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植物表型組學(xué)研究機(jī)構(gòu)巡禮(1)- 荷蘭植物生態(tài)表型中心 NPEC
發(fā)布時(shí)間： 2025-11-06 點(diǎn)擊次數(shù)： 202次荷蘭植物生態(tài)表型中心（Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre，NPEC）由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)（Wageningen University & Research, WUR）與烏得勒支大學(xué)（Utrecht University） 共同合作建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。中心于2017年遞交提案，2022年9月底正式啟用，研究重心在于植物表型與環(huán)境的相互關(guān)系，力圖將植物研究引入自動(dòng)化和大數(shù)據(jù)的時(shí)代。
NPEC在幾年時(shí)間中陸續(xù)建設(shè)完成了六大研究模塊，其中包括3套安裝在FytoScope大型步入式水培植物生長(zhǎng)室中的PlantScreen XYZ三維移動(dòng)式植物表型成像分析系統(tǒng)、1套PlantScreen-SC移動(dòng)式植物表型成像分析系統(tǒng)、36單元Ecolab土壤-植物-大氣綜合研究微生態(tài)系統(tǒng)、多套FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)等。
2023-2024年，NPEC安裝完成了兩套最新型的植物表型成像系統(tǒng)。NPEC分別將其命名為“太陽(yáng)神"（Helios）和 “冥王"（Hades）。其中“太陽(yáng)神"（Helios）系統(tǒng)為一套PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統(tǒng)。這套系統(tǒng)利用傳送帶將植物傳送到成像室中進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了高通量、高精度、低干擾、多角度的植物表型成像測(cè)量，同時(shí)還可自動(dòng)控制植物的生長(zhǎng)環(huán)境，包括澆灌、光照、溫度及動(dòng)態(tài)周期變化等。
“冥王"（Hades）系統(tǒng)則為一套PlantScreen高通量瓊脂培養(yǎng)植物表型成像分析系統(tǒng)。這是一套專(zhuān)門(mén)為瓊脂平板培養(yǎng)植物進(jìn)行自動(dòng)接種、培養(yǎng)與表型成像分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)為全自動(dòng)機(jī)器人操作，包括傾倒瓊脂、播種、層積催芽、接種、成像分析全自動(dòng)運(yùn)行。可容納2160個(gè)特制培養(yǎng)皿的全自動(dòng)全流程高通量表型分析。系統(tǒng)由具備GMO（轉(zhuǎn)基因生物）控制區(qū)的環(huán)控室、操作臺(tái)、培養(yǎng)柜（包括層積催芽柜）、機(jī)器人及成像工作站等組成，可進(jìn)行根系形態(tài)成像分析、GFP等熒光蛋白成像分析、葉綠素?zé)晒獬上穹治觥⒍喙庾V成像分析、高光譜成像（透射光）分析及熒光高光譜成像分析等
NPEC利用這些表型組學(xué)設(shè)備已經(jīng)開(kāi)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. 利用葉綠素?zé)晒夥治鰧?duì)番茄中馬鈴薯胞囊線蟲(chóng)感染進(jìn)行非侵入性、癥狀前檢測(cè)
馬鈴薯胞囊線蟲(chóng)（PCN）是全球馬鈴薯產(chǎn)區(qū)破壞性的病原線蟲(chóng)之一，每年造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。PCN在田間的侵染通常呈“病灶"狀分布，即僅在某些區(qū)域集中發(fā)生。然而，早期、精準(zhǔn)地定位這些病灶非常困難，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的土壤取樣和線蟲(chóng)鑒定方法既耗時(shí)又費(fèi)力。因此，開(kāi)發(fā)一種快速、非破壞性、癥狀前的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的局部防控、減少農(nóng)藥使用和降低經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。本研究旨在探索葉綠素?zé)晒夥治鲎鳛橐环N前沿的植物生理監(jiān)測(cè)技術(shù)，是否能夠通過(guò)檢測(cè)植物地上部光合系統(tǒng)的細(xì)微變化，來(lái)間接、早期地診斷出地下部根系的PCN侵染。
