種質(zhi)資(zi)源(yuan)研究(jiu)技術方案—種(zhong)子(zi)萌發率(lv)高(gao)通(tong)量(liang)檢(jian)測與(yu)活力(li)評(ping)估

種子(zi)活力(li)是(shi)種(zhong)子(zi)發芽(ya)和(he)出苗率(lv)、幼(you)苗(miao)生長(chang)的潛勢(shi)、植(zhi)株抗(kang)逆能力(li)和(he)生產潛力(li)的總和(he)（發芽(ya)和(he)出苗期(qi)間(jian)的活性水(shui)平與行為(wei)），是(shi)種(zhong)子(zi)品質(zhi)的重要(yao)指(zhi)標(biao)，具(ju)體(ti)包(bao)括吸(xi)漲(zhang)後(hou)旺盛(sheng)的代(dai)謝強(qiang)度(du)、出苗能力(li)、抗(kang)逆性、發芽(ya)速度(du)及(ji)同(tong)步(bu)性、幼(you)苗發育(yu)與產量潛力(li)。

種子(zi)萌發實驗(yan)無(wu)疑(yi)是(shi)直(zhi)接(jie)有(you)效的種子(zi)活力(li)檢(jian)測方(fang)法。但壹般的傳統(tong)方(fang)法需要(yao)人(ren)工(gong)計數(shu)來(lai)測量(liang)幼苗(miao)和(he)計算(suan)發芽(ya)率(lv)，工(gong)作量很(hen)多，幼(you)苗形態(tai)數(shu)據(ju)如(ru)胚根(gen)、胚軸(zhou)長(chang)度(du)等很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上只(zhi)能作為(wei)基礎數(shu)據(ju)使(shi)用(yong)，難以(yi)直接(jie)評(ping)估幼苗生長(chang)的潛勢(shi)、植(zhi)株抗(kang)逆能力(li)和(he)生產潛力(li)。因此(ci)，基於現代(dai)植(zhi)物表(biao)型組學(xue)研(yan)究(jiu)和(he)種(zhong)子(zi)活力(li)評(ping)估要(yao)求(qiu)，在(zai)種子(zi)萌發實驗(yan)中(zhong)還(hai)需要(yao)實時(shi)監測各(ge)種表(biao)型數(shu)據(ju)，而(er)不僅(jin)僅(jin)是(shi)傳統(tong)表(biao)型所(suo)說的形態(tai)數(shu)據(ju)。
 

赫(he)爾(er)辛基大(da)學(xue)的研究(jiu)人(ren)員(yuan)為(wei)了研究(jiu)壹種新的ABA響(xiang)應(ying)泛(fan)素(su)E3連接(jie)酶對擬南(nan)芥(jie)種子(zi)萌發活(huo)力(li)的影響(xiang)，設(she)計了壹個(ge)基於高(gao)通(tong)量(liang)葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)分(fen)析的萌發實驗(yan)。這(zhe)壹實驗(yan)主(zhu)要(yao)通(tong)過(guo)赫(he)爾(er)辛基大(da)學(xue)國(guo)家(jia)植(zhi)物表(biao)型研(yan)究(jiu)設(she)施（National Plant Phenotyping Infrastructure，NaPPI）中裝備(bei)的PlantScreen植(zhi)物表(biao)型成(cheng)像(xiang)分(fen)析系(xi)統(tong)完(wan)成(cheng)的。
 

赫爾(er)辛基大(da)學(xue)裝備(bei)的兩(liang)套(tao)PlantScreen植(zhi)物表(biao)型成(cheng)像(xiang)分(fen)析系(xi)統(tong)：
壹套適用(yong)於50cm以(yi)下(xia)的小(xiao)型植(zhi)株，如擬南(nan)芥(jie)或作物幼苗等（上(shang)圖(tu)）；
壹套適用(yong)於120cm以(yi)下(xia)的大(da)型(xing)植(zhi)株，如小(xiao)麥、玉(yu)米等（下(xia)圖）

PlantScreen植(zhi)物表(biao)型成(cheng)像(xiang)分(fen)析系(xi)統(tong)可以(yi)自(zi)動對(dui)植(zhi)物樣(yang)品進行連續培養和(he)表(biao)型監測，非(fei)常(chang)適(shi)用(yong)於進(jin)行高(gao)通(tong)量(liang)的種子(zi)萌發實驗(yan)。其(qi)配(pei)備(bei)的LED光照(zhao)控溫培(pei)養室(shi)能夠模擬理(li)想的光照(zhao)與溫度(du)條件(jian)。自(zi)動傳送系(xi)統(tong)可以(yi)按(an)設(she)置的序列(lie)自(zi)動讓樣品(pin)傳送到(dao)成(cheng)像(xiang)室(shi)。

