FluorCam多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)應(ying)用(yong)案例(li)——氮(dan)素營養(yang)狀況(kuang)評估(gu)

氮素(su)是(shi)植(zhi)物(wu)重(zhong)要的(de)營養(yang)元素之(zhi)壹(yi)。傳(chuan)統的(de)氮(dan)素分(fen)析(xi)方法(fa)需(xu)要對(dui)葉(ye)片(pian)進(jin)行烘幹(gan)消(xiao)解(jie)處理，不但費時費力(li)，還(hai)要使(shi)用(yong)大量(liang)對(dui)環境有(you)汙(wu)染的化(hua)學(xue)藥品(pin)，更(geng)重要的(de)是(shi)難以(yi)對同壹(yi)植(zhi)株(zhu)進行跟(gen)蹤檢(jian)測，在野外(wai)大(da)田(tian)采樣測量(liang)也(ye)非(fei)常(chang)不(bu)方(fang)便(bian)。為(wei)了更加(jia)便(bian)捷準確(que)地(di)進行植(zhi)物(wu)/作物氮素營養(yang)狀況(kuang)評估(gu)，新(xin)型無損檢(jian)測(ce)技(ji)術(shu)無疑是必(bi)需(xu)的(de)。

近日(ri)，Journal of Experimental Botany在(zai)線發(fa)表(biao)浙(zhe)江(jiang)大(da)學(xue)題(ti)為(wei)“Optimal temporal-spatial fluorescence techniques for phenotyping nitrogen status in oilseed rape (Brassica napus L.)”的(de)研(yan)究(jiu)論文。

浙(zhe)江(jiang)大(da)學(xue)的研究(jiu)人員使用(yong)了三(san)種(zhong)熒光(guang)技(ji)術(shu)——OJIP快速葉(ye)綠素熒光(guang)動(dong)力(li)學(xue)技(ji)術(shu)、脈沖(chong)調(tiao)制(zhi)式葉(ye)綠素熒光(guang)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)和(he)多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)獲取了不同氮(dan)素(su)處理下油(you)菜(cai)不同生(sheng)長時(shi)期以(yi)及(ji)不(bu)同葉(ye)位的(de)熒(ying)光數據。通過對(dui)熒光(guang)信號(hao)數據的(de)單因(yin)素(su)方差分(fen)析(xi)和(he)線性(xing)判(pan)別分(fen)析(xi)，闡明(ming)了不同氮(dan)素(su)處理的油(you)菜(cai)葉(ye)綠素熒光(guang)信號(hao)在不(bu)同生(sheng)長時(shi)期的(de)垂(chui)直分(fen)布(bu)狀態(tai)，從(cong)而(er)揭示(shi)氮(dan)素(su)診斷葉(ye)位、時(shi)期(qi)與熒(ying)光信號(hao)獲取技(ji)術(shu)。本(ben)研(yan)究(jiu)首(shou)先(xian)在室內(nei)通過盆栽實驗展開(kai)相(xiang)關研(yan)究(jiu)，後(hou)進(jin)行了田(tian)間實驗的驗證，進(jin)而(er)確(que)保(bao)了結果(guo)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)與可重復(fu)性(xing)。

圖(tu)1. 左(zuo)：典型(xing)樣品(pin)的(de)RGB成像；右：實驗設計(ji)流程

 
葉(ye)片(pian)氮(dan)素與植(zhi)物(wu)的(de)光(guang)合能(neng)力(li)和(he)葉(ye)綠素含量(liang)密(mi)切(qie)相(xiang)關。OJIP與(yu)脈沖調(tiao)制(zhi)式葉(ye)綠素熒光(guang)技(ji)術(shu)獲得的相(xiang)關參(can)數直接反映(ying)植(zhi)物(wu)的(de)光(guang)合能(neng)力(li)與(yu)電(dian)子傳(chuan)遞鏈的生(sheng)理變(bian)化(hua)。多(duo)光譜(pu)熒光(guang)技(ji)術(shu)測量(liang)的(de)紅色熒(ying)光RF和(he)近紅外(wai)熒(ying)光(guang)IrF則直接反映(ying)了葉(ye)綠素含量(liang)，之(zhi)前的相(xiang)關研(yan)究(jiu)已經指出(chu)RF/IrF這壹(yi)比率與(yu)葉(ye)綠素濃度成(cheng)負(fu)相(xiang)關。這就(jiu)是使用這三(san)種(zhong)技(ji)術(shu)進行氮素(su)檢(jian)測的理論基礎。

