒng)可以按設(shè)置的序列自動(dòng)讓樣品傳送到成像室。內(nèi)置的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上衲K可以通過監(jiān)測(cè)種子萌發(fā)后剛展開子葉的最大熒光值Fm，非常有效地識(shí)別發(fā)芽的種子。專用的分析軟件能夠很容易地將未萌發(fā)種子和背景去除掉，從而使發(fā)芽率計(jì)算極為準(zhǔn)確。

 左圖：高通量葉綠素?zé)晒獬上穹治龉ぷ髁鞒?；a.播種、放置樣品、成像測(cè)量、圖像分析；b.最大葉綠素?zé)晒釬m成像圖的分析過程；右圖：不同處理的發(fā)芽率動(dòng)態(tài)曲線

  葉綠素?zé)晒獬上裢瑫r(shí)測(cè)量萌發(fā)種苗的葉綠素?zé)晒鈪?shù)如QY_max最大光化學(xué)效率（Fv/Fm，對(duì)各種脅迫極為敏感）、QY實(shí)際光化學(xué)效率（量子產(chǎn)額）、NPQ非光化學(xué)淬滅（與光系統(tǒng)熱耗散、光保護(hù)機(jī)制有關(guān)）、Rfd熒光衰減比率（也稱為活力指數(shù)）、冠層面積等，可反映種苗光合能力和抗逆能力。熱成像單元可以提供冠層和葉片溫度數(shù)據(jù)，反映植物蒸騰、水分利用狀態(tài)以及病害等脅迫信息。這些指標(biāo)已經(jīng)廣泛用于幼苗生長潛勢(shì)、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的評(píng)估，并得到了大量的驗(yàn)證。本研究成功建立了一個(gè)高效、可擴(kuò)展的高通量萌發(fā)篩選平臺(tái)，為種子活力分析與種質(zhì)資源評(píng)估提供了新工具。

左：泛素E3連接酶在ABA反應(yīng)途徑中的功能假說；右：對(duì)應(yīng)處理的冠層投影面積、各項(xiàng)葉綠素?zé)晒鈪?shù)、冠層溫度的動(dòng)態(tài)曲線

4. 紅樹莓果實(shí)品質(zhì)評(píng)估

  在高緯度地區(qū)（如芬蘭在北緯60°以上），許多初生莖紅樹莓（Rubus idaeus L.）品種由于生長季短、秋季霜凍早，無法在初生莖上實(shí)現(xiàn)充分的秋季產(chǎn)量。這些品種雖具有高產(chǎn)潛力和優(yōu)良果實(shí)品質(zhì)，但秋季果實(shí)成熟過晚，導(dǎo)致產(chǎn)量損失。研究人員將7個(gè)初生莖樹莓品種通過長枝栽培方式作為次生莖進(jìn)行生產(chǎn)并評(píng)估其果實(shí)品質(zhì)，希望為短生長季地區(qū)提供替代栽培方案。

  在進(jìn)行果實(shí)品質(zhì)評(píng)估時(shí)，除了傳統(tǒng)的單株產(chǎn)量、果重、可溶性固形物（SS）、可滴定酸（TA）等品質(zhì)數(shù)據(jù)，研究人員創(chuàng)新性地使用PlantScreen表型成像分析系統(tǒng)的RGB成像單元分析果實(shí)形狀和顏色參數(shù)。

  果實(shí)面積直接反映果實(shí)的大小。偏心率則可以反映果實(shí)的圓度，其中“Autumn Treasure”的果實(shí)最橢圓（偏心率最高），其他品種則更接近圓形。顏色分析則表明“Kwanza”的果實(shí)是最紅、最亮的。高通量RGB成像分析可高效分析果實(shí)形狀和顏色，非常適用于自動(dòng)化成熟度判斷和采后品質(zhì)評(píng)估。

左圖：經(jīng)過背景去除的樹莓果實(shí)RGB成像圖；中圖：樹莓果實(shí)的形態(tài)數(shù)據(jù)：面積和偏心率；右圖：樹莓果實(shí)的顏色數(shù)據(jù)：平均紅度和CIE數(shù)值

5. 利用OJIP快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)成像技術(shù)進(jìn)行光合機(jī)理研究

  OJIP快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)成像一直是葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)，但由于OJIP能夠?qū)θ~綠素?zé)晒膺M(jìn)行微秒級(jí)解析，因而在植物光合機(jī)理研究中又是不可或缺的。因此科學(xué)家和工程師一直在合作開發(fā)相關(guān)技術(shù)，最終成果即為具備閃光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬上窆δ艿腇luorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)。

  赫爾辛基大學(xué)在2019年與PSI公司合作，利用一臺(tái)安裝了超高速熒光相機(jī)的定制FluorCam葉綠素?zé)晒庀到y(tǒng)對(duì)擬南芥突變體的低氧光合響應(yīng)進(jìn)行了PAM脈沖調(diào)制熒光和OJIP快速熒光誘導(dǎo)分析。之后又對(duì)擬南芥對(duì)臭氧的光合響應(yīng)等進(jìn)行了研究

左圖：擬南芥rcd1突變體在低氧環(huán)境下的OJIP曲線與φRE1o（PSI電子受體的電子流量子產(chǎn)額）成像圖與數(shù)據(jù)（Shapiguzov，2019）；右圖：擬南芥在臭氧和光照處理后的OJIP曲線與成像圖（Morales, 2021）

  從2024年開始，赫爾辛基大學(xué)與芬蘭自然資源研究所合作，利用一臺(tái)最新型的PlantScreen SC植物表型成像分析系統(tǒng)進(jìn)一步深入研究。這一系統(tǒng)同時(shí)配備RGB成像、紅外熱成像、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧ㄅ鋫銹AM脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上瘛JIP快速閃光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬上駜煞N成像模塊）等功能模塊。他們?cè)诔輨┯绊?、氣孔功能脅迫響應(yīng)等方面已經(jīng)取得了一系列成果。

左圖：擬南芥在正常含氧量環(huán)境與缺氧環(huán)境下添加或不添加百草枯（MV）的OJIP曲線與φRE1o（PSI電子受體的電子流量子產(chǎn)額）數(shù)據(jù)圖（Punkkinen，2025）；右圖：蠶豆不同光照條件下相對(duì)葉溫與電子傳遞速率ETR的相關(guān)性（Shapiguzov，2025）

PlantScreen SC植物表型成像分析系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：

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7. Punkkinen M, Baral B, Blokhina O, et al. Mitochondria affect photosynthesis through altered tissue levels of O?[J]. Plant Physiology, 2025: kiaf648.
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左圖： PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)；右圖：PhenoTron® PTS植物表型成像分析系統(tǒng)

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左圖：新一代FluorCam1300多激發(fā)光多光譜熒光成像系統(tǒng)；中：FluorTron®植物光合表型成像分析系統(tǒng)；右：利用易科泰葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)測(cè)量番茄種子萌發(fā)率并評(píng)估種苗活力

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PhenoTron®智能LED光源培養(yǎng)與表型分析平臺(tái)與西洋參誘變育種葉綠素?zé)晒獬上瘢‥coTech®實(shí)驗(yàn)室）

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