研究人員將番茄種植于PlantScreen高通量傳送帶表型系統(tǒng)的樣品托盤(pán)中，設(shè)置了5個(gè)不同梯度的PCN接種密度，利用PlantScreen系統(tǒng)的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧诮臃N后連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)26天的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像。
研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)PCN侵染的響應(yīng)遠(yuǎn)早于傳統(tǒng)生長(zhǎng)指標(biāo)：
1）極早期響應(yīng)： 在接種后第1天，反映光合速率的ΦPSII和光合系統(tǒng)熱耗散的NPQ就發(fā)生了顯著變化。此時(shí)，線蟲(chóng)可能尚未侵入根系，研究者推測(cè)可能是線蟲(chóng)卵自發(fā)孵化或其分泌的特定分子（效應(yīng)子）觸發(fā)了植物的早期免疫反應(yīng)所致。
2）高靈敏度： ΦPSII是對(duì)低水平侵染最敏感的指標(biāo)。即使在接種密度（5卵/克土）下，從第1天起就能檢測(cè)到其下降。而NPQ則在第1天對(duì)高接種密度表現(xiàn)出響應(yīng)。
最大光化學(xué)效率Fv/Fm、PSII潛在活性Fv/F0則響應(yīng)較晚且對(duì)低侵染水平不敏感。
本研究成功證明了：葉綠素?zé)晒夥治觯貏e是NPQ和ΦPSII這兩個(gè)參數(shù)，能夠作為一種極其靈敏的工具，在番茄植株出現(xiàn)任何可見(jiàn)癥狀之前，有效檢測(cè)出地下部的馬鈴薯胞囊線蟲(chóng)侵染。
2. 馬鈴薯對(duì)單一和復(fù)合脅迫的高通量表型成像分析
隨著氣候變化加劇，熱浪、洪澇和干旱等天氣事件頻發(fā)，嚴(yán)重威脅作物生產(chǎn)。馬鈴薯作為全球重要的糧食作物，其生長(zhǎng)和產(chǎn)量極易受到不良環(huán)境條件的影響。本研究旨在對(duì)馬鈴薯（栽培種 'Désirée'）應(yīng)對(duì)單一及復(fù)合非生物脅迫（高溫、干旱、澇漬）進(jìn)行綜合性分析，通過(guò)整合高通量表型分析和多組學(xué)數(shù)據(jù)，深入理解馬鈴薯在模擬未來(lái)現(xiàn)實(shí)氣候情景下的脅迫響應(yīng)機(jī)制，并建立了一個(gè)生物信息學(xué)分析流程來(lái)整合這些復(fù)雜數(shù)據(jù)。這項(xiàng)研究由包括荷蘭瓦赫寧根大學(xué)和烏得勒支大學(xué)在內(nèi)的多家歐洲學(xué)術(shù)與科研單位參與，是歐盟ADAPT馬鈴薯育種項(xiàng)目的重要研究成果之一。
研究人員對(duì)馬鈴薯植株施加單一脅迫（熱應(yīng)激 H、干旱 D、澇漬 W）以及復(fù)合脅迫（熱+干旱 HD、熱+干旱+澇漬 HDW），并設(shè)置恢復(fù)期，以模擬田間可能出現(xiàn)的連續(xù)脅迫，并使用PlantScree高通量表型成像分析系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)表型分析，監(jiān)測(cè)植物體積、高度、葉面積、緊湊度等形態(tài)指標(biāo)，以及葉綠素?zé)晒猓ㄈ?/span>QY_Lss, Fv/Fm_Lss, qL_Lss）和熱成像（冠層溫度ΔT）等生理指標(biāo)。結(jié)果表明，所有脅迫均抑制生長(zhǎng)，但程度不同，復(fù)合脅迫HD的影響大于單一脅迫；澇漬（W）的影響最迅速和嚴(yán)重；三重脅迫（HDW）導(dǎo)致植株近乎死亡。而在光合系統(tǒng)損傷中，所有脅迫均降低了PSII的光化學(xué)效率（QY_Lss），其中熱應(yīng)激H脅迫影響最大。