圖(tu)2. 左(zuo)：相(xiang)關葉(ye)綠素熒光(guang)參(can)數；右：多(duo)光譜(pu)熒光(guang)RF/IrF成(cheng)像(xiang)圖(tu)

 
研究(jiu)結果(guo)表(biao)明(ming)，在抽(chou)薹期，底(di)層(ceng)葉(ye)片(pian)的(de)葉(ye)綠素熒光(guang)參(can)數Fv/Fm（脈沖(chong)調(tiao)制(zhi)式葉(ye)綠素熒光(guang)技(ji)術(shu)）和(he)PI_ABS（OJIP快速葉(ye)綠素熒光(guang)動(dong)力(li)學(xue)技(ji)術(shu)）對油(you)菜(cai)氮素狀況(kuang)較為(wei)敏(min)感，而(er)頂(ding)葉(ye)的(de)RF/IrF（多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)）在苗(miao)期(qi)早期敏(min)感。在保(bao)證結(jie)果(guo)準確(que)率(lv)的前提(ti)下(xia)，相(xiang)比其(qi)他(ta)兩種(zhong)技(ji)術(shu)，多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)有其(qi)*的(de)優勢。首(shou)先(xian)，多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)在葉(ye)片(pian)頂(ding)部(bu)的(de)敏(min)感度高(gao)且檢測(ce)的時(shi)間(jian)也(ye)早；其(qi)次(ci)，相(xiang)較於(yu)其(qi)他(ta)葉(ye)綠素熒光(guang)技(ji)術(shu)，多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)不需(xu)要暗(an)適(shi)應(ying)，因(yin)此(ci)更(geng)適(shi)合用於(yu)田(tian)間冠(guan)層(ceng)尺度的(de)檢(jian)測。綜(zong)上(shang)，本(ben)研(yan)究(jiu)推斷(duan)出(chu)多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)在油(you)菜(cai)氮素水(shui)平(ping)的(de)田(tian)間早期診(zhen)斷(duan)中(zhong)擁有(you)較高(gao)潛(qian)力(li)。本(ben)研(yan)究(jiu)可為氮(dan)素施(shi)肥管理決策和(he)高(gao)產品(pin)種(zhong)選(xuan)育提(ti)供理論和(he)技(ji)術(shu)支持(chi)。

    基於這三(san)種(zhong)技(ji)術(shu)，目前有可以(yi)進行成像(xiang)測(ce)量(liang)和(he)僅能(neng)進行點(dian)測量(liang)的(de)兩(liang)類(lei)儀(yi)器。而(er)對於(yu)類(lei)似研究(jiu)來說(shuo)，成(cheng)像儀器(qi)無疑是具(ju)有巨(ju)大優勢的。本(ben)研(yan)究(jiu)中(zhong)脈沖(chong)調(tiao)制(zhi)式葉(ye)綠素熒光(guang)成(cheng)像(xiang)和(he)多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)分(fen)析(xi)都是使用(yong)的(de)FluorCam開(kai)放(fang)式多(duo)光譜(pu)成像(xiang)系(xi)統。這壹(yi)系(xi)統是(shi)目前上(shang)*份可同時(shi)進(jin)行脈沖(chong)調(tiao)制(zhi)式葉(ye)綠素熒光(guang)成(cheng)像(xiang)、多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)和(he)NDVI歸壹(yi)化(hua)植(zhi)被(bei)指(zhi)數成像(xiang)的儀(yi)器(qi)。而(er)且其(qi)升(sheng)級型號(hao)更可以(yi)增加(jia)OJIP快速葉(ye)綠素熒光(guang)成(cheng)像(xiang)功能(neng)。由(you)於(yu)OJIP快速葉(ye)綠素熒光(guang)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)難度(du)較大(da)，FluorCam也(ye)是目前*份能(neng)進行這壹(yi)成(cheng)像(xiang)分(fen)析(xi)的儀器。因(yin)為(wei)條件(jian)限(xian)制，本(ben)研(yan)究(jiu)中(zhong)OJIP測量(liang)則只能(neng)使用(yong)具備這壹(yi)功(gong)能(neng)的手持(chi)式葉(ye)綠素熒光(guang)儀(yi)進(jin)行葉(ye)片(pian)單點(dian)測量(liang)。

