服務(wù)熱線
-
植物表型組學研究機構(gòu)巡禮(1)- 荷蘭植物生態(tài)表型中心 NPEC
發(fā)布時間： 2025-11-06 點擊次數(shù)： 78次荷蘭植物生態(tài)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(shè)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(huán)境的相互關(guān)系，力圖將植物研究引入自動化和大數(shù)據(jù)的時代。
NPEC在幾年時間中陸續(xù)建設(shè)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(tǒng)、1套PlantScreen-SC移動式植物表型成像分析系統(tǒng)、36單元Ecolab土壤-植物-大氣綜合研究微生態(tài)系統(tǒng)、多套FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)等。
2023-2024年，NPEC安裝完成了兩套最新型的植物表型成像系統(tǒng)。NPEC分別將其命名為“太陽神"（Helios）和 “冥王"（Hades）。其中“太陽神"（Helios）系統(tǒng)為一套PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統(tǒng)。這套系統(tǒng)利用傳送帶將植物傳送到成像室中進行測量，實現(xiàn)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(huán)境，包括澆灌、光照、溫度及動態(tài)周期變化等。
“冥王"（Hades）系統(tǒng)則為一套PlantScreen高通量瓊脂培養(yǎng)植物表型成像分析系統(tǒng)。這是一套專門為瓊脂平板培養(yǎng)植物進行自動接種、培養(yǎng)與表型成像分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(yǎng)皿的全自動全流程高通量表型分析。系統(tǒng)由具備GMO（轉(zhuǎn)基因生物）控制區(qū)的環(huán)控室、操作臺、培養(yǎng)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(tài)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(shè)備已經(jīng)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(chǎn)區(qū)破壞性的病原線蟲之一，每年造成巨大的經(jīng)濟損失。PCN在田間的侵染通常呈“病灶"狀分布，即僅在某些區(qū)域集中發(fā)生。然而，早期、精準地定位這些病灶非常困難，因為傳統(tǒng)的土壤取樣和線蟲鑒定方法既耗時又費力。因此，開發(fā)一種快速、非破壞性、癥狀前的檢測技術(shù)，對于實現(xiàn)精準的局部防控、減少農(nóng)藥使用和降低經(jīng)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(jiān)測技術(shù)，是否能夠通過檢測植物地上部光合系統(tǒng)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(tǒng)的樣品托盤中，設(shè)置了5個不同梯度的PCN接種密度，利用PlantScreen系統(tǒng)的FluorCam葉綠素熒光成像單元在接種后連續(xù)自動監(jiān)測26天的葉綠素熒光動態(tài)成像。
研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素熒光參數(shù)對PCN侵染的響應(yīng)遠早于傳統(tǒng)生長指標：
1）極早期響應(yīng)： 在接種后第1天，反映光合速率的ΦPSII和光合系統(tǒng)熱耗散的NPQ就發(fā)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(fā)孵化或其分泌的特定分子（效應(yīng)子）觸發(fā)了植物的早期免疫反應(yīng)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(xiàn)出響應(yīng)。
最大光化學效率Fv/Fm、PSII潛在活性Fv/F0則響應(yīng)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(shù)，能夠作為一種極其靈敏的工具，在番茄植株出現(xiàn)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(fù)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(fā)，嚴重威脅作物生產(chǎn)。馬鈴薯作為全球重要的糧食作物，其生長和產(chǎn)量極易受到不良環(huán)境條件的影響。本研究旨在對馬鈴薯（栽培種 'Désirée'）應(yīng)對單一及復(fù)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(shù)據(jù)，深入理解馬鈴薯在模擬未來現(xiàn)實氣候情景下的脅迫響應(yīng)機制，并建立了一個生物信息學分析流程來整合這些復(fù)雜數(shù)據(jù)。這項研究由包括荷蘭瓦赫寧根大學和烏得勒支大學在內(nèi)的多家歐洲學術(shù)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(yīng)激 H、干旱 D、澇漬 W）以及復(fù)合脅迫（熱+干旱 HD、熱+干旱+澇漬 HDW），并設(shè)置恢復(fù)期，以模擬田間可能出現(xiàn)的連續(xù)脅迫，并使用PlantScree高通量表型成像分析系統(tǒng)進行連續(xù)表型分析，監(jiān)測植物體積、高度、葉面積、緊湊度等形態(tài)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(jié)果表明，所有脅迫均抑制生長，但程度不同，復(fù)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(tǒng)損傷中，所有脅迫均降低了PSII的光化學效率（QY_Lss），其中熱應(yīng)激H脅迫影響最大。
