易科泰(tai)植(zhi)物(wu)表(biao)型成(cheng)像技(ji)術應用：植(zhi)物(wu)病(bing)害表(biao)型組學分(fen)析（二）

自(zi)然(ran)界(jie)中(zhong)的(de)植(zhi)物(wu)都(dou)會面(mian)臨(lin)各(ge)種病(bing)害的侵(qin)染(ran)。病(bing)害防治更是農(nong)業生產(chan)中(zhong)的(de)重中(zhong)之(zhi)重。科學家(jia)們壹(yi)直致力於(yu)用各(ge)種技(ji)術研究植(zhi)物(wu)病(bing)害的發(fa)病(bing)機(ji)制和(he)防治方(fang)法(fa)。在(zai)近(jin)年的(de)最新研究中(zhong)，新(xin)興的組學研究技(ji)術逐(zhu)漸成(cheng)為病(bing)害研究的(de)熱點(dian)。在(zai)各(ge)種組學技(ji)術中(zhong)，從(cong)直觀、無損(sun)、快速(su)、簡(jian)便(bian)以及(ji)農(nong)業應用推(tui)廣上(shang)考慮(lv)，植(zhi)物(wu)表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)技(ji)術無(wu)疑是選擇(ze)之壹(yi)。

傳(chuan)統(tong)表(biao)型概念裏(li)以形態學指(zhi)標(biao)為(wei)主。而(er)現代(dai)植(zhi)物(wu)表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)技(ji)術已(yi)經不(bu)局限(xian)於(yu)形態學，其主要應用的(de)成(cheng)像技(ji)術如(ru)下，它們在植(zhi)物(wu)病(bing)害研究分(fen)別(bie)反映植(zhi)物(wu)的(de)不(bu)同(tong)表(biao)型變(bian)化(hua)與生(sheng)理(li)過(guo)程(cheng)：

植(zhi)物(wu)病(bing)害的病(bing)原(yuan)體有(you)細菌、真(zhen)菌。而(er)植(zhi)物(wu)種(zhong)類又(you)有(you)模式植(zhi)物(wu)、谷(gu)物、蔬菜、水果(guo)等。植(zhi)物(wu)表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)技(ji)術能(neng)夠(gou)應對(dui)這(zhe)些不(bu)同(tong)的(de)研究需求(qiu)嗎(ma)？我(wo)們從(cong)具體(ti)的文(wen)獻案(an)例(li)裏(li)查(zha)找答(da)案(an)。上(shang)壹(yi)期(qi)我(wo)們介(jie)紹了抗(kang)病(bing)毒基因(yin)、蔬菜水果(guo)的葉片細(xi)菌病(bing)害相(xiang)關研究案(an)例(li)，本(ben)期則(ze)主要介紹(shao)蔬菜、水果(guo)葉片與根系(xi)細(xi)菌、真(zhen)菌病(bing)害；水稻細菌病(bing)害；病(bing)毒病(bing)害高通(tong)量(liang)表(biao)型分(fen)析等研究案(an)例(li)。

壹(yi)、蔬菜、水果(guo)葉片與根系(xi)細(xi)菌、真(zhen)菌病(bing)害表(biao)型分(fen)析

西班(ban)牙(ya)國(guo)家(jia)研究委(wei)員會(hui)（CSIC）綜(zong)合(he)利(li)用植(zhi)物(wu)表(biao)型成(cheng)像技(ji)術對(dui)病(bing)害進行的相(xiang)關研究已(yi)經持(chi)續(xu)了近(jin)10年。研究人(ren)員利(li)用FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光(guang)成(cheng)像技(ji)術、FluorCam UV-MCF多光譜熒光(guang)成(cheng)像技(ji)術、熱(re)成(cheng)像技(ji)術從(cong)時(shi)間(jian)和(he)空間(jian)尺(chi)度(du)上(shang)分(fen)別(bie)反映病(bing)原(yuan)體感(gan)染對(dui)光(guang)合(he)作(zuo)用、次(ci)級(ji)代(dai)謝(xie)、氣孔導(dao)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)。研究方(fang)向(xiang)涉(she)及(ji)多種細菌、真(zhen)菌和(he)蔬菜、水果(guo)，下面(mian)列舉(ju)部(bu)分(fen)研究成(cheng)果(guo)：