圖(tu)3. 左(zuo)：FluorCam開(kai)放(fang)式多(duo)光譜(pu)成像(xiang)系(xi)統；中(zhong)：使用(yong)FluorCam系(xi)統進(jin)行的擬(ni)南(nan)芥OJIP快速葉(ye)綠素熒光(guang)成(cheng)像(xiang)分(fen)析(xi)；右：可同時(shi)進(jin)行OJIP與脈(mai)沖(chong)調(tiao)制(zhi)式葉(ye)綠素熒光(guang)測(ce)量(liang)的(de)FluorPen手持(chi)式葉(ye)綠素熒光(guang)儀(yi)

 
浙(zhe)江(jiang)大(da)學(xue)使用FluorCam系統已經發(fa)表(biao)了近10篇SCI文獻。而(er)在相(xiang)關氮(dan)素營養(yang)研究(jiu)中(zhong)，Specim高(gao)光(guang)譜(pu)成像(xiang)技(ji)術(shu)也是(shi)被廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的。浙(zhe)江(jiang)大(da)學(xue)之前就使用這壹(yi)技(ji)術(shu)研究(jiu)了胡(hu)椒(jiao)總(zong)氮的空(kong)間(jian)分(fen)布(bu)。高(gao)光(guang)譜(pu)成像(xiang)技(ji)術(shu)與熒(ying)光成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)結合則可以(yi)進行更加(jia)全(quan)面的植(zhi)物(wu)營養(yang)表(biao)型(xing)研(yan)究(jiu)。

圖(tu)4. 左(zuo)：Specim IQ智(zhi)能(neng)高(gao)光(guang)譜(pu)成像(xiang)儀(yi)；中(zhong)：PhenoPlot輕便(bian)型(xing)光(guang)譜(pu)成像(xiang)技(ji)術(shu)方案；右(you)：浙(zhe)江(jiang)大(da)學(xue)使用Specim技(ji)術(shu)進行的胡(hu)椒(jiao)總(zong)氮空(kong)間(jian)分(fen)布(bu)研究(jiu)

 
參考文獻：

• Sun D, et al. 2020. Optimal temporal–spatial fluorescence techniques for phenotyping nitrogen status in oilseed rape. Journal of Experimental Botany, doi:10.1093/jxb/eraa372
• Yu K Q, et al. 2014. Hyperspectral Imaging for Mapping of Total Nitrogen Spatial Distribution in Pepper Plant. PLoS ONE 9(12): e116205. doi:10.1371/journal.pone.0116205

北京易(yi)科泰(tai)生(sheng)態技(ji)術(shu)公司(si)提(ti)供植(zhi)物(wu)/作物營養(yang)研究(jiu)全(quan)面技(ji)術(shu)方案：
FluorPen手持(chi)儀(yi)葉(ye)綠素熒光(guang)儀(yi)
FluorCam葉(ye)綠素熒光(guang)成(cheng)像(xiang)系統
FluorCam多(duo)光譜(pu)熒光(guang)成(cheng)像(xiang)系統
Thermo-RGB紅外(wai)熱成像(xiang)技(ji)術(shu)
SpectraPen/PolyPen、Specim高(gao)光(guang)譜(pu)測量(liang)技(ji)術(shu)
PhenoPlot®輕便(bian)型(xing)作物植(zhi)物(wu)表(biao)型(xing)成(cheng)像(xiang)分(fen)析(xi)系統
PhenoTron-SR植(zhi)物(wu)表(biao)型(xing)成(cheng)像(xiang)分(fen)析(xi)系統
PlantScreen植(zhi)物(wu)高(gao)通量(liang)表(biao)型(xing)成(cheng)像(xiang)分(fen)析(xi)平臺