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植物表型組學研究機構巡禮(1)- 荷蘭植物生態表型中心 NPEC
發布時間： 2025-11-06 點擊次數： 375次荷蘭植物生態表型中心（Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre，NPEC）由荷蘭瓦赫寧根大學（Wageningen University & Research, WUR）與烏得勒支大學（Utrecht University） 共同合作建設和運營。中心于2017年遞交提案，2022年9月底正式啟用，研究重心在于植物表型與環境的相互關系，力圖將植物研究引入自動化和大數據的時代。
NPEC在幾年時間中陸續建設完成了六大研究模塊，其中包括3套安裝在FytoScope大型步入式水培植物生長室中的PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統、1套PlantScreen-SC移動式植物表型成像分析系統、36單元Ecolab土壤-植物-大氣綜合研究微生態系統、多套FluorCam葉綠素熒光成像系統等。
2023-2024年，NPEC安裝完成了兩套最新型的植物表型成像系統。NPEC分別將其命名為“太陽神"（Helios）和 “冥王"（Hades）。其中“太陽神"（Helios）系統為一套PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統。這套系統利用傳送帶將植物傳送到成像室中進行測量，實現了高通量、高精度、低干擾、多角度的植物表型成像測量，同時還可自動控制植物的生長環境，包括澆灌、光照、溫度及動態周期變化等。
“冥王"（Hades）系統則為一套PlantScreen高通量瓊脂培養植物表型成像分析系統。這是一套專門為瓊脂平板培養植物進行自動接種、培養與表型成像分析的系統。該系統為全自動機器人操作，包括傾倒瓊脂、播種、層積催芽、接種、成像分析全自動運行。可容納2160個特制培養皿的全自動全流程高通量表型分析。系統由具備GMO（轉基因生物）控制區的環控室、操作臺、培養柜（包括層積催芽柜）、機器人及成像工作站等組成，可進行根系形態成像分析、GFP等熒光蛋白成像分析、葉綠素熒光成像分析、多光譜成像分析、高光譜成像（透射光）分析及熒光高光譜成像分析等
NPEC利用這些表型組學設備已經開展了一系列研究工作并取得了大量的科研成果，部分研究案例如下：
1. 利用葉綠素熒光分析對番茄中馬鈴薯胞囊線蟲感染進行非侵入性、癥狀前檢測
馬鈴薯胞囊線蟲（PCN）是全球馬鈴薯產區破壞性的病原線蟲之一，每年造成巨大的經濟損失。PCN在田間的侵染通常呈“病灶"狀分布，即僅在某些區域集中發生。然而，早期、精準地定位這些病灶非常困難，因為傳統的土壤取樣和線蟲鑒定方法既耗時又費力。因此，開發一種快速、非破壞性、癥狀前的檢測技術，對于實現精準的局部防控、減少農藥使用和降低經濟損失具有重要意義。本研究旨在探索葉綠素熒光分析作為一種前沿的植物生理監測技術，是否能夠通過檢測植物地上部光合系統的細微變化，來間接、早期地診斷出地下部根系的PCN侵染。
研究人員將番茄種植于PlantScreen高通量傳送帶表型系統的樣品托盤中，設置了5個不同梯度的PCN接種密度，利用PlantScreen系統的FluorCam葉綠素熒光成像單元在接種后連續自動監測26天的葉綠素熒光動態成像。
研究發現，葉綠素熒光參數對PCN侵染的響應遠早于傳統生長指標：
1）極早期響應： 在接種后第1天，反映光合速率的ΦPSII和光合系統熱耗散的NPQ就發生了顯著變化。此時，線蟲可能尚未侵入根系，研究者推測可能是線蟲卵自發孵化或其分泌的特定分子（效應子）觸發了植物的早期免疫反應所致。
2）高靈敏度： ΦPSII是對低水平侵染最敏感的指標。即使在接種密度（5卵/克土）下，從第1天起就能檢測到其下降。而NPQ則在第1天對高接種密度表現出響應。
最大光化學效率Fv/Fm、PSII潛在活性Fv/F0則響應較晚且對低侵染水平不敏感。
本研究成功證明了：葉綠素熒光分析，特別是NPQ和ΦPSII這兩個參數，能夠作為一種極其靈敏的工具，在番茄植株出現任何可見癥狀之前，有效檢測出地下部的馬鈴薯胞囊線蟲侵染。
2. 馬鈴薯對單一和復合脅迫的高通量表型成像分析
