三维扫描植物表型成像分析系统应用案例：种子活力评估与种苗抗逆研究

PlantScreen XYZ三维扫描植物表型成像分析系统应用案例：种子活力评估与种苗抗逆研究

PlantScreen XYZ三维移动式植物表型成像分析系统基于Sensor-to-Plant运行模式设计。叶绿素荧光、RGB、红外热成像、高光谱、激光雷达等多种表型成像传感器均安装在一个扫描成像平台上。扫描成像平台通过机械装置可以在XYZ三个方向自由移动，根据下方样品的位置、高度自动调整并测量。这一系统的优点在于样品可以种植在样品盆中，也可直接种在土壤中，还可以进行水培。系统的大小可灵活定制，可安装在温室中，尤其适于安装在人工气候室或大型步入式培养箱中。

PlantScreen XYZ三维移动式植物表型成像分析系统已在欧洲、亚洲、澳洲等多国安装运行并取得了一系列研究成果。本文我们主要通过几个种子活力评估与种苗抗逆研究的相关案例，来介绍PlantScreen XYZ系统的功能特点：

案例一、捷克帕拉茨基大学：利用高通量表型成像系统对拟南芥种子萌发与种苗活力进行高通量连续检测

1. 高通量表型种质资源活力评估方法的探索

捷克帕拉茨基大学（Palacký University Olomouc）是较早使用高通量表型成像技术进行种质资源活力评估的科研单位之一。研究人员使用一套PlantScreen XYZ三维扫描植物表型成像分析系统在严格控制培养条件的情况下，对多孔板上萌发的拟南芥幼苗进行不同浓度的盐胁迫处理，同时进行连续RGB成像，考察其在9天生长过程中的形态变化。

结果表明，拟南芥种苗面积增长和相对生长率（RGR）随盐浓度升高而下降，同时发现显著的营养条件与盐胁迫交互作用。高浓度盐胁迫下，拟南芥种苗出现明显黄化与死亡。而高营养水平可能会加重盐离子毒害效应。

这一高通量种质活力检测方法的优势在于：通量高，单次运行可测上万株样品；速度快、时间分辨率高，可做到 2 小时级监测；重复性好，幼苗生长同步化、环境标准化，多重复间差异极小，数据稳定可靠；RGB成像不损伤植株，可长期跟踪同一批个体，能够与高光谱、叶绿素荧光等其他表型成像传感器联用。

2. 利用高通量表型评估方法评估生物刺激素对种子萌发、种苗生长与抗逆的作用

在后续的研究中，帕拉茨基大学又进一步研究了多胺、氨基酸、蛋白水解物等生物刺激素对拟南芥种子进行预处理，是否能提高种子萌发率与盐胁迫抗性。除了利用RGB成像分析形态学数据，研究人员还利用反射光谱原理计算了归一化绿红差值指数NGRDI、绿色指数GLI、可见光大气阻抗植被指数VARI等植被指数，用于考察拟南芥的营养状况和胁迫耐受性。结果发现，这些生物刺激素对拟南芥种子活力与盐胁迫抗性的影响不一。既是强促生长剂，又是有效胁迫缓解剂。其他生物刺激素，有的只有在特定浓度才能发挥效应，有的则仅能促进生长。

这一研究证明了PlantScreen XYZ三维扫描植物表型成像分析系统在筛选农药有效性上的灵敏性与可靠性，也为进一步的农药机理及叶绿素荧光、高光谱等植物表型响应研究进行了前期开拓。

参考文献：

1. De Diego N, Fürst T, Humplík JF, Ugena L, Podlešáková K and Spíchal L (2017) An Automated Method for High-Throughput Screening of Arabidopsis Rosette Growth in Multi-Well Plates and Its Validation in Stress Conditions. Front. Plant Sci. 8:1702

2. Ugena L, Hýlová A, Podlešáková K, Humplík JF, Doležal K, De Diego N and Spíchal L (2018) Characterization of Biostimulant Mode of Action Using Novel Multi-Trait High-Throughput Screening of Arabidopsis Germination and Rosette Growth. Front. Plant Sci. 9:1327.

3. Sorrentino M, De Diego N, Ugena L, Spíchal L, Lucini L, Miras-Moreno B, Zhang L, Rouphael Y, Colla G and Panzarová K (2021) Seed Priming With Protein Hydrolysates Improves Arabidopsis Growth and Stress Tolerance to Abiotic Stresses. Front. Plant Sci. 12:626301.

案例二、荷兰植物生态表型中心NPEC——番茄在波动光及低温条件下光合作用响应的自然表型变异

荷兰植物生态表型中心（Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre，NPEC）由荷兰瓦赫宁根大学（Wageningen University & Research, WUR）与乌得勒支大学（Utrecht University） 共同合作建设和运营。其装备了多套不同型号的PlantScreen植物表型成像系统与FluorCam叶绿素荧光成像系统，其中包含3套安装在FytoScope大型步入式水培植物生长室中的PlantScreen XYZ三维移动式植物表型成像分析系统。

在NPEC最新的研究成果中，研究人员旨在探究如何通过挖掘光合作用相关性状的自然遗传变异，来培育适应气候变化的作物。他们使用了番茄MAGIC群体的四个亲本系：Nagcarlan（P1，耐热）、North Carolina heatset-1（P2，中等耐热）、Delfo parent 1（P3）和 Delfo parent 2（P4），以及对照品种 Moneymaker（MM）。在PlantScreen XYZ三维移动式植物表型成像分析系统配套的生长室中模拟低温环境与波动光照条件（阶梯式从200升至600 μmol m⁻² s⁻¹和阶梯式从400降至200 μmol m⁻² s⁻¹），同时系统中的FluorCam调制叶绿素荧光成像单元自动检测样品的最大光化学效率Fv/Fm、实际光化学量子效率ΦPSII、波动光照下的响应动力学等叶绿素荧光指标。

结果表明Fv/Fm和ΦPSII在低温下均有所下降，但在温度恢复后能回到处理前水平，表明低温造成的影响是生理性的、可逆的。而各基因型光合作用对光强增减的响应并不相同，这表明控制光合作用在光强增加和减少时瞬变响应的生理因素是不同的。

该研究在番茄MAGIC群体的亲本系中，成功鉴定出了在波动光及低温条件下光合作用响应的自然表型变异。这些变异表明，通过遗传手段改良光合作用对波动光和低温的响应是可行的。在未来的研究中，进一步定位控制这些性状的数量性状位点（QTL），将有利等位基因导入栽培品种，将能培育出光合效率更高、气候适应性更强的作物。

参考文献：

1. Rayaprolu L, Jayasankar K, Aarts M G M, et al. Photosynthetic variation for climate‐resilient crops: photosynthetic responses to fluctuating light and chilling in tomato[J]. Physiologia Plantarum, 2025, 177(3): e70241.

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Ø PlantScreen植物高通量表型成像分析系统，有传送带版、XYZ版、PlantScreen SC、根系表型分析等不同功能规格供选配

Ø FluorCam叶绿素荧光成像系统与FluorCam多光谱荧光成像系统，几千篇国际科研文献可供参考