在種質(zhì)資源檢測(cè)與評(píng)估研究中，首要的工作是對(duì)種子活力進(jìn)行準(zhǔn)確全面的評(píng)估。種子的生長(zhǎng)活力與抗逆能力將直接決定作物是否能夠應(yīng)對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程中遇到的各種環(huán)境脅迫，并最終獲得較高的產(chǎn)量。

大豆種子活力與生長(zhǎng)過(guò)程的關(guān)系（Ebone，2020）

種子活力評(píng)估一般是通過(guò)種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)發(fā)芽率、胚根、胚軸長(zhǎng)度等。一般的傳統(tǒng)方法需要人工計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量幼苗和計(jì)算發(fā)芽率，工作量極大，也非常耗時(shí)。而基于彩色圖像分析來(lái)識(shí)別發(fā)芽幼苗又存在很大誤差。而胚根、胚軸長(zhǎng)度等基礎(chǔ)形態(tài)數(shù)據(jù)，也無(wú)法全面評(píng)估萌發(fā)種苗的生長(zhǎng)潛勢(shì)和抗逆能力。因此，在近年的最新研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者把先進(jìn)的植物表型成像技術(shù)引入種子活力與種質(zhì)資源檢測(cè)研究中，取得了一系列更有效、更全面、更有意義的研究成果。

早在2012年，以FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)為基礎(chǔ)，PSI公司開(kāi)始研制生產(chǎn)PlantScreen植物表型成像分析平臺(tái)。開(kāi)發(fā)的平臺(tái)既有與科研機(jī)構(gòu)合作、針對(duì)擬南芥等模式植物的科研型表型平臺(tái)，也有與國(guó)際種業(yè)公司合作、專門用于育種的表型平臺(tái)。從2012年至今，PlantScreen植物表型成像分析技術(shù)在國(guó)際表型組學(xué)、基因組學(xué)、遺傳育種、生理生態(tài)研究機(jī)構(gòu)與農(nóng)業(yè)育種公司都得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)十多年不懈的改進(jìn)與研發(fā)，PlantScreen植物表型成像技術(shù)已經(jīng)得到了植物表型組學(xué)研究者的廣泛認(rèn)可，僅大型系統(tǒng)平臺(tái)的全.球安裝量就超過(guò)60套，并發(fā)表了大量學(xué)術(shù)論文和科研成果。PlantScreen系統(tǒng)通過(guò)預(yù)設(shè)程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的培養(yǎng)與表型成像測(cè)量，結(jié)合自動(dòng)稱重澆灌單元，理想情況下可以實(shí)現(xiàn)植物全生活史的無(wú)人值守自動(dòng)培養(yǎng)與測(cè)量。這一系統(tǒng)既可用于測(cè)量擬南芥、煙草等模式植物，也可用于測(cè)量玉米、水稻等作物，番茄、生菜、西瓜等水果蔬菜，乃至松樹(shù)、楊樹(shù)、椰子等苗木。下面我們通過(guò)幾個(gè)研究案例，介紹PlantScreen系統(tǒng)在種質(zhì)資源與種子活力高通量表型檢測(cè)方面的研究案例：

德國(guó)亥姆霍茲慕尼黑中心PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統(tǒng)，同時(shí)配備了白、紅、藍(lán)三色LED培養(yǎng)光源

案例一、利用高通量表型成像系統(tǒng)對(duì)擬南芥種子萌發(fā)與種苗活力進(jìn)行高通量連續(xù)檢測(cè)

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(duì)擬南芥種子活力的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于高通量葉綠素?zé)晒獬上穹治龅拿劝l(fā)實(shí)驗(yàn)。

他們使用的一套PlantScreen傳送帶式表型成像分析系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)植物樣品進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)和表型監(jiān)測(cè)，非常適用于進(jìn)行高通量的種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。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(dòng)傳送系統(tǒng)可以按設(shè)置的序列自動(dòng)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(guò)監(jiān)測(cè)種子萌發(fā)后剛展開(kāi)子葉的最大熒光值Fm，非常有效地識(shí)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(jì)算極為準(zhǔn)確。

