植物與土壤的相互作用包括土壤對(duì)植物生存、生長和繁殖所施加的廣泛的生物、化學(xué)和物理效應(yīng)，以及植物對(duì)土壤形成、土壤物理結(jié)構(gòu)和土壤生物群活動(dòng)的相互作用。這些相互作用發(fā)生在廣泛的時(shí)間和空間尺度上。土壤生物群和土壤物理基質(zhì)的參與對(duì)植物種群和群落具有反饋效應(yīng)，也導(dǎo)致養(yǎng)分循環(huán)和動(dòng)態(tài)的變化。

土壤-植物互作示意圖（Bhattacharyya，2023）

       葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像技術(shù)是目前植物表型研究技術(shù)中占據(jù)極其重要的地位。這兩種技術(shù)對(duì)植物活體的光合生理表型、次生代謝水平、轉(zhuǎn)基因標(biāo)記熒光蛋白等進(jìn)行無損成像與定量分析，在植物、農(nóng)業(yè)、生態(tài)科研工作中都得到了廣泛地應(yīng)用。易科泰生態(tài)技術(shù)公司積十幾年葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光測量與成像技術(shù)國際合作、技術(shù)推廣與技術(shù)服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，一方面引進(jìn)國際先進(jìn)儀器技術(shù)，另一方面自主研制生產(chǎn)了不同應(yīng)用領(lǐng)域的葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像技術(shù)產(chǎn)品，包括FluorTron葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像（time-resolved）、FluorTron多光譜熒光成像、FluorTron葉綠素?zé)晒夤庾V成像等。

       土壤-植物互作的相關(guān)研究中，測量特定土壤條件下植物的光合生理與表型響應(yīng)，無疑是非常重要的一環(huán)。國內(nèi)外研究者利用易科泰及合作廠家提供的葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像技術(shù)已經(jīng)在相關(guān)研究領(lǐng)域取得了大量研究成果，下面我們介紹其中的部分重要成果：

應(yīng)用方向一、土壤重金屬污染與改良評(píng)估

       土壤中的重金屬會(huì)從土壤進(jìn)入植物體內(nèi)，影響植物的生長發(fā)育，這些重金屬又會(huì)經(jīng)食物鏈造成生態(tài)危害與人類健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，降低土壤中重金屬毒性并減少植物中重金屬積累對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)、食品安全和人類健康至關(guān)重要。

       河南農(nóng)業(yè)大學(xué)在土壤中添加了一種新型聚丙烯酸接枝淀粉和腐植酸鉀復(fù)合水凝膠(S/K/AA)，研究其對(duì)煙草生長和土壤微環(huán)境的影響。形態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果分析表明添加S/K/AA水凝膠可以顯著提高Cd脅迫條件下煙草生物量。通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)與光合儀對(duì)煙草光合能力進(jìn)行測量，結(jié)果表明S/K/AA水凝膠同樣提高了Cd脅迫條件下煙草的光合能力，包括最小熒光Fo、光合速率（CO2同化速率）Pn、蒸騰速率E等。研究認(rèn)為，S/K/AA水凝膠可能是通過Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)來影響Cd吸收，從而降低Cd毒性。

左圖：S/K/AA水凝膠；右圖：葉綠素?zé)晒獬上駡D及光合相關(guān)數(shù)據(jù)

       除了直接改良土壤外，利用根際內(nèi)生菌直接調(diào)節(jié)植物對(duì)重金屬的吸收和積累也是重要的研究方向之一。安徽科技大學(xué)與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)合作研究發(fā)現(xiàn)，根際內(nèi)生菌Lysinibacillus fusiformis Cr33顯著降低了番茄植株鎘（Cd）積累。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窠Y(jié)果表明隨Cd濃度降低，番茄葉片光合系統(tǒng)的損傷程度也顯著降低，證明了根內(nèi)生菌對(duì)地上部的保護(hù)作用。沈陽師范大學(xué)則利用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上褡C明了根內(nèi)生菌Burkholderia sp. GD17 在水稻對(duì)Cd脅迫應(yīng)答中，對(duì)光合系統(tǒng)具有顯著的保護(hù)性影響，減少了Cd損傷造成最 大光化學(xué)效率Fv/Fm、實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSII、電子傳遞速率ETR的降低。