隨著氣候變化加劇，熱浪、洪澇和干旱等天氣事件頻發，嚴重威脅作物生產。馬鈴薯作為全球重要的糧食作物，其生長和產量極易受到不良環境條件的影響。本研究旨在對馬鈴薯（栽培種 'Désirée'）應對單一及復合非生物脅迫（高溫、干旱、澇漬）進行綜合性分析，通過整合高通量表型分析和多組學數據，深入理解馬鈴薯在模擬未來現實氣候情景下的脅迫響應機制，并建立了一個生物信息學分析流程來整合這些復雜數據。這項研究由包括荷蘭瓦赫寧根大學和烏得勒支大學在內的多家歐洲學術與科研單位參與，是歐盟ADAPT馬鈴薯育種項目的重要研究成果之一。
研究人員對馬鈴薯植株施加單一脅迫（熱應激 H、干旱 D、澇漬 W）以及復合脅迫（熱+干旱 HD、熱+干旱+澇漬 HDW），并設置恢復期，以模擬田間可能出現的連續脅迫，并使用PlantScree高通量表型成像分析系統進行連續表型分析，監測植物體積、高度、葉面積、緊湊度等形態指標，以及葉綠素熒光（如QY_Lss, Fv/Fm_Lss, qL_Lss）和熱成像（冠層溫度ΔT）等生理指標。結果表明，所有脅迫均抑制生長，但程度不同，復合脅迫HD的影響大于單一脅迫；澇漬（W）的影響最迅速和嚴重；三重脅迫（HDW）導致植株近乎死亡。而在光合系統損傷中，所有脅迫均降低了PSII的光化學效率（QY_Lss），其中熱應激H脅迫影響最大。
結合其他組學數據，該研究證實了馬鈴薯對復合脅迫（尤其是熱+干旱+澇漬HDW）的敏感性，同時明確了高溫脅迫通過抑制光合作用和塊莖形成信號（SP6A）來影響產量的關鍵環節。該研究可為馬鈴薯抗逆育種提供重要的候選靶點和診斷工具，有助于加速培育適應未來氣候變化的馬鈴薯品種。
3. 在高通量表型系統進行單個葉片的光合能力追蹤測量
植物光合作用研究對生產力和產量至關重要。隨著高通量表型系統設施的發展，光合表型的測量變得可靠、高效。然而，盡管植物級別的表型分析已自動化，但葉片級別的信息通常仍依賴于手動標注，限制了研究效率。本研究提出了一種新方法，用于在植物（以擬南芥為例）的頂部拍攝圖像時間序列中，對單個葉片進行自動檢測、分割和追蹤。
研究者將兩個擬南芥生態型（Col-0 和 Ely）在PlantScree XY三維移動表型成像系統中進行不同光處理（恒定光與波動光），并分析其光合參數（最大光量子產量Fv/Fm和光系統II實際效率ΦPSII）。植株級別葉綠素熒光成像分析表明Col-0的Fv/Fm和ΦPSII均顯著高于Ely，且Ely的光合參數對波動光處理的響應更明顯。葉片級別葉綠素熒光成像分析則進一步表明葉片年齡和葉序顯著影響光合能力及其對光處理的響應。在Ely中，葉片Fv/Fm在其出現約一周后達到峰值然后下降；幼葉對波動光的ΦPSII響應比老葉更強烈。
該方法能夠高效、自動化地追蹤單個葉片，為研究葉片發育、光合作用動態及其遺傳基礎提供了有力的新工具。
4. 不同光照強度對羅勒采后耐冷性的影響
羅勒（Ocimum basilicum L.）作為熱帶草本植物，在低于10–12℃的低溫貯藏時易發生冷害，表現為葉片褐斑、壞死、失去光澤等。本研究希望通過采收前短期高光處理（EOP）提升羅勒的碳水化合物和抗氧化物質含量，看是否能夠增強其采后耐冷性。研究人員將兩個羅勒品種（Emily 和 Dolly）在垂直農業系統中，使用LED光源（150 μmol·m?2·s?1）進行培養。采收前5天，分別施加50、150、300、600 μmol·m?2·s?1的光照強度。采后葉片在4°C（冷害條件）和12°C（非冷害條件）下黑暗貯藏12天，定期取樣分析。
利用FluorCam葉綠素熒光成像系統測量后發現，羅勒葉片最大光化學效率Fv/Fm在4°C貯藏下顯著下降，但EOP光強對其無顯著影響。Fv/Fm反映了植物光合反應中心在脅迫條件下的損傷程度，是目前衡量植物受脅迫程度與抗性高低的指標之一。因此，結果表明，EOP高光可有效提升羅勒的營養價值（碳水化合物、迷迭香酸、抗壞血酸），但未能增強羅勒的耐冷性。
參考文獻：
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2. Zagor??ak M, Abdelhakim L, Rodriguez-Granados N Y, et al. Integration of multi-omics data and deep phenotyping provides insights into responses to single and combined abiotic stress in potato[J]. Plant physiology, 2025, 197(4): kiaf126.
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