左圖：高通量葉綠素?zé)晒獬上穹治龉ぷ髁鞒?；a.播種、放置樣品、成像測(cè)量、圖像分析；b.最大葉綠素?zé)晒釬m成像圖的分析過(guò)程；右圖：不同處理的發(fā)芽率動(dòng)態(tài)曲線

葉綠素?zé)晒獬上裢瑫r(shí)測(cè)量萌發(fā)種苗的葉綠素?zé)晒鈪?shù)如QY_max最大光化學(xué)效率（Fv/Fm，對(duì)各種脅迫極為敏感）、QY實(shí)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(jī)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(zhǎng)潛勢(shì)、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的評(píng)估，并得到了大量的驗(yàn)證。本研究成功建立了一個(gè)更加高效、可擴(kuò)展的高通量萌發(fā)篩選平臺(tái)，為種子活力分析與種質(zhì)資源評(píng)估提供了新工具。

左：泛素E3連接酶在ABA反應(yīng)途徑中的功能假說(shuō)；右：對(duì)應(yīng)處理的冠層投影面積、各項(xiàng)葉綠素?zé)晒鈪?shù)、冠層溫度的動(dòng)態(tài)曲線

參考文獻(xiàn)：

1. Pavicic M, Wang F, Mouhu K, et al. High throughput in vitro seed germination screen identified new ABA responsive RING-type ubiquitin E3 ligases in Arabidopsis thaliana[J]. Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC), 2019, 139(3): 563-575.

案例二：番茄幼苗生物與非生物逆境脅迫的表型應(yīng)答研究

1. 利用葉綠素?zé)晒夥治鰧?duì)番茄幼苗的馬鈴薯胞囊線蟲(chóng)感染進(jìn)行非侵入性、癥狀前檢測(cè)

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(xué)（Wageningen University & Research, WUR）與烏得勒支大學(xué)（Utrecht University） 共同合作建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，裝備了多套不同型號(hào)的PlantScreen植物表型成像系統(tǒng)與FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)。

NPEC裝備的多套不同型號(hào)PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)，集成有葉綠素?zé)晒?、多光譜熒光、RGB、高光譜、紅外熱成像、激光雷達(dá)等多種表型成像傳感器

馬鈴薯胞囊線蟲(chóng)（PCN）是全.球馬鈴薯產(chǎn)區(qū)最具破壞性的病原線蟲(chóng)之一，每年造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)地定位這些病灶非常困難，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的土壤取樣和線蟲(chóng)鑒定方法既耗時(shí)又費(fèi)力。因此，開(kāi)發(fā)一種快速、非破壞性、癥狀前的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的局部防控、減少農(nóng)藥使用和降低經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。本研究旨在探索葉綠素?zé)晒夥治鲎鳛橐环N前沿的植物生理監(jiān)測(cè)技術(shù)，是否能夠通過(guò)檢測(cè)植物地上部光合系統(tǒng)的細(xì)微變化，來(lái)間接、早期地診斷出地下部根系的PCN侵染。

NPEC的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(gè)不同梯度的PCN接種密度，利用PlantScreen系統(tǒng)的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧诮臃N后連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)26天的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像。

研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)PCN侵染的響應(yīng)遠(yuǎn)早于傳統(tǒng)生長(zhǎng)指標(biāo)：

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(shí)，線蟲(chóng)可能尚未侵入根系，研究者推測(cè)可能是線蟲(chóng)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(duì)低水平侵染最敏感的指標(biāo)。即使在最低接種密度（5卵/克土）下，從第1天起就能檢測(cè)到其下降。而NPQ則在第1天對(duì)高接種密度表現(xiàn)出響應(yīng)。