種(zhong)子(zi)萌發率(lv)檢(jian)測則是(shi)基於FluorCam葉綠素熒光成(cheng)像(xiang)技術。在(zai)種子(zi)未(wei)萌發時(shi)，子(zi)葉沒有(you)展(zhan)開，也沒(mei)有(you)合成(cheng)葉(ye)綠(lv)素，因(yin)此幾(ji)乎(hu)不(bu)會被(bei)激發出葉綠(lv)素(su)熒光。而(er)壹旦種子(zi)萌發，甚(shen)至在(zai)子(zi)葉沒有(you)展(zhan)開時(shi)，系統(tong)內(nei)置的FluorCam葉綠(lv)素(su)熒光成(cheng)像(xiang)模塊就(jiu)可以(yi)檢(jian)測到(dao)種子(zi)的葉綠(lv)素(su)熒光。測量(liang)得到(dao)的大(da)葉(ye)綠(lv)素熒光Fm能夠非(fei)常(chang)有(you)效地(di)識別(bie)發芽(ya)的種子(zi)。的分析軟件(jian)能夠很(hen)容易地(di)將未(wei)萌發種(zhong)子(zi)和(he)背(bei)景去除掉，從而使(shi)發芽(ya)率(lv)計算(suan)極為(wei)準(zhun)確(que)。

高(gao)通(tong)量(liang)葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)分(fen)析工(gong)作流程(cheng)；

a.播種、放置樣(yang)品(pin)、成(cheng)像(xiang)測量(liang)、圖像(xiang)分(fen)析；b.大(da)葉(ye)綠(lv)素熒光Fm成(cheng)像(xiang)圖(tu)的分析過(guo)程(cheng)

葉(ye)綠素熒光成(cheng)像(xiang)分(fen)析後(hou)除了能獲得(de)準確(que)的動態(tai)發芽(ya)率(lv)曲(qu)線，還(hai)可以(yi)同(tong)時(shi)獲得壹系列(lie)與植(zhi)物光(guang)合能力(li)、抗(kang)性相(xiang)關的表(biao)型動態(tai)曲(qu)線，如(ru)葉綠(lv)素(su)熒光參數(shu)、冠(guan)層(ceng)面(mian)積(ji)等。葉(ye)綠(lv)素(su)熒光參數(shu)，例如(ru)QY_max大(da)光(guang)化(hua)學(xue)效(xiao)率(lv)（Fv/Fm，對(dui)各(ge)種脅(xie)迫極(ji)為(wei)敏(min)感(gan)）、Effective QY實際(ji)光(guang)化(hua)學(xue)效(xiao)率(lv)（量(liang)子(zi)產額(e)）、NPQ非光(guang)化學(xue)淬(cui)滅（與光(guang)系(xi)統(tong)熱(re)耗散(san)、光保(bao)護(hu)機制(zhi)有(you)關）、Rfd熒光衰(shuai)減比率(lv)等可以(yi)反映(ying)植(zhi)物光(guang)合能力(li)和(he)光(guang)系統(tong)抗(kang)逆能力(li)。PlantScreen配(pei)備(bei)的熱(re)成(cheng)像(xiang)單(dan)元(yuan)還(hai)可以(yi)提供冠(guan)層(ceng)和(he)葉(ye)片(pian)溫度(du)數(shu)據(ju)，反(fan)映(ying)植(zhi)物蒸(zheng)騰、水分利用(yong)狀態(tai)以(yi)及(ji)病害等脅(xie)迫信息。這些指(zhi)標(biao)已經(jing)廣泛(fan)用(yong)於幼(you)苗生長(chang)潛(qian)勢、植(zhi)株抗(kang)逆能力(li)和(he)生產潛力(li)的評(ping)估，並得到(dao)了大(da)量(liang)的驗證(zheng)。

同(tong)時(shi)熱(re)成(cheng)像(xiang)模塊還(hai)測量(liang)了發芽(ya)幼苗(miao)的冠(guan)層(ceng)溫度(du)，這與幼(you)苗(miao)的蒸騰(teng)速(su)率(lv)、水(shui)分(fen)利(li)用(yong)能力(li)密切(qie)相(xiang)關(guan)。

左：發芽(ya)率(lv)動態(tai)曲(qu)線；
右(you)：冠(guan)層(ceng)投(tou)影面(mian)積(ji)、各(ge)項葉(ye)綠(lv)素熒光參數(shu)、冠(guan)層(ceng)溫度(du)的動態(tai)曲(qu)線

因(yin)為(wei)各(ge)種原因，無法(fa)使(shi)用(yong)PlantScreen植(zhi)物表(biao)型成(cheng)像(xiang)分(fen)析系(xi)統(tong)進(jin)行種(zhong)子(zi)萌發活(huo)力(li)實驗(yan)的科(ke)學(xue)家(jia)，也可以(yi)選擇PhenoTron作物種質(zhi)資(zi)源(yuan)監測鑒(jian)定平(ping)臺。這壹平臺包括LED光(guang)照(zhao)培養箱(xiang)、FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成(cheng)像(xiang)、種(zhong)子(zi)形態(tai)分析、種(zhong)子(zi)代(dai)謝強(qiang)度(du)測量(liang)、高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)、熱(re)成(cheng)像(xiang)等儀(yi)器系統(tong)，可根據(ju)具(ju)體(ti)研(yan)究(jiu)需要(yao)靈活組合、定制(zhi)設計。

參考(kao)文獻：
Pavicic M, et al. 2019. High throughput in vitro seed germination screen identifed new ABA responsive RING‑type ubiquitin E3 ligases in Arabidopsis thaliana. Plant Cell, Tissue and Organ Culture 139: 563-575