植物表型組學(xué)研究機構(gòu)巡禮(2)- 

芬蘭赫爾辛基大學(xué)國家植物表型基礎(chǔ)設(shè)施（NaPPI）

芬蘭赫爾辛基大學(xué)國家植物表型基礎(chǔ)設(shè)施（the National Plant Phenotyping Infrastructure，NaPPI）是芬蘭國家研究基礎(chǔ)設(shè)施（Finnish Research Infrastructure，FIRI）的重要植物科學(xué)研究平臺之一。它的核心使命是通過整合從基因組學(xué)到高通量表型組學(xué)，再到高精度代謝組學(xué)的完整技術(shù)鏈條，為植物科學(xué)研究提供非破壞性表型分析技術(shù)。就在近期（2026年1月21日），NaPPI正式加入了由NordForsk（北歐國家政府間科研合作資助機構(gòu)，隸屬于北歐理事會部長會議框架）資助的 NordPheno北歐研究基礎(chǔ)設(shè)施中心。這一合作旨在加強整個北歐地區(qū)在數(shù)字表型分析能力、知識交流、設(shè)施共享以及科研人員培訓(xùn)方面的合作，共同推動植物科學(xué)和育種研究。

NaPPI的核心設(shè)施為兩套PlantScreen高通量植物表型成像分析系統(tǒng)。一套大型傳送帶系統(tǒng)適用于120cm以下的大型植株，如小麥、玉米、番茄、馬鈴薯等。一套緊湊式傳送帶系統(tǒng)適用于50cm以下的小型植株，如擬南芥或作物幼苗等。兩套系統(tǒng)均可高通量自動化運行，在無人值守情況下自動完成植物樣品的培養(yǎng)、澆灌、傳送、各項表型成像測量與分析等一整套植物表型組學(xué)測量程序。同時，赫爾辛基大學(xué)還裝備有多臺不同型號配置的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)，可配合PlantScreen系統(tǒng)的表型研究工作，完善部分特殊表型數(shù)據(jù)，如OJIP快速熒光動力學(xué)成像分析等。

這兩套PlantScreen系統(tǒng)在2015年安裝完畢，是北歐地區(qū)植物表型研究設(shè)施之一。時至今日，它們也依然是支持NaPPI乃至整個北歐地區(qū)植物表型研究的核心設(shè)施之一。NaPPI利用這些表型組學(xué)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. 甘薯病毒的協(xié)同致病機制研究

由甘薯羽狀斑駁病毒（SPFMV） 和甘薯褪綠矮化病毒（SPCSV） 協(xié)同感染引起的病毒病對甘薯產(chǎn)量影響極為嚴(yán)重。傳統(tǒng)的病毒檢測方法（如核酸檢測）雖然有效，但成本高、耗時，并且由于需破壞樣品，無法進(jìn)行連續(xù)觀測。本研究旨在利用PlantScreen高通量表型分析系統(tǒng)，結(jié)合葉綠素?zé)晒猓?/span>ChlF）成像和熱紅外（TIR）成像技術(shù)，靈敏、無損并且省時省力地研究SPFMV和SPCSV在甘薯中的協(xié)同致病機理。

實驗設(shè)置了6個不同的甘薯病毒處理組，在兩種光照條件下進(jìn)行培養(yǎng)，以評估環(huán)境的影響。在29天的連續(xù)培養(yǎng)中，定期測量RGB形態(tài)成像、葉綠素?zé)晒獬上窈图t外熱成像。

結(jié)果表明，與健康植株（Wt-H）和僅感染SPFMV（Wt-F）的植株相比，感染SPCSV（Wt-C）、共感染（Wt-FC）以及轉(zhuǎn)基因感染（R3-F）的植株生長受到顯著抑制，表現(xiàn)為株高降低、生物量和葉面積減少。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)ΦPSII（PSII有效量子產(chǎn)量）和 qP（光化學(xué)淬滅系數(shù)）是區(qū)分不同病毒處理嚴(yán)重程度的最敏感參數(shù)，在感染第3天即可明顯指示病害發(fā)生。癥狀嚴(yán)重的植株（Wt-FC，R3-F）這兩個值均顯著降低，表明其光化學(xué)反應(yīng)中心效率低下。葉片溫度在癥狀嚴(yán)重的植株中更高，這可能是由于氣孔關(guān)閉導(dǎo)致蒸騰作用減少所致。TIR成像在感染早期（約7天后）就能檢測到溫度差異。

