實(shi)驗方(fang)法分享(xiang)｜基於圖像表型(xing)分析(xi)方(fang)法評(ping)估(gu)大麥(mai)對(dui)水(shui)淹(yan)脅迫的(de)響應(ying)與(yu)恢復

方(fang)法來(lai)源(yuan)

Langan, P. et al. Evaluating waterlogging stress response and recovery in barley (Hordeum vulgare L.): an image-based phenotyping approach. Plant Methods 20, 146 (2024).

研究(jiu)單(dan)位

1. 愛(ai)爾(er)蘭(lan)都(dou)柏(bai)林大學

2. 法國(guo)亞眠(mian)大學

關(guan)鍵(jian)儀器裝(zhuang)備

PlantScreen溫(wen)室(shi)高通量(liang)植(zhi)物表型(xing)成(cheng)像(xiang)分析(xi)系(xi)統(tong)

PlantScreen溫室高通量(liang)植(zhi)物表型(xing)成(cheng)像(xiang)分析(xi)系(xi)統(tong)是植(zhi)物科學研究(jiu)全面、自動化、高通量(liang)的表型(xing)解(jie)決(jue)方(fang)案，能夠對(dui)從(cong)模(mo)式植物擬(ni)南(nan)芥(jie)到小麥(mai)、玉米(mi)等作(zuo)物的(de)表型(xing)性(xing)狀進(jin)行長(chang)期、無(wu)損(sun)的(de)監測與(yu)分析(xi)。

系(xi)統(tong)分布(bu)於(yu)世界各大洲的頂(ding)尖(jian)科研機(ji)構(gou)、大學及農業(ye)企業(ye)。如荷(he)蘭(lan)植(zhi)物生態(tai)表型(xing)中心/荷蘭瓦(wa)格寧根(gen)大學（註(zhu)：鏈(lian)接(jie)為專題報(bao)道，下(xia)同(tong)）、德(de)國(guo)萊(lai)布尼(ni)茨(ci)植(zhi)物遺(yi)傳和(he)作(zuo)物研究(jiu)所（IPK）、芬(fen)蘭(lan)赫爾(er)辛(xin)基大學、澳大利亞(ya)國立(li)大學、中國農(nong)科院生物技術研究(jiu)所、中國水(shui)稻(dao)所等(deng)農(nong)業(ye)學府(fu)和(he)頂(ding)級(ji)研究(jiu)機(ji)構(gou)，以及杜邦(bang)先(xian)鋒(feng)、孟山(shan)都(dou)、巴斯夫(fu)等(deng)農業(ye)公司。

研究(jiu)背(bei)景(jing)

隨(sui)著(zhe)氣候變化(hua)，許多地區(qu)的(de)降雨(yu)頻率(lv)增加，水(shui)淹(yan)脅迫成(cheng)為(wei)影(ying)響大麥(mai)產量的壹個(ge)重要(yao)限制(zhi)因素(su)。水(shui)淹(yan)脅迫對(dui)作(zuo)物產量的影(ying)響因作(zuo)物種(zhong)類(lei)、管(guan)理(li)措施(shi)、遺(yi)傳多樣性以及脅迫條(tiao)件而(er)異。水淹(yan)會(hui)導(dao)致土(tu)壤(rang)中氧氣不(bu)足(zu)，從(cong)而(er)影(ying)響植(zhi)物的(de)生長(chang)和(he)發(fa)育。大麥(mai)作(zuo)物，對(dui)水(shui)淹(yan)脅迫較(jiao)為敏感。以往的研究(jiu)中，水淹(yan)脅迫的(de)處(chu)理(li)方(fang)法和(he)持(chi)續(xu)時間(jian)各不(bu)相(xiang)同(tong)，這使(shi)得不(bu)同(tong)研究(jiu)之間的結果(guo)難以比(bi)較(jiao)。因此，本(ben)研究(jiu)旨在通過圖像表型(xing)分析(xi)方(fang)法，確(que)定(ding)壹個(ge)最(zui)佳(jia)的模(mo)擬水淹(yan)脅迫的(de)持(chi)續(xu)時間(jian)和(he)設(she)置(zhi)，以便(bian)在控(kong)制(zhi)條(tiao)件下(xia)評估(gu)大麥(mai)的(de)水(shui)淹(yan)耐(nai)受性。