細(xi)菌性(xing)軟(ruan)腐病(bing)菌Dickeya dadantii是農(nong)業上(shang)的(de)重要病(bing)害。這(zhe)種(zhong)病(bing)菌會(hui)先(xian)圍(wei)繞(rao)壹(yi)個(ge)萎黃(huang)環出現(xian)多個壞(huai)死(si)斑(ban)點，進而整(zheng)個感(gan)染區(qu)域壞(huai)死(si)並逐漸擴(kuo)展(zhan)到(dao)周(zhou)圍的(de)組織中(zhong)。研究人(ren)員(yuan)使(shi)用這(zhe)三(san)種(zhong)技術對(dui)甜(tian)瓜葉感(gan)染Dickeya dadantii進行了成(cheng)像測量，同時(shi)通過(guo)機器學習(xi)來處(chu)理這(zhe)些成(cheng)像技(ji)術獲得的(de)數據，建立(li)數學算(suan)法來分(fen)類葉片感(gan)染區(qu)域，從而(er)快速(su)識(shi)別(bie)病(bing)害的發(fa)生(sheng)。

相(xiang)同的(de)儀(yi)器技術也(ye)可(ke)用於(yu)研究真(zhen)菌引起(qi)的(de)植(zhi)物(wu)葉片病(bing)害，比(bi)如(ru)由(you)真菌Podosphaera fusc感(gan)染引起(qi)的(de)白粉病(bing)。通(tong)過(guo)對(dui)感(gan)染白(bai)粉病(bing)的(de)西葫(hu)蘆(lu)葉片進行FluorCam UV-MCF多光譜熒光(guang)和(he)熱成(cheng)像分(fen)析(xi)，發(fa)現UV-MCF多光譜熒光(guang)參(can)數F520/F680對(dui)於(yu)識(shi)別(bie)白粉病(bing)特(te)別(bie)靈敏。而熱(re)成(cheng)像與F440成(cheng)像結(jie)果(guo)則(ze)表(biao)明(ming)，白(bai)粉病(bing)對(dui)葉片氣孔關閉與次(ci)生(sheng)代(dai)謝(xie)物合(he)成(cheng)的影(ying)響(xiang)也(ye)是非(fei)常(chang)顯著的(de)。

CSIC的研究人(ren)員還(hai)發(fa)現(xian)可(ke)以通過植(zhi)物(wu)表(biao)型技(ji)術檢(jian)測植(zhi)物(wu)的(de)地上(shang)部(bu)來(lai)發現根系(xi)的(de)病(bing)害。比(bi)如(ru)被(bei)根系(xi)寄生雜(za)草列當Orobanche cumana Wallr寄生的(de)向日(ri)葵，真菌Rosellinia necatrix引起(qi)的(de)牛油(you)果(guo)根系(xi)白(bai)紋(wen)羽病(bing)等(deng)。這(zhe)些研究為(wei)根系(xi)病(bing)害的前(qian)期(qi)發現與防治提供了有力的技(ji)術支持。

參考文(wen)獻：

1.Pineda M, et al. 2018. Detection of bacterial infection in melon plants by classification methods based on imaging data. Front. Plant Sci. 9(164), doi: 10.3389/fpls.2018.00164

2.Pineda M, et al. 2017. Use of multicolour fluorescence imaging for diagnosis of bacterial and fungal infection on zucchini by implementing machine learning. Functional Plant Biology, 

3.Ortiz-Bustos C M, et al. 2017. Use of Blue-Green Fluorescence and Thermal Imaging in the Early Detection of Sunflower Infection by the Root Parasitic Weed Orobanche cumana Wallr. Frontiers in Plant Science 8:833

4.Granum E, et al. 2015. Metabolic responses of avocado plants to stress induced by Rosellinia necatrix analysed by fluorescence and thermal imaging. Eur J Plant Pathol, DOI 10.1007/s10658-015-0640-9