本研究系統(tǒng)性地驗證了葉綠素?zé)晒獬上?/span>和紅外熱成像技術(shù)可用于區(qū)分和量化SPFMV和SPCSV在甘薯中引起的病毒病嚴(yán)重程度。為利用高通量表型技術(shù)進(jìn)行溫室科學(xué)實驗和田間精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的病毒病早期檢測提供了重要依據(jù)。

2. 林木病原菌致病機制研究

本研究聚焦于壞死性林木病原真菌——小孢子異擔(dān)子菌Heterobasidion parviporum的致病機制。小孢子異擔(dān)子菌是造成云杉根部和干基腐朽的最主要病原體，每年都會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。該真菌的基因組編碼大量小分泌蛋白（SSP），推測其作為效應(yīng)子在與寄主互作中起關(guān)鍵作用，但大多數(shù) SSP 的功能尚不明確。

通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的瞬時表達(dá)技術(shù)在本氏煙葉片中測試四個能引起細(xì)胞死亡的 SSP 同源候選蛋白。結(jié)果顯示，只有 HpSSP35.8 能引發(fā)強烈的組織壞死和細(xì)胞死亡，而其他同源蛋白效果微弱或無效果。用 H. parviporum 的分生孢子接種云杉幼苗根部，在不同時間點檢測 HpSSP35.8 基因的表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)：HpSSP35.8 的表達(dá)在侵染的早期、癥狀出現(xiàn)前（24-60小時）被強烈誘導(dǎo)，在36小時達(dá)到峰值，此時真菌可能正在形成侵染結(jié)構(gòu)（附著胞）。當(dāng)根部出現(xiàn)明顯褐變癥狀（72小時后），該基因的表達(dá)水平反而顯著下降。這表明 HpSSP35.8 在建立侵染的初期階段可能扮演重要角色。但這種鑒定方法費時費力，研究人員還是需要一種高效、靈敏的方法來快速篩選和鑒定具有生物活性的效應(yīng)子蛋白以開展后續(xù)工作。

于是，研究人員利用PlantScreen系統(tǒng)中的RGB可見光形態(tài)成像與葉綠素?zé)晒獬上窆δ?，?/span>瞬時表達(dá) HpSSP35.8 的本氏煙葉片進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測。結(jié)果表明，利用可見光成像的色彩分析要到36小時才能看到明顯的壞死癥狀。而葉綠素?zé)晒鈪?shù)ΦPSII（PSII實際光化學(xué)效率）在接種后3小時就開始顯著下降；QYmax（PSII光化學(xué)效率）則在9小時后出現(xiàn)差異，從而證明葉綠素?zé)晒鈪?shù)及成像分析是比形態(tài)、色彩觀察更靈敏、更早期的細(xì)胞死亡和生理脅迫指示器，可用于高效篩選其他潛在的效應(yīng)子蛋白。

3. 高通量種子活力評估

種子活力是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的總和（發(fā)芽和出苗期間的活性水平與行為），是種子品質(zhì)的重要指標(biāo)。種子萌發(fā)實驗無疑是直接有效的種子活力檢測方法。但一般的傳統(tǒng)方法需要人工計數(shù)來測量幼苗和計算發(fā)芽率，工作量極大，也非常耗時。而基于彩色圖像分析來識別發(fā)芽幼苗又存在很大誤差。同時，傳統(tǒng)的形態(tài)數(shù)據(jù)難以真正評估幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力。因此，基于現(xiàn)代植物表型組學(xué)研究和種子活力評估要求，在種子萌發(fā)實驗中還需要實時監(jiān)測各種表型數(shù)據(jù)，而不僅僅是傳統(tǒng)表型所說的形態(tài)數(shù)據(jù)。

赫爾辛基大學(xué)的研究人員為了研究一種新的ABA響應(yīng)泛素E3連接酶對擬南芥種子萌發(fā)活力的影響，設(shè)計了一個基于高通量葉綠素?zé)晒獬上穹治龅拿劝l(fā)實驗。

PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)可以自動對植物樣品進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)和表型監(jiān)測，非常適用于進(jìn)行高通量的種子萌發(fā)實驗。其配備的LED光照控溫培養(yǎng)室能夠模擬理想的光照與溫度條件。自動傳送系統(tǒng)可以按設(shè)置的序列自動讓樣品傳送到成像室。內(nèi)置的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上衲K可以通過監(jiān)測種子萌發(fā)后剛展開子葉的熒光值Fm，非常有效地識別發(fā)芽的種子。專用的分析軟件能夠很容易地將未萌發(fā)種子和背景去除掉，從而使發(fā)芽率計算極為準(zhǔn)確。

葉綠素?zé)晒獬上裢瑫r測量萌發(fā)種苗的葉綠素?zé)晒鈪?shù)如QY_max光化學(xué)效率（Fv/Fm，對各種脅迫極為敏感）、QY實際光化學(xué)效率（量子產(chǎn)額）、NPQ非光化學(xué)淬滅（與光系統(tǒng)熱耗散、光保護(hù)機制有關(guān)）、Rfd熒光衰減比率（也稱為活力指數(shù)）、冠層面積等，可反映種苗光合能力和抗逆能力。熱成像單元可以提供冠層和葉片溫度數(shù)據(jù)，反映植物蒸騰、水分利用狀態(tài)以及病害等脅迫信息。這些指標(biāo)已經(jīng)廣泛用于幼苗生長潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的評估，并得到了大量的驗證。本研究成功建立了一個高效、可擴展的高通量萌發(fā)篩選平臺，為種子活力分析與種質(zhì)資源評估提供了新工具。

4. 紅樹莓果實品質(zhì)評估

在高緯度地區(qū)（如芬蘭在北緯60°以上），許多初生莖紅樹莓（Rubus idaeus L.）品種由于生長季短、秋季霜凍早，無法在初生莖上實現(xiàn)充分的秋季產(chǎn)量。這些品種雖具有高產(chǎn)潛力和優(yōu)良果實品質(zhì)，但秋季果實成熟過晚，導(dǎo)致產(chǎn)量損失。研究人員將7個初生莖樹莓品種通過長枝栽培方式作為次生莖進(jìn)行生產(chǎn)并評估其果實品質(zhì)，希望為短生長季地區(qū)提供替代栽培方案。

在進(jìn)行果實品質(zhì)評估時，除了傳統(tǒng)的單株產(chǎn)量、果重、可溶性固形物（SS）、可滴定酸（TA）等品質(zhì)數(shù)據(jù)，研究人員創(chuàng)新性地使用PlantScreen表型成像分析系統(tǒng)的RGB成像單元分析果實形狀和顏色參數(shù)。

果實面積直接反映果實的大小。偏心率則可以反映果實的圓度，其中“Autumn Treasure"的果實最橢圓（偏心率），其他品種則更接近圓形。顏色分析則表明“Kwanza"的果實是最紅、最亮的。高通量RGB成像分析可高效分析果實形狀和顏色，非常適用于自動化成熟度判斷和采后品質(zhì)評估。

5. 利用OJIP快速熒光誘導(dǎo)動力學(xué)成像技術(shù)進(jìn)行光合機理研究

OJIP快速熒光誘導(dǎo)動力學(xué)成像一直是葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)中的一個難點，但由于OJIP能夠?qū)θ~綠素?zé)晒膺M(jìn)行微秒級解析。因此科學(xué)家和工程師一直在合作開發(fā)相關(guān)技術(shù)，最終成果即為具備閃光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬上窆δ艿?/span>FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)。

赫爾辛基大學(xué)在2019年與PSI公司合作，利用一臺安裝了超高速熒光相機的定制FluorCam葉綠素?zé)晒庀到y(tǒng)對擬南芥突變體的低氧光合響應(yīng)進(jìn)行了PAM脈沖調(diào)制熒光和OJIP快速熒光誘導(dǎo)分析。之后又對擬南芥對臭氧的光合響應(yīng)等進(jìn)行了研究

從2024年開始，赫爾辛基大學(xué)與芬蘭自然資源研究所合作，利用一臺PlantScreen SC植物表型成像分析系統(tǒng)進(jìn)一步深入研究。這一系統(tǒng)同時配備RGB成像、紅外熱成像、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧ㄅ鋫?/span>PAM脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上瘛?/span>OJIP快速閃光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬上駜煞N成像模塊）等功能模塊。他們在除草劑影響、氣孔功能脅迫響應(yīng)等方面已經(jīng)取得了一系列成果。

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