易(yi)科泰植(zhi)物表型(xing)成像(xiang)技術應用(yong)：生物(wu)刺(ci)激素的效(xiao)能評估與機理研(yan)究(jiu)

由於(yu)人(ren)口增(zeng)長、氣(qi)候變化(hua)、環(huan)境(jing)汙染(ran)等(deng)原(yuan)因，世(shi)界(jie)糧(liang)食安(an)全正面(mian)臨愈加(jia)嚴(yan)峻的挑(tiao)戰(zhan)。目前(qian)，農(nong)業生(sheng)產不(bu)斷(duan)增(zeng)加化(hua)學農(nong)藥(yao)、合(he)成肥料的投(tou)入(ru)，雖(sui)然(ran)在(zai)壹定(ding)程度上保(bao)證了(le)糧(liang)食安(an)全，但是(shi)也造(zao)成(cheng)難(nan)以逆(ni)轉(zhuan)的環(huan)境(jing)惡(e)化(hua)。因(yin)此，近年來(lai)新(xin)出(chu)現(xian)的生(sheng)物刺(ci)激素（Biostimulant）作為(wei)壹類環境(jing)友好(hao)、安(an)全高效(xiao)的新(xin)型(xing)綠色農(nong)業產品(pin)逐(zhu)漸成(cheng)為(wei)農(nong)業研(yan)究(jiu)及(ji)商業化(hua)開(kai)發的壹(yi)個新(xin)熱(re)點。

目前(qian)被(bei)廣泛接(jie)受(shou)的生(sheng)物刺(ci)激素類別包(bao)括(kuo)：腐(fu)殖酸、蛋(dan)白水(shui)解物與氨(an)基(ji)酸、海(hai)藻(zao)提取(qu)物(wu)、無機(ji)鹽(yan)類、幾丁(ding)質(zhi)、殼聚(ju)糖及(ji)其衍(yan)生(sheng)物(wu)、微(wei)生(sheng)物(wu)菌劑(ji)、其他復合(he)有機(ji)物質(zhi)（甙、酸、多(duo)酚、多(duo)糖、萜類、黃酮、生(sheng)物(wu)堿、脂(zhi)類、維(wei)生素、抗(kang)生素等(deng)）。生(sheng)物刺(ci)激素不(bu)包(bao)含植(zhi)物必須礦(kuang)物質(zhi)元素、已(yi)知植(zhi)物激素或(huo)抗(kang)病(bing)因子(zi)，也不(bu)直接(jie)作用於(yu)病(bing)蟲害，而是(shi)通過(guo)與植(zhi)物信(xin)號(hao)轉(zhuan)導過(guo)程相互(hu)作(zuo)用，從(cong)而降(jiang)低逆(ni)境(jing)對植(zhi)物生長的影響(xiang)。同(tong)時，由於(yu)生物刺(ci)激素主要來源於(yu)生物提取(qu)的自然有機物(wu)質(zhi)與沒有(you)環(huan)境(jing)毒(du)害的無機(ji)鹽(yan)，天(tian)然(ran)具備(bei)優(you)良(liang)的環(huan)境(jing)友好(hao)性(xing)。

歐洲的生(sheng)物刺(ci)激素研(yan)究壹(yi)直走在(zai)前列(lie)。2019年，歐(ou)盟在(zai)其肥料產品(pin)法規中(zhong)最(zui)先將(jiang)生物(wu)刺激素作(zuo)為(wei)壹個(ge)單(dan)獨(du)類別納入(ru)其中(zhong)。而歐(ou)洲的農(nong)業科(ke)學家(jia)也最(zui)早(zao)植(zhi)物表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)技術應用(yong)於(yu)生物(wu)刺激素的效(xiao)能評估與機理研(yan)究(jiu)。植(zhi)物表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)技術的快(kuai)速、無損(sun)與環境(jing)友好(hao)性(xing)也正(zheng)與生物(wu)刺(ci)激素相(xiang)得(de)益(yi)彰。

植(zhi)物表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)技術可分(fen)為(wei)以下(xia)4大類技術，它們(men)在(zai)生物(wu)刺(ci)激素研(yan)究分(fen)別反(fan)映(ying)植(zhi)物的不(bu)同(tong)表(biao)型(xing)變化(hua)與生理過(guo)程：

