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  PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)基于Sensor-to-Plant運行模式設(shè)計。葉綠素?zé)晒?、RGB、紅外熱成像、高光譜、激光雷達等多種表型成像傳感器均安裝在一個掃描成像平臺上。掃描成像平臺通過機械裝置可以在XYZ三個方向自由移動，根據(jù)下方樣品的位置、高度自動調(diào)整并測量。這一系統(tǒng)的優(yōu)點在于樣品可以種植在樣品盆中，也可直接種在土壤中，還可以進行水培。系統(tǒng)的大小可靈活定制，可安裝在溫室中，尤其適于安裝在人工氣候室或大型步入式培養(yǎng)箱中。

左圖：韓國國家農(nóng)業(yè)科學(xué)院的PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)，安裝在Fytoscope大型步入式培養(yǎng)室中；右圖：PSI表型研究中心的PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)，安裝在溫室中

  PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)已在歐洲、亞洲、澳洲等多國安裝運行并取得了一系列研究成果。本文我們主要通過幾個種子活力評估與種苗抗逆研究的相關(guān)案例，來介紹PlantScreen XYZ系統(tǒng)的功能特點：

案例一、捷克帕拉茨基大學(xué)：利用高通量表型成像系統(tǒng)對擬南芥種子萌發(fā)與種苗活力進行高通量連續(xù)檢測

1. 高通量表型種質(zhì)資源活力評估方法的探索

捷克帕拉茨基大學(xué)（Palacký University Olomouc）是較早使用高通量表型成像技術(shù)進行種質(zhì)資源活力評估的科研單位之一。研究人員使用一套PlantScreen XYZ三維掃描植物表型成像分析系統(tǒng)在嚴(yán)格控制培養(yǎng)條件的情況下，對多孔板上萌發(fā)的擬南芥幼苗進行不同濃度的鹽脅迫處理，同時進行連續(xù)RGB成像，考察其在9天生長過程中的形態(tài)變化。

左圖：多孔板篩選擬南芥生長的高通量表型方法；中圖：實驗測量過程與RGB成像圖；右圖：帕拉茨基大學(xué)裝備的PlantScreen XYZ植物表型成像分析系統(tǒng)

  結(jié)果表明，擬南芥種苗面積增長和相對生長率（RGR）隨鹽濃度升高而下降，同時發(fā)現(xiàn)顯著的營養(yǎng)條件與鹽脅迫交互作用。高濃度鹽脅迫下，擬南芥種苗出現(xiàn)明顯黃化與死亡。而高營養(yǎng)水平可能會加重鹽離子毒害效應(yīng)。

鹽脅迫下擬南芥種苗的綠色面積、相對生長率和存活率動態(tài)變化

  這一高通量種質(zhì)活力檢測方法的優(yōu)勢在于：通量高，單次運行可測上萬株樣品；速度快、時間分辨率高，最快可做到 2 小時級監(jiān)測；重復(fù)性好，幼苗生長同步化、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化，多重復(fù)間差異極小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；RGB成像不損傷植株，可長期跟蹤同一批個體，能夠與高光譜、葉綠素?zé)晒獾绕渌硇统上駛鞲衅髀?lián)用。

2. 利用高通量表型評估方法評估生物刺激素對種子萌發(fā)、種苗生長與抗逆的作用

  在后續(xù)的研究中，帕拉茨基大學(xué)又進一步研究了多胺、氨基酸、蛋白水解物等生物刺激素對擬南芥種子進行預(yù)處理，是否能提高種子萌發(fā)率與鹽脅迫抗性。除了利用RGB成像分析形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，研究人員還利用反射光譜原理計算了歸一化綠紅差值指數(shù)NGRDI、綠色指數(shù)GLI、可見光大氣阻抗植被指數(shù)VARI等植被指數(shù)，用于考察擬南芥的營養(yǎng)狀況和脅迫耐受性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些生物刺激素對擬南芥種子活力與鹽脅迫抗性的影響不一。其中腐胺（Put）在所有濃度和處理條件下均表現(xiàn)最優(yōu)，既是強促生長劑，又是有效脅迫緩解劑。其他生物刺激素，有的只有在特定濃度才能發(fā)揮效應(yīng)，有的則僅能促進生長。