左圖：根內(nèi)生菌顯著減少Cd對(duì)番茄葉片的毒害作用，這種作用與植物體內(nèi)Cd濃度密切相關(guān)；右圖：根內(nèi)生菌在水稻對(duì)Cd脅迫應(yīng)答中對(duì)光合系統(tǒng)具有保護(hù)性影響

應(yīng)用方向二、土壤病害與寄生物早期檢測

       多光譜熒光可同時(shí)對(duì)脅迫誘導(dǎo)次級(jí)代謝產(chǎn)物熒光（藍(lán)綠熒光）成像，并與葉綠素?zé)晒猓t色和遠(yuǎn)紅熒光）成像綜合分析。次生代謝物中的多酚類物質(zhì)是植物抵御病害的重要化學(xué)物質(zhì)，黃酮類物質(zhì)則與抗ROS活性氧密切相關(guān)，因此利用多光譜熒光能夠靈敏地進(jìn)行極早期病害檢測，甚至土壤病原菌及寄生物造成的根系病害都可以通過植物地上部的多光譜熒光成像進(jìn)行檢測。

       白紋羽病Rosellinia necatrix是鱷梨最重要的土壤傳播疾病之一。西班牙高等學(xué)術(shù)研究委員會(huì)利用FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)及紅外熱成像技術(shù)對(duì)根系感染后的鱷梨葉片的進(jìn)行了葉綠素?zé)晒獬上?、多光譜熒光成像和熱成像分析，發(fā)現(xiàn)病害造成的根系功能損失，能夠同步影響葉片的光合生理、次生代謝和氣孔功能。而葉綠素?zé)晒鈪?shù)甚至可以在癥狀發(fā)展前就指示出病害的發(fā)生。通過FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)進(jìn)行的這一研究既發(fā)現(xiàn)了根系病害對(duì)植物整體生理功能和地上部表型的影響，也為根系病害提供了早期檢測工具。

感染白紋羽病的鱷梨：左：地上部RGB圖；右：葉綠素?zé)晒?、多光譜熒光與熱成像圖

       根系寄生的列當(dāng)Orobanche cumana是油料作物向日葵生產(chǎn)中的大敵。西班牙國家研究委員會(huì)首次將多光譜熒光技術(shù)用于向日葵被列當(dāng)寄生的快速無損檢測。多光譜熒光成像結(jié)果表明，在列當(dāng)感染早期即可通過向日葵葉片紅色熒光F680和遠(yuǎn)紅熒光F740的增加，以及F680/F740的減少來檢測到其影響。藍(lán)綠熒光F440和F520則反應(yīng)了寄生過程中次生代謝水平的變化。這為向日葵育種與根系寄生早期檢測提供了極大的便利。

向日葵根部列當(dāng)寄生過程的多光譜熒光成像

應(yīng)用方向三、土壤生態(tài)毒性的生物標(biāo)記檢測

       捷克全 球變化研究所與丹麥哥本哈根大學(xué)長期合作研究開發(fā)一種高通量生物標(biāo)記篩選方法，能夠快速評(píng)估土壤與環(huán)境中毒性物質(zhì)如除草劑、重金屬等對(duì)環(huán)境生態(tài)的影響。他們使用高等植物的光自養(yǎng)細(xì)胞懸液，結(jié)合FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)、FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)、AlgaeTron AG230藻類培養(yǎng)箱等儀器開展了大量相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光自養(yǎng)細(xì)胞懸液結(jié)合FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)就是一種非常好的環(huán)境毒性生物標(biāo)記。

左圖：番茄細(xì)胞懸液添加不同濃度敵草隆后的FluorCam高通量葉綠素?zé)晒獬上駲z測；右圖：在FMT150和AG230中培養(yǎng)的紅葉藜細(xì)胞懸液，準(zhǔn)備后續(xù)的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治?/p>