二(er)、水稻稻瘟(wen)病(bing)、白(bai)葉枯(ku)病(bing)與幹旱(han)抗(kang)性的(de)無損(sun)定量(liang)檢測

在(zai)農(nong)業生產(chan)實踐(jian)中(zhong)，作(zuo)物(wu)經(jing)常(chang)會(hui)同(tong)時(shi)面臨(lin)生物和(he)非(fei)生(sheng)物脅迫的(de)雙(shuang)重影(ying)響(xiang)。水稻作為種植(zhi)面(mian)積(ji)的(de)作物，從而(er)面臨壹(yi)系(xi)列(lie)的(de)環境挑戰(zhan)。在(zai)熱帶和(he)亞(ya)熱帶地區，水稻面臨的最主要非(fei)生(sheng)物脅迫就(jiu)是幹旱(han)脅(xie)迫，同(tong)時(shi)如稻(dao)瘟(wen)病(bing)、白(bai)葉枯(ku)病(bing)等(deng)病(bing)害也(ye)會(hui)嚴(yan)重降(jiang)低(di)水稻的產(chan)量(liang)。

捷(jie)克(ke)科學院(yuan)全(quan)球(qiu)變(bian)化(hua)研究所聯合(he)美(mei)國堪薩斯(si)州(zhou)立(li)大學、國(guo)際(ji)水稻研究所等單(dan)位(wei)開展了這(zhe)方(fang)面(mian)的(de)研究。研究者(zhe)通(tong)過(guo)FP100手持(chi)式葉綠素(su)熒(ying)光(guang)儀(yi)、FluorCam便攜(xie)式(shi)熒光(guang)成(cheng)像儀(yi)和(he)SpectraPen手(shou)持(chi)式(shi)光譜(pu)儀(yi)分別(bie)測量多種近(jin)等(deng)基(ji)因(yin)系水稻在不(bu)同(tong)脅(xie)迫下(xia)的(de)葉綠素(su)熒(ying)光(guang)參(can)數與植(zhi)被(bei)指(zhi)數，試(shi)圖在田(tian)間(jian)快速(su)識(shi)別(bie)病(bing)害與幹旱(han)的(de)發生。

    葉綠素(su)熒(ying)光(guang)分(fen)析表(biao)明(ming)，光(guang)系(xi)統(tong)II最大量子產(chan)額(e)Fv/Fm、實際(ji)量(liang)子產(chan)額(e)QY_Lss和(he)穩態葉綠素(su)熒(ying)光(guang)Ft_Lss都(dou)可以有效地分辨(bian)稻瘟(wen)病(bing)和(he)白葉枯(ku)病(bing)。而(er)在進行幹旱(han)脅(xie)迫檢(jian)測時(shi)，QY_Lss則(ze)效果(guo)不(bu)好(hao)。

通過光(guang)譜(pu)儀(yi)獲得的(de)植(zhi)被(bei)指(zhi)數則(ze)表(biao)明(ming)稻(dao)瘟(wen)病(bing)和(he)幹旱(han)可(ke)以通過可見(jian)光(guang)波段(duan)的(de)反射(she)光譜(pu)植(zhi)被(bei)指(zhi)數來(lai)檢(jian)測，而白葉枯(ku)病(bing)可(ke)以通過近(jin)紅外(wai)波(bo)段(duan)相(xiang)關的(de)反(fan)射(she)光譜(pu)植(zhi)被(bei)指(zhi)數來(lai)檢(jian)測。

研究中(zhong)使(shi)用的(de)反射(she)光譜(pu)植(zhi)被(bei)指(zhi)數

參(can)考文(wen)獻：

1.Šebela, et al. 2017. Chlorophyll fluorescence and reflectance-based non-invasive quantification of blast, bacterial blight and drought stresses in rice. Plant and Cell Physiology，59(1):30-43

三、植(zhi)物(wu)病(bing)害高通(tong)量(liang)動態表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)