  這一研究證明了PlantScreen XYZ三維掃描植物表型成像分析系統(tǒng)在篩選農(nóng)藥有效性上的靈敏性與可靠性，也為進一步的農(nóng)藥機理及葉綠素?zé)晒?、高光譜等植物表型響應(yīng)研究進行了前期開拓。

左：利用PlantScreen XYZ植物表型成像分析平臺的擬南芥種子活力實驗示意圖；右：重度鹽脅迫下各種生物刺激素對擬南芥種子萌發(fā)率、種苗生長能力、葉片顏色指數(shù)的影響

參考文獻：

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, Dole?al 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、荷蘭植物生態(tài)表型中心NPEC——番茄在波動光及低溫條件下光合作用響應(yīng)的自然表型變異

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)和運營。其裝備了多套不同型號的PlantScreen植物表型成像系統(tǒng)與FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)，其中包含3套安裝在FytoScope大型步入式水培植物生長室中的PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)。

左圖：FytoScope大型步入式水培植物生長室；右圖：PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)：成像平臺上集成有葉綠素?zé)晒?、多光譜熒光、RGB、高光譜、紅外熱成像等多種表型成像傳感器，成像平臺可XYZ三維移動并自動測量

  在NPEC最新的研究成果中，研究人員旨在探究如何通過挖掘光合作用相關(guān)性狀的自然遺傳變異，來培育適應(yīng)氣候變化的作物。他們使用了番茄MAGIC群體的四個親本系：Nagcarlan（P1，耐熱）、North Carolina heatset-1（P2，中等耐熱）、Delfo parent 1（P3）和 Delfo parent 2（P4），以及對照品種 Moneymaker（MM）。在PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)配套的生長室中模擬低溫環(huán)境與波動光照條件（階梯式從200升至600 μmol m?² s?¹和階梯式從400降至200 μmol m?² s?¹），同時系統(tǒng)中的FluorCam調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上駟卧詣訖z測樣品的最大光化學(xué)效率Fv/Fm、實際光化學(xué)量子效率ΦPSII、波動光照下的響應(yīng)動力學(xué)等葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)。

左圖：實驗中的PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)及配套的植物生長室、水培裝置；右圖：低溫波動光照環(huán)境下的ΦPSII動力學(xué)曲線

  結(jié)果表明Fv/Fm和ΦPSII在低溫下均有所下降，但在溫度恢復(fù)后能回到處理前水平，表明低溫造成的影響是生理性的、可逆的，而非永久性光損傷。而各基因型光合作用對光強增減的響應(yīng)并不相同，這表明控制光合作用在光強增加和減少時瞬變響應(yīng)的生理因素是不同的。

  該研究在番茄MAGIC群體的親本系中，成功鑒定出了在波動光及低溫條件下光合作用響應(yīng)的自然表型變異。這些變異表明，通過遺傳手段改良光合作用對波動光和低溫的響應(yīng)是可行的。在未來的研究中，進一步定位控制這些性狀的數(shù)量性狀位點（QTL），將有利等位基因?qū)朐耘嗥贩N，將能培育出光合效率更高、氣候適應(yīng)性更強的作物。

參考文獻：

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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• 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

左圖：荷蘭瓦赫寧根大學(xué)裝備的PlantScreen傳送帶式植物表型成像分析系統(tǒng)和PlantScreen XYZ 三維掃描植物表型成像分析系統(tǒng)

• FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)與FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)，幾千篇國際科研文獻可供參考

左圖：新一代FluorCam1300多激發(fā)光多光譜熒光成像系統(tǒng)；右：利用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)測量番茄種子萌發(fā)率并評估種苗活力