       在最 新的研究中，他們分別對(duì)擬南芥植株和細(xì)胞懸液施加了敵草隆、草甘膦和重金屬鉻，使用FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了葉綠素?zé)晒獬上窈投喙庾V熒光成像分析。數(shù)據(jù)經(jīng)過主成分分析，證明擬南芥細(xì)胞懸液結(jié)合葉綠素?zé)晒獬上窈投喙庾V熒光成像分析是一種非常有效的植物毒性脅迫高通量預(yù)篩系統(tǒng)。這兩種成像檢測技術(shù)分別檢測毒性物質(zhì)對(duì)光合系統(tǒng)和次生代謝的影響，使檢測結(jié)果更加全面和準(zhǔn)確。比起使用植株來進(jìn)行類似篩選，這一生物標(biāo)記系統(tǒng)在高通量數(shù)據(jù)獲取、快速脅迫檢測、高靈敏度、同質(zhì)脅迫響應(yīng)、減少培養(yǎng)空間、節(jié)省材料與毒性物質(zhì)等方面都有很大優(yōu)勢。

左圖：葉綠素?zé)晒獬上窈投喙庾V熒光成像數(shù)據(jù)的主成分分析；中圖：敵草隆、草甘膦和鉻處理后的擬南芥細(xì)胞懸液；右圖：敵草隆處理后的擬南芥植株

應(yīng)用方向四、我們能在火星種土豆嗎——土壤-植物營養(yǎng)狀況評(píng)估與貧瘠土壤改良

       傳統(tǒng)的土壤營養(yǎng)元素分析方法需要對(duì)土壤及上面生長的植物進(jìn)行烘干消解處理與化學(xué)分析，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還要使用大量對(duì)環(huán)境有污染的化學(xué)藥品，更重要的是難以對(duì)同一植株進(jìn)行跟蹤檢測，在野外大田采樣測量也非常不方便。

       浙江大學(xué)使用了三種熒光技術(shù)——OJIP快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)、脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)和多光譜熒光成像技術(shù)獲取了不同氮素處理下油菜不同生長時(shí)期以及不同葉位的熒光數(shù)據(jù)。葉片氮素與植物的光合能力和葉綠素含量密切相關(guān)。OJIP與脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)獲得的相關(guān)參數(shù)直接反映植物的光合能力與電子傳遞鏈的生理變化。多光譜熒光技術(shù)測量的紅色熒光RF和近紅外熒光IrF則直接反映了葉綠素含量。在保證結(jié)果準(zhǔn)確率的前提下，相比其他兩種技術(shù)，多光譜熒光成像技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，多光譜熒光成像在葉片頂部的敏感度最 高且檢測的時(shí)間也最 早；其次，相較于其他葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，多光譜熒光成像技術(shù)不需要暗適應(yīng)，因此更適合用于田間冠層尺度的檢測。綜上，本研究推斷出多光譜熒光成像技術(shù)在油菜氮素水平的田間早期診斷中擁有較高潛力。

左：相關(guān)葉綠素?zé)晒鈪?shù)；右：多光譜熒光RF/IrF成像圖

       在科幻大片《火星救援》中，馬特·達(dá)蒙飾演的植物學(xué)家，依靠僅有的少量資源，就奇跡般地種植出了批量的“火星土豆”。

《火星救援》影片中的“阿瑞斯三號(hào)”火星基地和“火星土豆”

       那么現(xiàn)實(shí)中，我們能在火星的貧瘠土壤上種土豆嗎？ 那不勒斯費(fèi)德里科二世大學(xué)在意大利航天局支持下，開展了火星土豆培養(yǎng)模擬實(shí)驗(yàn)?；鹦峭寥乐须m然含有K、Ca、Mg、Fe等植物生長必需的無機(jī)元素，但缺乏C、N、P、S等有機(jī)元素，同時(shí)也沒有足夠的土壤持水量。研究人員希望通過在模擬的火星土壤中添加綠色堆肥，改善土豆的生長狀況。研究人員利用ADC光合儀在塊莖填充期和葉片衰老期檢測了凈光合速率NP、氣孔導(dǎo)度gs、蒸騰速率E，同時(shí)利用FluorPen100手持式葉綠素?zé)晒鈨x檢測了光系統(tǒng)II最 大光化學(xué)效率Fv/Fm、光系統(tǒng)II量子產(chǎn)額ΦPSII、電子傳遞速率ETR和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ。結(jié)果表明，在火星土中添加堆肥，一定程度提高了凈光合速率NP，同時(shí)顯著降低了氣孔導(dǎo)度gs和蒸騰速率E。說明堆肥處理維持了CO2固定效率，同時(shí)還降低了對(duì)水分的損耗。葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)方面，火星土堆肥提高了土豆的光系統(tǒng)II量子產(chǎn)額ΦPSII和電子傳遞速率ETR，說明堆肥對(duì)光系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在提高了光系統(tǒng)的光能轉(zhuǎn)化效率。結(jié)合最 終對(duì)塊莖的品質(zhì)檢測，這一研究證明了綠色堆肥可以很好地改善火星土的理化特性和肥力。也許未來的宇航員就會(huì)借助葉綠素?zé)晒夂投喙庾V熒光技術(shù)開發(fā)的土壤改良技術(shù)，在火星實(shí)現(xiàn)土豆自由。