植(zhi)物(wu)感(gan)染病(bing)害後的(de)表(biao)型改變(bian)是壹(yi)個(ge)長(chang)期(qi)動態變(bian)化(hua)的過程(cheng)。理想(xiang)的表(biao)型研究當(dang)然(ran)是能(neng)對(dui)這(zhe)壹(yi)過(guo)程(cheng)進行連續不(bu)斷(duan)的監(jian)測。但(dan)如果(guo)用人(ren)工測量的方(fang)法(fa)太過費時(shi)費力(li)，這(zhe)就(jiu)需要壹(yi)種(zhong)能(neng)夠(gou)兼具植(zhi)物(wu)表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)、植(zhi)物(wu)培(pei)養(yang)、自動傳送的(de)自(zi)動化系統(tong)。

赫爾(er)辛(xin)基(ji)大學國(guo)家植(zhi)物(wu)表(biao)型研究設(she)施（National Plant Phenotyping Infrastructure，NaPPI）先(xian)後裝備(bei)了2套PlantScreen高通(tong)量(liang)自動化植(zhi)物(wu)表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)系(xi)統(tong)：壹(yi)套適用於(yu)50cm以下的小型植(zhi)株(zhu)，如擬南芥(jie)或(huo)作物(wu)幼苗(miao)等(deng)；壹(yi)套適用於(yu)120cm以下的大型植(zhi)株(zhu)，如小(xiao)麥(mai)、玉米(mi)等。

赫爾(er)辛(xin)基(ji)大學的(de)研究人(ren)員利(li)用PlantScreen系(xi)統(tong)研究了甘薯被羽毛(mao)斑(ban)駁(bo)病(bing)毒（SPFMV）和(he)褪綠矮(ai)化(hua)病(bing)毒（SPCSV）感(gan)染後的(de)表(biao)型動態變(bian)化(hua)。通過連續29天(tian)的(de)RGB形態成(cheng)像、葉綠素(su)熒(ying)光(guang)成(cheng)像與紅外(wai)熱(re)成(cheng)像分(fen)析(xi)，綜(zong)合(he)評(ping)估(gu)了兩(liang)種(zhong)病(bing)毒對(dui)甘(gan)薯造(zao)成(cheng)損(sun)傷(shang)的嚴(yan)重程(cheng)度(du)。而(er)在(zai)病(bing)害損(sun)傷(shang)評(ping)估(gu)中(zhong)的(de)參(can)數是實際(ji)光(guang)化學效率ΦPSII和(he)光化學淬(cui)滅(mie)系數qP。而(er)表(biao)型數據的變(bian)化(hua)又與病(bing)毒的分(fen)布(bu)與積(ji)累有(you)明(ming)確(que)的(de)相(xiang)關性(xing)。

參考文(wen)獻：

1.Wang L, Poque S, Valkonen JPT. 2019. Phenotyping viral infection in sweetpotato using a high-throughput chlorophyll fluorescence and thermal imaging platform. Plant Methods, 15, 116

北京(jing)易科泰(tai)生(sheng)態(tai)技(ji)術公(gong)司(si)提供植(zhi)物(wu)病(bing)害表(biao)型全(quan)面技術方(fang)案(an)：

1.FluorCam葉綠素(su)熒(ying)光(guang)/多光譜熒光(guang)技(ji)術

2.PlantScreen植(zhi)物(wu)高通(tong)量(liang)表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)平(ping)臺

3.FluorPen手持式(shi)葉綠素(su)熒(ying)光(guang)儀(yi)、SpectraPen手持(chi)式植(zhi)物(wu)高光(guang)譜(pu)儀(yi)

4.PhenoPlot®輕(qing)便型植(zhi)物(wu)表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)系(xi)統(tong)

5.PhenoPlot®懸浮(fu)雙軌式表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)系(xi)統(tong)

6.PhenoTron®-HSI多功(gong)能(neng)高光(guang)譜(pu)成(cheng)像分(fen)析(xi)系(xi)統(tong)

7.PhenoTron®復(fu)式智(zhi)能LED光源(yuan)培(pei)養(yang)與光(guang)譜(pu)成(cheng)像分(fen)析(xi)平(ping)臺

8.PhenoTron®PTS植(zhi)物(wu)光(guang)譜(pu)成(cheng)像分(fen)析(xi)平(ping)臺

9.PhenoTron®-XYZ表(biao)型成(cheng)像分(fen)析(xi)系(xi)統(tong)