最大光化學(xué)效率Fv/Fm、PSII潛在活性Fv/F0則響應(yīng)較晚且對(duì)低侵染水平不敏感。

本研究成功證明了：葉綠素?zé)晒夥治觯貏e是NPQ和ΦPSII這兩個(gè)參數(shù)，能夠作為一種極其靈敏的工具，在番茄幼苗出現(xiàn)任何可見(jiàn)癥狀之前，有效檢測(cè)出地下部的馬鈴薯胞囊線蟲(chóng)侵染。

不同葉綠素?zé)晒鈪?shù)隨蟲(chóng)卵密度、侵染進(jìn)程的變化

2. 番茄幼苗干旱脅迫的精準(zhǔn)識(shí)別

西北農(nóng)林科技大學(xué)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室借助PlantScreen傳送帶式植物表型成像分析系統(tǒng)和干旱脅迫狀態(tài)識(shí)別模型，對(duì)番茄幼苗的干旱脅迫進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)和等級(jí)判定，獲得了較高的識(shí)別準(zhǔn)確率。

研究小組首先利用PlantScreen傳動(dòng)帶植物表型成像分析系統(tǒng)中的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧杉煌珊得{迫程度的番茄幼苗冠層葉綠素?zé)晒鈭D像。每個(gè)樣本均獲取98幅熒光圖像，即共有98個(gè)葉綠素?zé)晒鈪?shù)，從而克服了目前大部分研究未能充分利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)信息和未利用熒光圖像信息的問(wèn)題。他們從中提取了5個(gè)敏感熒光參數(shù)并通過(guò)多種算法分析了其在不同干旱等級(jí)下的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這5個(gè)熒光參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的圖像特征可用于評(píng)價(jià)番茄幼苗的干旱脅迫等級(jí)，并具有較好的評(píng)價(jià)效果，對(duì)植物干旱脅迫的無(wú)損診斷具有重要的應(yīng)用前景。

左圖：不同干旱脅迫程度的葉綠素?zé)晒獬上駡D和熒光參數(shù)相關(guān)性分析；右圖：本研究中使用的小型PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：

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. Long Y, Ma M. Recognition of drought stress state of tomato seedling based on chlorophyll fluorescence imaging[J]. Ieee Access, 2022, 10: 48633-48642.

案例三：林木幼苗活力與抗逆性的表型檢測(cè)方案

1. 云杉幼苗干旱響應(yīng)的高通量表型成像評(píng)估

除了模式植物、蔬菜、作物等，在近年的最新研究中，高通量表型成像技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于林木幼苗的活力評(píng)估與抗逆研究。

挪威云杉（Picea abies）作為歐洲分布最廣的針葉樹(shù)種之一，對(duì)干旱高度敏感。奧地利森林研究中心的研究人員將兩個(gè)氣候差異明顯的云杉種源（P1：來(lái)自較高海拔，氣候較冷濕；P2：來(lái)自較低海拔，氣候較暖干）進(jìn)行干旱處理后，利用一套PlantScreen傳送帶式表型成像分析系統(tǒng)對(duì)幼苗進(jìn)行了RGB 成像、葉綠素?zé)晒獬上?、高光譜成像（VNIR + SWIR）、3D 激光掃描等高通量表型成像分析，共提取 56 個(gè)與生長(zhǎng)形態(tài)、光合、水分狀態(tài)、植被指數(shù)相關(guān)的表型參數(shù)。

結(jié)果表明，在干旱早期，云杉?xì)饪钻P(guān)閉、NPQ 增強(qiáng)、抗氧化物質(zhì)積累為核心，形成多層保護(hù)，延緩光系統(tǒng)和光合機(jī)構(gòu)的損傷；而隨著干旱持續(xù)，PSII 出現(xiàn)不可逆損傷，生長(zhǎng)完全停滯乃至死亡。在種源差異方面，P1 在光系統(tǒng)穩(wěn)定性上表現(xiàn)更為穩(wěn)健，P2 則對(duì)干旱更為敏感。