結(jié)合其他組學數(shù)據(jù)，該研究證實了馬鈴薯對復(fù)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(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(yīng)未來氣候變化的馬鈴薯品種。
3. 在高通量表型系統(tǒng)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(chǎn)力和產(chǎn)量至關(guān)重要。隨著高通量表型系統(tǒng)設(shè)施的發(fā)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(tài)型（Col-0 和 Ely）在PlantScree XY三維移動表型成像系統(tǒng)中進行不同光處理（恒定光與波動光），并分析其光合參數(shù)（最大光量子產(chǎn)量Fv/Fm和光系統(tǒng)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(shù)對波動光處理的響應(yīng)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(yīng)。在Ely中，葉片Fv/Fm在其出現(xiàn)約一周后達到峰值然后下降；幼葉對波動光的ΦPSII響應(yīng)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(fā)育、光合作用動態(tài)及其遺傳基礎(chǔ)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(fā)生冷害，表現(xiàn)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(zhì)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(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，使用LED光源（150 μmol·m?2·s?1）進行培養(yǎng)。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(tǒng)測量后發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(jié)果表明，EOP高光可有效提升羅勒的營養(yǎng)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：
1. van Himbeeck R, Binneb?sz E L, Amora D, et al. Noninvasive, Presymptomatic Detection of Potato Cyst Nematode Infection in Tomato Using Chlorophyll Fluorescence Analysis[J]. Phytopathology, 2025, 115(1): 77-84.
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.
3. Jurado-Ruiz F, Nguyen T P, Peller J, et al. LeTra: a leaf tracking workflow based on convolutional neural networks and intersection over union[J]. Plant Methods, 2024, 20(1): 11.
4. Larsen D H, Li H, van de Peppel A C, et al. High light intensity at End-Of-Production improves the nutritional value of basil but does not affect postharvest chilling tolerance[J]. Food Chemistry, 2022, 369: 130913.
北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供植物表型分析技術(shù)全面解決方案并提供相關(guān)參考文獻：
? 國際PlantScreen植物高通量表型成像分析系統(tǒng)，有傳送帶版、XYZ版、PlantScreen SC、根系表型分析等不同功能規(guī)格供選配
? PhenoTron®植物表型成像分析系統(tǒng)，易科泰新一代農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)+AI平臺技術(shù)，可根據(jù)國內(nèi)用戶實際需求及安裝場景靈活配置定制，具備高光譜成像、UV-MCF紫外光激發(fā)植物熒光（脅迫誘導次級代謝產(chǎn)物熒光）高光譜成像、葉綠素熒光成像、Thermo-RGB紅外熱成像與RGB成像融合分析、3D激光掃描成像分析等表型分析技術(shù)，AI平臺技術(shù)包括自動傳送系統(tǒng)、XYZ平臺、懸浮雙規(guī)平臺、機器人平臺等不同智能平臺供選配
? FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)，有幾千篇國際科研文獻可供參考
? FluorTron®植物光合表型成像分析系統(tǒng)，可根據(jù)客戶需求定制不同成像面積的葉綠素熒光動態(tài)成像、葉綠素熒光光譜成像、LEDIF（植物群體）冠層葉綠素熒光成像系統(tǒng)等
? PhenoTron®智能LED光源培養(yǎng)與表型分析平臺，集多通道智能LED光源與多源表型傳感器技術(shù)于一身，可在對植物進行精確光照培訓，同時實現(xiàn)葉綠素（含量）與葉綠素熒光成像、Thermo-RGB成像、多功能高光譜成像等在線晝夜全天候監(jiān)測分析植物表型。
? FluorPen系列手持式葉綠素熒光儀（有探頭式和葉夾式，藻類用AquaPen試管式葉綠素熒光儀）可與LCi、LCpro等光合儀組成便攜式大田作物表型分析測量系統(tǒng)
? FluorTron系列多光譜葉綠素熒光成像/多功能高光譜成像分析系統(tǒng)
? PhenoPlot®輕便型大田或溫室作物表型成像分析系統(tǒng)
? PhenoTron® PTS植物表型成像分析系統(tǒng)
? 田間智能巡檢機器人表型分析平臺
? ET-LEDIF葉綠素熒光監(jiān)測系統(tǒng)
? 模塊式作物表型成像分析系統(tǒng)
產(chǎn)品中心
Products