下(xia)面(mian)我們(men)介(jie)紹部分(fen)新(xin)的研(yan)究成(cheng)果。

1. 植(zhi)物源蛋白水(shui)解物促(cu)進番茄(qie)生(sheng)長(chang)與抗(kang)旱

PSI表型(xing)研究(jiu)中心(xin)與意大(da)利圖西(xi)亞大學等(deng)科(ke)研單(dan)位(wei)合(he)作，利用PlantScreen高通(tong)量(liang)植(zhi)物表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)平臺，研究了6種植(zhi)物源蛋白水(shui)解物（vegetal-derived protein hydrolysates，PHs）的生(sheng)物刺(ci)激素功(gong)能。PlantScreen是壹(yi)套集光照培養、稱重(zhong)澆(jiao)灌(guan)、各種表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)於(yu)壹體(ti)的自動化(hua)高通(tong)量(liang)系(xi)統(tong)。研究人(ren)員通(tong)過(guo)葉(ye)綠素熒(ying)光(guang)成(cheng)像(xiang)、RGB彩色(se)形態成像(xiang)與紅外熱(re)成(cheng)像(xiang)對(dui)PHs處理的番茄(qie)進(jin)行(xing)連續(xu)地(di)表型(xing)跟蹤測量(liang)。在(zai)正常(chang)生(sheng)長(chang)條(tiao)件(jian)下(xia)，PHs提高了(le)番茄(qie)植(zhi)株(zhu)的數(shu)字(zi)生(sheng)物(wu)量(liang)、相對(dui)生長速率(lv)與生長(chang)效(xiao)能，但對(dui)葉綠素熒(ying)光(guang)參(can)數(shu)則(ze)沒有(you)顯(xian)著(zhu)影響(xiang)。在(zai)進壹(yi)步(bu)的研(yan)究中(zhong)，他們(men)利用PlantScreen的自動稱重(zhong)澆(jiao)灌(guan)功(gong)能模擬(ni)了不(bu)同(tong)程度的缺(que)水(shui)幹(gan)旱(han)脅(xie)迫，發現(xian)PHs提高了(le)缺(que)水(shui)條(tiao)件(jian)下(xia)番茄(qie)植(zhi)株(zhu)的數(shu)字(zi)生(sheng)物(wu)量(liang)，同(tong)時葉(ye)綠素熒(ying)光(guang)參(can)數(shu)Fm、ETR、qP等(deng)也表(biao)現(xian)出(chu)壹(yi)定(ding)的改(gai)善。PHs澆(jiao)灌(guan)則使(shi)植(zhi)株(zhu)的葉(ye)溫更低，這(zhe)表明其提高了(le)番茄(qie)在(zai)缺(que)水(shui)條(tiao)件(jian)下(xia)的蒸(zheng)騰利用效(xiao)率(lv)與氣(qi)孔(kong)導度。