研究(jiu)目(mu)的

本(ben)研究(jiu)的主要(yao)目(mu)的是確(que)定(ding)壹個(ge)最(zui)佳(jia)的水淹(yan)脅迫實(shi)驗方(fang)案，以便(bian)在控(kong)制(zhi)條(tiao)件下(xia)評(ping)估(gu)大麥(mai)的(de)水(shui)淹(yan)耐(nai)受性，同(tong)時通(tong)過圖像表型(xing)分析(xi)方(fang)法來(lai)量化(hua)水淹(yan)脅迫對(dui)大麥(mai)生長(chang)和(he)綠(lv)色度(du)的影(ying)響。

研究(jiu)方(fang)法

1. 實(shi)驗設(she)計

實(shi)驗分為(wei)兩(liang)個部(bu)分，分別在(zai)愛(ai)爾(er)蘭(lan)都(dou)柏(bai)林大學和(he)法(fa)國(guo)亞(ya)眠(mian)大學進(jin)行。選(xuan)取(qu)了四種兩(liang)行春大麥(mai)品(pin)種，包(bao)括兩(liang)種商(shang)業(ye)品(pin)種（RGT Planet和(he)Concerto）和(he)兩(liang)種傳統(tong)品(pin)種（Glasnevin no.5和(he)Golden Promise）。實(shi)驗1在(zai)都(dou)柏(bai)林大學進(jin)行，測試(shi)了(le)兩(liang)種品(pin)種（RGT Planet與(yu)Glasnevin no.5）、六(liu)種(zhong)不(bu)同(tong)的水(shui)淹(yan)脅迫持(chi)續(xu)時間(jian)和(he)恢(hui)復時(shi)間(jian)組合，包(bao)括5天、10天(tian)和(he)14天(tian)的(de)脅迫，以及有無(wu)7天(tian)恢(hui)復期。實(shi)驗2在(zai)法國亞(ya)眠大學進(jin)行，驗證了實(shi)驗1中選(xuan)定(ding)的最(zui)佳(jia)方(fang)案（14天(tian)脅迫加(jia)7天恢復）的(de)可重(zhong)復性(xing)，並增加了(le)兩(liang)種品(pin)種和(he)樣本(ben)數(shu)量（重復數(shu)量從(cong)5個增加至(zhi)10個(ge)）。

2. 脅迫處(chu)理(li)

在(zai)三葉期（即Zadoks 13）對(dui)大麥(mai)施(shi)加(jia)水(shui)淹(yan)脅迫，通(tong)過將花(hua)盆置於壹個(ge)密(mi)封排水(shui)孔(kong)的外(wai)盆中，使水(shui)位(wei)保(bao)持(chi)在(zai)土(tu)壤(rang)表面以上(shang)約1厘(li)米處(chu)，對(dui)應(ying)於大約120%的(de)田間持(chi)水量。對(dui)照組(zu)的(de)花盆排水(shui)孔(kong)未密(mi)封，保(bao)持(chi)在(zai)大約60%的(de)田間持(chi)水量。在實(shi)驗2中，水位(wei)保(bao)持(chi)在(zai)大約140%的(de)田間持(chi)水量，對(dui)照組(zu)保(bao)持(chi)在(zai)大約100%的(de)田間持(chi)水量。不(bu)同(tong)水分處(chu)理(li)通(tong)過PlantScreen™高精(jing)度(du)自動灌溉系統(tong)每日(ri)08:30監測並調控(kong)，系(xi)統(tong)以目(mu)標重量為(wei)基準(zhun)實(shi)現(xian)定量(liang)補(bu)水。

3. 圖像表型(xing)分析(xi)

使(shi)用(yong)PlantScreen™成像平(ping)臺(tai)，每天(tian)從(cong)頂(ding)部(bu)和(he)側(ce)面拍(pai)攝(she)RGB圖像，以量(liang)化(hua)水淹(yan)脅迫對(dui)生長(chang)和(he)綠(lv)色度(du)的生理(li)影(ying)響。通過圖像分析(xi)軟件PlantScreen™ Analyzer計算地上(shang)部(bu)投影(ying)面積（PSA，側視與(yu)俯視分割像素(su)之和(he)），以評(ping)估(gu)植物的(de)生長(chang)情況。此外，在實(shi)驗2中，還進(jin)行了(le)FluorCam動態(tai)葉(ye)綠素(su)熒(ying)光成像(xiang)，以評(ping)估(gu)植物的(de)光(guang)合性能。