結(jié)合其他組學(xué)數(shù)據(jù)，該研究證實(shí)了馬鈴薯對(duì)復(fù)合脅迫（尤其是熱+干旱+澇漬HDW）的敏感性，同時(shí)明確了高溫脅迫通過(guò)抑制光合作用和塊莖形成信號(hào)（SP6A）來(lái)影響產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該研究可為馬鈴薯抗逆育種提供重要的候選靶點(diǎn)和診斷工具，有助于加速培育適應(yīng)未來(lái)氣候變化的馬鈴薯品種。
3. 在高通量表型系統(tǒng)進(jìn)行單個(gè)葉片的光合能力追蹤測(cè)量
植物光合作用研究對(duì)生產(chǎn)力和產(chǎn)量至關(guān)重要。隨著高通量表型系統(tǒng)設(shè)施的發(fā)展，光合表型的測(cè)量變得可靠、高效。然而，盡管植物級(jí)別的表型分析已自動(dòng)化，但葉片級(jí)別的信息通常仍依賴(lài)于手動(dòng)標(biāo)注，限制了研究效率。本研究提出了一種新方法，用于在植物（以擬南芥為例）的頂部拍攝圖像時(shí)間序列中，對(duì)單個(gè)葉片進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、分割和追蹤。
研究者將兩個(gè)擬南芥生態(tài)型（Col-0 和 Ely）在PlantScree XY三維移動(dòng)表型成像系統(tǒng)中進(jìn)行不同光處理（恒定光與波動(dòng)光），并分析其光合參數(shù)（最大光量子產(chǎn)量Fv/Fm和光系統(tǒng)II實(shí)際效率ΦPSII）。植株級(jí)別葉綠素?zé)晒獬上穹治霰砻?/span>Col-0的Fv/Fm和ΦPSII均顯著高于Ely，且Ely的光合參數(shù)對(duì)波動(dòng)光處理的響應(yīng)更明顯。葉片級(jí)別葉綠素?zé)晒獬上穹治鰟t進(jìn)一步表明葉片年齡和葉序顯著影響光合能力及其對(duì)光處理的響應(yīng)。在Ely中，葉片Fv/Fm在其出現(xiàn)約一周后達(dá)到峰值然后下降；幼葉對(duì)波動(dòng)光的ΦPSII響應(yīng)比老葉更強(qiáng)烈。
該方法能夠高效、自動(dòng)化地追蹤單個(gè)葉片，為研究葉片發(fā)育、光合作用動(dòng)態(tài)及其遺傳基礎(chǔ)提供了有力的新工具。
4. 不同光照強(qiáng)度對(duì)羅勒采后耐冷性的影響
羅勒（Ocimum basilicum L.）作為熱帶草本植物，在低于10–12℃的低溫貯藏時(shí)易發(fā)生冷害，表現(xiàn)為葉片褐斑、壞死、失去光澤等。本研究希望通過(guò)采收前短期高光處理（EOP）提升羅勒的碳水化合物和抗氧化物質(zhì)含量，看是否能夠增強(qiáng)其采后耐冷性。研究人員將兩個(gè)羅勒品種（Emily 和 Dolly）在垂直農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，使用LED光源（150 μmol·m?2·s?1）進(jìn)行培養(yǎng)。采收前5天，分別施加50、150、300、600 μmol·m?2·s?1的光照強(qiáng)度。采后葉片在4°C（冷害條件）和12°C（非冷害條件）下黑暗貯藏12天，定期取樣分析。
利用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，羅勒葉片最大光化學(xué)效率Fv/Fm在4°C貯藏下顯著下降，但EOP光強(qiáng)對(duì)其無(wú)顯著影響。Fv/Fm反映了植物光合反應(yīng)中心在脅迫條件下的損傷程度，是目前衡量植物受脅迫程度與抗性高低的指標(biāo)之一。因此，結(jié)果表明，EOP高光可有效提升羅勒的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值（碳水化合物、迷迭香酸、抗壞血酸），但未能增強(qiáng)羅勒的耐冷性。
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? 國(guó)際PlantScreen植物高通量表型成像分析系統(tǒng)，有傳送帶版、XYZ版、PlantScreen SC、根系表型分析等不同功能規(guī)格供選配
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? ET-LEDIF葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)系統(tǒng)
? 模塊式作物表型成像分析系統(tǒng)
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