2. 蛋白水(shui)解物對萵(wo)苣(ju)和番茄(qie)鹽(yan)脅(xie)迫反(fan)應(ying)的作(zuo)用模(mo)式(shi)差異

PSI表型(xing)研究(jiu)中心(xin)繼(ji)續(xu)與意大(da)利圖西(xi)亞大學、聖(sheng)心(xin)天主教大學等(deng)合(he)作，通(tong)過(guo)施(shi)加(jia)11種不(bu)同(tong)的蛋(dan)白水(shui)解物（protein hydrolysates，PH），嘗(chang)試(shi)解鎖(suo)其(qi)在(zai)緩解不同(tong)蔬(shu)菜作(zuo)物(wu)鹽脅(xie)迫上(shang)的模(mo)式(shi)差異，進(jin)壹(yi)步(bu)理解生物刺(ci)激素在(zai)促(cu)進植(zhi)物生長過(guo)程中的機(ji)理。經(jing)過(guo)PlantScreen高通(tong)量(liang)植(zhi)物表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)平臺的葉(ye)綠素熒(ying)光(guang)成(cheng)像(xiang)、RGB彩色(se)形態成像(xiang)與紅外熱(re)成(cheng)像(xiang)分(fen)析(xi)，總(zong)體(ti)上，PH改善(shan)了鹽脅迫下(xia)兩(liang)種(zhong)蔬菜的生(sheng)長與光合(he)效(xiao)能。為(wei)了找(zhao)出每種處(chu)理的特征，研究(jiu)人(ren)員結(jie)合(he)代謝組數(shu)據(ju)進行(xing)了(le)隨(sui)機(ji)森(sen)林分類。結果(guo)發現(xian)，在(zai)萵(wo)苣(ju)中(zhong)，評估生物(wu)刺(ci)激素模(mo)式(shi)的是(shi)生物(wu)量(liang)形態參數(shu)，它與植(zhi)物激素調(tiao)節有(you)更好的應(ying)答。而(er)在(zai)番茄(qie)中(zhong)，葉(ye)綠素熒(ying)光(guang)參(can)數(shu)結(jie)合(he)特定的抗(kang)脅迫代(dai)謝物則是最(zui)有價(jia)值(zhi)的指(zhi)標(biao)。對(dui)這(zhe)種模式(shi)差異的理解，將有助於(yu)開發更有效(xiao)的生(sheng)物刺(ci)激素及(ji)其使(shi)用方法。

3. 生物(wu)刺激素對(dui)擬南(nan)芥(jie)萌(meng)發和生(sheng)長的影響(xiang)與作用(yong)模(mo)式(shi)

作為(wei)模式(shi)植(zhi)物的擬(ni)南(nan)芥(jie)，也常(chang)常(chang)用(yong)來(lai)研(yan)究生物刺激素的作(zuo)用機(ji)理。捷(jie)克(ke)帕拉(la)茨(ci)基(ji)大(da)學通(tong)過(guo)PlantScreen XYZ植(zhi)物表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)平臺研究了3種多(duo)胺和1種氨(an)基(ji)酸對(dui)鹽(yan)脅迫下(xia)擬南(nan)芥(jie)萌(meng)發和生(sheng)長的影響(xiang)。除(chu)了(le)利用RGB成像(xiang)分(fen)析(xi)形(xing)態(tai)學數(shu)據(ju)，研究(jiu)人(ren)員還(hai)利用反(fan)射光(guang)譜原理計(ji)算(suan)了(le)歸壹化(hua)綠紅差值指數(shu)NGRDI、綠色指(zhi)數(shu)GLI、可見(jian)光(guang)大(da)氣(qi)阻抗(kang)植(zhi)被指數(shu)VARI等(deng)植(zhi)被指數(shu)，用於(yu)考(kao)察擬南(nan)芥(jie)的營(ying)養狀(zhuang)況和脅(xie)迫耐(nai)受(shou)性(xing)。結果(guo)表明，植(zhi)物表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)技術是生(sheng)物刺(ci)激素研(yan)究和開(kai)發的有(you)力工(gong)具，能夠(gou)直接(jie)對生物(wu)刺激素的作(zuo)用模(mo)式(shi)進行(xing)分(fen)類，分別(bie)是(shi)：1.促(cu)進或(huo)抑(yi)制(zhi)植(zhi)物生長；2.減輕(qing)脅(xie)迫；3.復合(he)作用(yong)。

4. 利用葉(ye)綠素熒(ying)光(guang)成(cheng)像(xiang)技術確定(ding)生(sheng)物刺(ci)激素提高植(zhi)物抗(kang)性

如果我只(zhi)是(shi)想(xiang)篩(shai)選(xuan)或(huo)者(zhe)鑒(jian)定(ding)某(mou)種(zhong)生(sheng)物(wu)刺激素是(shi)否具備(bei)提高植(zhi)物對某種(zhong)脅(xie)迫抗(kang)性的能力，那麽就(jiu)必須使(shi)用大型(xing)、高通(tong)量(liang)、多(duo)功(gong)能的植(zhi)物表型(xing)平臺嗎？其實這(zhe)並不是壹(yi)定必需(xu)的。葉(ye)綠素熒(ying)光(guang)成(cheng)像(xiang)技術本(ben)身就(jiu)非常(chang)適(shi)用(yong)於(yu)各種(zhong)生物/非生(sheng)物(wu)脅迫鑒(jian)定(ding)、評估與抗(kang)性檢(jian)測。也就(jiu)是(shi)說(shuo)可(ke)以使(shi)用單(dan)獨(du)的葉綠素熒(ying)光(guang)成(cheng)像(xiang)設(she)備(bei)，而不(bu)是(shi)非要(yao)使(shi)用昂貴(gui)、復雜的大(da)型(xing)植(zhi)物表型(xing)平臺。

