植物表型知多少？以不同基因型小麦干旱和热胁迫响应研究为例

Ø What is PlantPhenomics?

植物表型组学是通过表型分析系统，在不利条件下筛选理想农业性状，研究植物发育、生理活性、健康状态的学科。该方法采用综合技术手段，能动态评估植物的应激反应，具备高时间分辨率优势。借助集成式高通量植物表型分析平台，结合成像传感器、机器人技术和计算机视觉技术，可实现对多种植物性状的动态无损检测。通过筛选生长速率、光合活性和耐温性等表型特征来评估植物在非生物胁迫下的表现，对于筛选抗逆性优良品种至关重要。

Ø 表型技术有哪些？

RGB成像技术：拍摄彩色图像，可量化植物形态学参数，比如株高、冠层面积、体积、叶倾角等。此外，还可以通过分析叶片颜色变化来检测叶片衰老。

叶绿素荧光/多光谱荧光成像技术：叶绿素荧光测量作为光系统II（PSII）活性的非侵入性检测手段，可用于监测植物光合状态，并在胁迫条件下检测PSII功能损伤。多光谱荧光则是次生代谢水平、胁迫状态的灵敏指示。

红外热成像技术：测量冠层温度，可直观反映气孔调控机制及叶片的散热能力，比如冠层温度差（即空气与叶片温度之差）反映植物对干旱和高温胁迫的耐受能力。

高光谱成像技术：则能够通过捕捉数百个连续波段的光谱信息，精细解析植物体内的色素含量、水分状况及氮素水平等生化参数，为早期、非侵入式诊断植物胁迫响应提供了独特视角。

另外，还包含3D激光扫描技术构建3维图像和数据等。成像系统搭配移动平台、光源培养、称重/浇灌、环境监测、强大的控制和数据分析软件等，构成自动化、智能化、高通量的表型分析工具。

Ø 易科泰生态技术——提供专业全面的植物表型解决方案   

易科泰是专业的叶绿素荧光/多光谱荧光成像技术、高光谱成像技术、Thermo-RGB成像技术等的产品提供者，致力于为科研和应用领域提供先进的表型系统方案，拥有PlantScreen表型成像技术，PhenoTron表型分析平台、PhenoPlot近地遥感平台、数字化植物工厂等系列产品，对于实验室、温室、田间等不同场景均有不同适用方案。

Ø 易科泰表型实际应用？以小麦胁迫响应研究为例

发表于 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术对干旱、高温及其复合胁迫对四种北欧小麦基因型的影响进行了综合评价，以筛选耐受性强的品种。

在气候变化背景下，干旱与高温胁迫已成为影响农作物产量的主要挑战，因此筛选能够适应恶劣气候条件的小麦品种，是作物育种与生产领域的重点攻关方向。由于植物已进化出多种适应性生理与代谢机制，不同基因型对胁迫的敏感程度存在差异。大量研究已深入探讨作物对单一胁迫的生理响应机制。然而，作物对多种非生物胁迫的组合效应的反应却大相径庭。

本研究中，根据热敏感性筛选出四个基因型（热敏感型：LM19、SF1；热耐受型：LM62、NS3）。研究人员对分蘖期小麦植株实施四种胁迫处理：对照组、干旱胁迫、高温胁迫及干旱与高温联合作用。干旱处理16天，高温与复合胁迫均处理11天，之后3天恢复期。通过PlantScreen表型分析系统RGB，对植物在胁迫早期、晚期及恢复期的形态生理特征进行了量化评估。

1. 形态学分析（RGB成像）

对小麦进行持续的顶端（top view）和侧面（side view）成像监测，获得相对生长速率（RGR）、植株体积等性状参数，从而分析4个基因型小麦在不同胁迫条件下的生长差异。

2. 光合性能（叶绿素荧光成像）

该实验的叶绿素荧光成像监测部分，设计了光适应测量程序和暗适应与光响应曲线测量程序两种方案，在一天中的不同时间通过PlantScreen系统自动完成，分析Fq’/Fm’（PSⅡ运行效率）、qL（PSⅡ反映中心开发比例，反映植物光合作用适应能力）、Fv/Fm（PSⅡ最大光量子效率）、NPQ（非光化学荧光淬灭，反应热耗散）等荧光参数的变化，从而获得不同基因型在不同胁迫下的响应差异。

叶绿素荧光成像结果表明，LM19和LM62基因型对后期干旱胁迫更为敏感；热敏感基因型对于后期热胁迫耐受性极低；NS3在复合胁迫下仍保持较高的光系统II效率，在单一胁迫阶段也表现较强的光合和恢复能力。Fv/Fm在干旱胁迫下无显著差异，可能是胁迫程度不够，这与以往干旱研究结论相符

3. 气孔与蒸腾（红外热成像）

冠层温度是一种重要的生理特征，可用于筛选热敏感和耐热基因型，因为它反映了冠层的二氧化碳同化和气孔调节。本研究通过热红外成像技术监测小麦冠层温度。

4. 手持式设备辅助验证

研究中还使用了PolyPen RP410手持式高光谱测量仪和FP100（FP110的上一版本）手持式荧光测量仪对小麦进行了测量

PolyPen RP410主要用于获取反映植物色素、健康等信息的植被指数，当然这也可以通过在表型系统中配置功能更强的高光谱成像单元来实现。FP100则主要用来与表型成像数据对比。

研究中还结合了土壤水分、叶绿素含量等数据，对不同基因型小麦的胁迫响应及机制进行了综合评估与分析，证明NS3是耐受性的基因型，适应性强，尤其在复合胁迫下表现突出。SF1对单一胁迫有较好耐受性，但对复合胁迫敏感。LM19和LM62在干旱后期和复合胁迫下表现较差。表型成像技术能有效、动态地评估小麦对复杂环境胁迫的响应，为育种提供可靠工具。

易科泰生态技术公司设有EcoTech实验室、光谱成像与无人机遥感技术研究中心及SpectrAPP 光谱成像创新应用项目，文中提到的技术设备，易科泰均有提供，欢迎了解！