4. 根(gen)系成(cheng)像和(he)破(po)壞(huai)性(xing)表型(xing)分析(xi)

在(zai)實(shi)驗1的(de)每個(ge)處(chu)理(li)結束(shu)時，對(dui)根(gen)系進(jin)行手(shou)工(gong)清洗(xi)，並記錄(lu)根(gen)長(chang)和(he)幹(gan)質(zhi)量(liang)。使(shi)用EPSON平(ping)板(ban)掃(sao)描(miao)儀(yi)和(he)RhizoVision Explorer軟件獲(huo)取根(gen)系參(can)數(shu)，包(bao)括長(chang)度(du)、體積(ji)、直(zhi)徑(jing)和(he)表面積。在(zai)成(cheng)像最(zui)後(hou)壹天(tian)，測定地上(shang)部(bu)莖(jing)長(chang)、鮮重(zhong)與(yu)幹重。實(shi)驗2中，在成(cheng)像(xiang)最(zui)後(hou)壹天(tian)測定了地上(shang)部(bu)幹重(zhong)。

研究(jiu)結果(guo)

1. 最(zui)佳(jia)脅迫方(fang)案的(de)確(que)定(ding)

實(shi)驗結果(guo)顯示(shi)，隨(sui)著(zhe)水淹(yan)脅迫時(shi)間(jian)的(de)延長(chang)，植物生長(chang)的減(jian)緩(huan)更加(jia)明(ming)顯(xian)，並且這種(zhong)影(ying)響在(zai)恢(hui)復期仍然(ran)持(chi)續(xu)。在實(shi)驗1中，只有14天(tian)的(de)脅迫（P5和(he)P6）顯(xian)示(shi)出(chu)對(dui)照組(zu)和(he)水(shui)淹(yan)組(zu)之(zhi)間(jian)實(shi)際幹(gan)質量(liang)的顯著(zhu)差(cha)異（圖3右E和(he)F）。特別是(shi)包(bao)含(han)7天(tian)恢(hui)復期的(de)最(zui)長(chang)處(chu)理(li)（P6）在(zai)收獲時幹質量(liang)的(de)變(bian)化(hua)最(zui)為(wei)顯著，且通(tong)過地上(shang)部(bu)投影(ying)面積PSA（指(zhi)示地上(shang)部(bu)生物量(liang)）最(zui)能清晰區分基因型(xing)間(jian)的(de)耐(nai)受差(cha)異（圖3左F），因此被選(xuan)為(wei)後(hou)續(xu)實(shi)驗的(de)最(zui)佳(jia)處(chu)理(li)方(fang)案。

2. 水淹(yan)對(dui)大麥(mai)生物量(liang)和(he)光(guang)合性能的影(ying)響

在實(shi)驗2中，四種大麥(mai)品(pin)種在(zai)水(shui)淹(yan)脅迫下(xia)的(de)生物量(liang)顯(xian)著(zhu)減少(shao)，與(yu)對(dui)照組(zu)相(xiang)比(bi)，水(shui)淹(yan)組(zu)的(de)幹(gan)質量減少了(le)約73%至(zhi)81%。通(tong)過圖像分析(xi)，觀察到水淹(yan)脅迫下(xia)植(zhi)物的(de)PSA顯著(zhu)降(jiang)低(di)，表明生長(chang)受到抑制(zhi)（圖4A）。

葉(ye)綠素(su)熒(ying)光成像(xiang)顯(xian)示，在脅迫期間(jian)，所有(you)品(pin)種的(de)Fv/Fm值（最(zui)大光化(hua)學效(xiao)率(lv)）都(dou)有(you)所降(jiang)低(di)，但(dan)在恢(hui)復期有(you)所回(hui)升。特別是(shi)Golden Promise品(pin)種在(zai)整(zheng)個(ge)實(shi)驗過程(cheng)中Fv/Fm值(zhi)的降低(di)幅(fu)度(du)最(zui)小，顯(xian)示(shi)出(chu)其(qi)對(dui)水(shui)淹(yan)脅迫的(de)耐(nai)受性（圖4B）。