干旱處理初期（左圖，Day 0）和處理末期（右圖，Day 21）的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm成像圖

左圖：形態(tài)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線；中圖；葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)曲線；右圖：高光譜植被指數(shù)動(dòng)態(tài)曲線

2. 赤松幼苗干旱-復(fù)水過(guò)程的高通量表型成像評(píng)估

捷克生命科學(xué)大學(xué)以歐洲廣泛分布的歐洲赤松（Pinus sylvestris L.）為對(duì)象，在溫室控制條件下模擬干旱與復(fù)水過(guò)程，結(jié)合高通量表型分析（HTPP）與SNP基因分型系統(tǒng)分析了來(lái)自捷克境內(nèi)三個(gè)不同海拔（低地、中山地）種源實(shí)生苗的表型與遺傳應(yīng)答，探討了其耐旱性差異及遺傳基礎(chǔ)。

研究中使用PlantScreen傳送帶式表型成像分析系統(tǒng)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了高時(shí)間分辨率的表型連續(xù)測(cè)量，包括：

● 葉綠素?zé)晒獬上瘢簻y(cè)量穩(wěn)態(tài)量子產(chǎn)額（QY Lss）、最大量子產(chǎn)額（QY max）、穩(wěn)態(tài)非光化學(xué)猝滅（NPQ Lss）。

● 多光譜熒光成像：計(jì)算簡(jiǎn)單熒光比（SFR_R）作為葉綠素含量估計(jì)。

● 熱成像：記錄針葉與空氣溫差（ΔT）反映蒸騰降溫能力。

左圖：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)示意圖；右圖：研究人員在PlantScreen傳送帶式表型成像分析系統(tǒng)上進(jìn)行樣品準(zhǔn)備工作

結(jié)果表明，葉綠素?zé)晒鈪?shù)在干旱處理后都會(huì)顯著低于對(duì)照組，而在復(fù)水后則有所恢復(fù)。SFR_R在干旱處理后13天即出現(xiàn)顯著差異，表明葉綠素含量或新松針發(fā)育受到影響；復(fù)水后干旱組值仍低于對(duì)照。干旱組ΔT溫差顯著增大，反映蒸騰降溫能力下降；復(fù)水后溫差仍高于對(duì)照，但這可能部分歸因于高溫天氣。

5項(xiàng)主要表型數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化曲線

綜合來(lái)看，歐洲赤松在超過(guò)一個(gè)月的零可用水條件下仍能存活，顯示較強(qiáng)的物種水平耐旱性。不同種源在生理表型反應(yīng)速度和程度上的差異，體現(xiàn)了本地適應(yīng)在耐旱性中的作用。各項(xiàng)表型參數(shù)（尤其是QY max、QY Lss、SFR_R、ΔT）具有較高遺傳力，可用于苗期非破壞性耐旱性篩選。這一成果為氣候變化背景下歐洲赤松的種源選擇、輔助遷移和森林恢復(fù)提供了理論基礎(chǔ)與實(shí)踐工具。

參考文獻(xiàn)：

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2. Neuwirthová E, et al. Drought Response and Genetic Variation in Scots Pine Seedlings' Provenances: Insights From High‐Throughput Phenotyping for Climate‐Resilient Forestry. Evolutionary Applications, 2025, 18.10: e70157.

北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供種質(zhì)資源表型分析技術(shù)全面解決方案并提供相關(guān)參考文獻(xiàn)：

● 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

左圖：荷蘭瓦赫寧根大學(xué)裝備的PlantScreen傳送帶式植物表型成像分析系統(tǒng)和PlantScreen XYZ 三維掃描植物表型成像分析系統(tǒng)

● FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)與FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)，有幾千篇國(guó)際科研文獻(xiàn)可供參考

左圖：新一代FluorCam1300多激發(fā)光多光譜熒光成像系統(tǒng)；右：利用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)測(cè)量番茄種子萌發(fā)率并評(píng)估種苗活力