保(bao)加利亞植(zhi)物系(xi)統(tong)生物學與生物(wu)技術中心(xin)的科(ke)學家(jia)就(jiu)研(yan)究了壹種(zhong)從(cong)泡葉(ye)藻(zao)中提取(qu)的生(sheng)物刺(ci)激素SuperFifty（SF）。對施(shi)加（PQ）的擬(ni)南(nan)芥(jie)、辣椒和番茄(qie)，SuperFifty都(dou)有壹(yi)定的保(bao)護作用。通過(guo)FluorCam葉綠素熒(ying)光(guang)成(cheng)像(xiang)系(xi)統(tong)檢(jian)測，比(bi)起(qi)只(zhi)施(shi)加(jia)樣品(pin)，同(tong)時施(shi)加和SuperFifty的樣品(pin)最(zui)大量(liang)子(zi)產額(e)Fv/Fm與熒(ying)光(guang)衰減指(zhi)數(shu)Rfd都(dou)有顯(xian)著升(sheng)高。這(zhe)兩(liang)項(xiang)指標(biao)正(zheng)是葉綠素熒(ying)光(guang)參(can)數(shu)中(zhong)最(zui)能代表(biao)光系(xi)統(tong)抗(kang)性的。這(zhe)表明SuperFifty確實(shi)減輕(qing)了(le)引(yin)起(qi)的氧(yang)化(hua)脅(xie)迫對(dui)光(guang)合(he)系(xi)統(tong)的傷(shang)害。

參考(kao)文獻：

1. Paul K, et al. 2019. A Combined Phenotypic and Metabolomic Approach for Elucidating the Biostimulant Action of a Plant-derived Protein Hydrolysate on Tomato Grown un under Limited Water Availability. Frontiers in Plant Science, 10:493

2. Paul K, et al. 2019. Understanding the Biostimulant Action of Vegetal-Derived Protein Hydrolysates by High-Throughput Plant Phenotyping and Metabolomics: A Case Study on Tomato. Frontiers in Plant Science, 10:47

3. Sorrentino M, et al. 2022. Integration of Phenomics and Metabolomics Datasets Reveals Different Mode of Action of Biostimulants Based on Protein Hydrolysates in Lactuca sativa L. and Solanum lycopersicum L. Under Salinity. Journal of Frontiers in Plant Science, 12:808711

4. Ugena L, et al. 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

5. Staykov NS, et al. 2021. An Ascophyllum nodosum-Derived Biostimulant Protects Model and Crop Plants from Oxidative Stress. Metabolites 11, 24

北京(jing)易(yi)科泰生態(tai)技術公司(si)提供植(zhi)物表型(xing)全面(mian)技術方案(an)：

l FluorCam葉綠素熒(ying)光(guang)/多(duo)光譜(pu)熒(ying)光(guang)技術

l SpectraPen/PolyPen、Specim高光(guang)譜測量(liang)技術

l PlantScreen植(zhi)物高通(tong)量(liang)表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)平臺

l EcoDrone無人(ren)機遙感表型(xing)技術方案(an)

l PhenoTron®-HSI種質(zhi)資(zi)源高光(guang)譜成像(xiang)分(fen)析(xi)系(xi)統(tong)

l PhenoPlot輕便型(xing)植(zhi)物表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)系(xi)統(tong)

l PhenoPlot®懸浮雙軌式(shi)表型(xing)成像(xiang)分(fen)析(xi)系(xi)統(tong)

l  PhenoTron-PTS植(zhi)物表型(xing)分析(xi)平臺

l  PhenoTron復式(shi)作物(wu)種(zhong)質(zhi)資(zi)源表(biao)型(xing)分析(xi)平臺

l Thermo-RGB紅外熱(re)成(cheng)像(xiang)技術