3. 綠色度(du)變化(hua)分析(xi)

通(tong)過對(dui)圖像中的綠(lv)色度(du)進行分析(xi)，發(fa)現(xian)水淹(yan)脅迫導(dao)致某(mou)些特定色調(tiao)的(de)像素(su)數(shu)量發(fa)生變化(hua)。具(ju)體(ti)來(lai)說(shuo)，較(jiao)深的(de)綠色調(tiao)（Hue 2、3和(he)4）在(zai)水(shui)淹(yan)植(zhi)物中變得(de)不(bu)那(na)麽明顯(xian)，而(er)較(jiao)淺的(de)綠色調(tiao)（Hue 7、8、9和(he)10）以及最(zui)深(shen)的色調(tiao)（Hue 1）在(zai)水淹(yan)脅迫下(xia)有(you)所增加。這(zhe)些變(bian)化(hua)在脅迫期間(jian)最(zui)為(wei)顯著，並在恢復期逐漸(jian)恢復正(zheng)常（圖5）。因此，不(bu)同(tong)基因型(xing)大麥(mai)在(zai)水(shui)淹(yan)脅迫下(xia)葉(ye)片(pian)綠(lv)色色調(tiao)的(de)組成(cheng)和(he)動態(tai)變(bian)化存(cun)在(zai)顯(xian)著(zhu)差(cha)異，可作(zuo)為(wei)快速、無(wu)損(sun)的(de)耐(nai)淹(yan)性(xing)診(zhen)斷指(zhi)標。

研究(jiu)結論(lun)

本(ben)研究(jiu)通過圖像表型(xing)分析(xi)方(fang)法，確(que)定(ding)了(le)壹個(ge)最(zui)佳(jia)的水淹(yan)脅迫實(shi)驗方(fang)案（14天(tian)脅迫加(jia)7天恢復），該(gai)方(fang)案能夠顯(xian)著(zhu)區分不(bu)同(tong)大麥(mai)品(pin)種對(dui)水(shui)淹(yan)脅迫的(de)響應(ying)。研究(jiu)結果(guo)表明，水(shui)淹(yan)脅迫顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)了(le)大麥(mai)的(de)生物量(liang)和(he)光(guang)合性能，並且通過綠色度(du)分析(xi)可以觀察到植物對(dui)脅迫的(de)適(shi)應(ying)和(he)恢(hui)復能力。此外，本(ben)研究(jiu)還強(qiang)調(tiao)了在(zai)脅迫後(hou)包(bao)括恢復期的(de)重(zhong)要(yao)性，因為(wei)這(zhe)有助(zhu)於觀察植物在(zai)脅迫後(hou)的生長(chang)恢復情(qing)況。通過高通量(liang)圖像表型(xing)分析(xi)，本(ben)研究(jiu)提(ti)供(gong)了(le)壹種(zhong)新的、可重(zhong)復的(de)評(ping)估(gu)大麥(mai)早(zao)期水(shui)淹(yan)耐(nai)受性的方(fang)法，有(you)助於(yu)更精(jing)確(que)地(di)量(liang)化(hua)與(yu)水淹(yan)脅迫相(xiang)關的(de)標(biao)記，如綠色度(du)、Fv/Fm和(he)PSA。

北京(jing)易科泰提(ti)供(gong)植(zhi)物表型(xing)全場景(jing)技術解決(jue)方(fang)案

ü PlantScreen溫室植(zhi)物高通量(liang)表型(xing)成(cheng)像(xiang)分析(xi)系(xi)統(tong)  

ü 全面升級(ji)的FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒(ying)光成像(xiang)/多光譜(pu)熒(ying)光成像(xiang)技術  

ü PhenoTron®室(shi)內植物表型(xing)成(cheng)像(xiang)分析(xi)技術  

ü FluorTron®植(zhi)物光(guang)合表型(xing)成(cheng)像(xiang)分析(xi)技術  

ü PhenoPlot®大田植(zhi)物表型(xing)成(cheng)像(xiang)分析(xi)技術  

ü 智能移動式表型(xing)平(ping)臺(tai)  

ü Ecodrone®無人(ren)機(ji)表型(xing)遙(yao)感(gan)技術  

ü 光(guang)合作(zuo)用(yong)測量全面解決(jue)方(fang)案