左圖：不同培養(yǎng)基質(zhì)種植土豆的光合儀數(shù)據(jù)；右圖：葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)

應(yīng)用方向五、土壤生態(tài)恢復(fù)評(píng)估

       隨著礦產(chǎn)資源持續(xù)開發(fā)，相當(dāng)一部分礦區(qū)由于資源枯竭或因去產(chǎn)能關(guān)停退出，這些礦區(qū)就進(jìn)入了 “后采礦（post-mining）”階段。這個(gè)階段是對(duì)采礦遺留的土地、礦井、工業(yè)設(shè)施、建構(gòu)筑物和環(huán)境等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、整治與再利用的時(shí)期，其中對(duì)土壤進(jìn)行生態(tài)修復(fù)以恢復(fù)其自然生態(tài)功能是其中重要的環(huán)節(jié)。

       德國勃蘭登堡工業(yè)大學(xué)對(duì)多個(gè)“后采礦”區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行了跟蹤研究。由于采礦區(qū)土壤貧瘠，而且可能存在重金屬、有機(jī)化合物等多種污染，因此在初期，其地表植被以地衣、苔蘚等低等植物形成的生物結(jié)皮為主。研究人員通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)與反射光譜成像技術(shù)結(jié)合，評(píng)估土壤的恢復(fù)過程。研究結(jié)果表明土壤生物結(jié)皮逐漸增強(qiáng)的光合活性，增加了土壤碳積累，為其他高等植物的定居創(chuàng)造條件。

左圖：研究中的實(shí)驗(yàn)樣點(diǎn)；中圖：FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)對(duì)土壤恢復(fù)過程生物結(jié)皮的測量過程；右圖：不同時(shí)期土壤結(jié)皮彩色成像、反射光譜NDVI成像、葉綠素?zé)晒獬上癯跏紵晒釬o和最 大熒光Fm

       除葉綠素?zé)晒馀c高光譜熒光技術(shù)外，易科泰可同時(shí)提供其他多種與土壤-植物互作相關(guān)的儀器技術(shù)，包括土壤/根系/土壤動(dòng)物呼吸與碳中和、土壤/植物元素分析、植物/根系/土壤高光譜成像、紅外熱成像、生態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測等多種研究應(yīng)用，可根據(jù)客戶實(shí)際需要，靈活配置技術(shù)方案。

FluorTron?多功能高光譜成像分析技術(shù)

       FluorTron?多功能高光譜成像分析系統(tǒng)：同時(shí)具備反射光高光譜成像、葉綠素?zé)晒饧癠V-MCF生物熒光成像分析功能，可應(yīng)用于遺傳育種、種質(zhì)資源檢測鑒定、植物表型、脅迫與抗性篩選等領(lǐng)域

FluorCam葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像系統(tǒng)

左圖：FluorCam1300多光譜熒光成像系統(tǒng)，為FluorCam系列的最 新產(chǎn)品；中上圖：擬南芥光合突變體篩選及功能驗(yàn)證；中下圖：農(nóng)桿菌注射煙草的GFP成像；右圖：結(jié)合Thermo紅外熱成像與UV-MCF多光譜熒光成像分析溫室效應(yīng)背景下油菜的生理生態(tài)響應(yīng)，包括光系統(tǒng)損傷、次生代謝物合成、葉溫變化等

RhizoTron根系高光譜成像技術(shù)

左圖：RhizoTron?植物根系高光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行的元寶槭氮素含量分布、頂部冠層高光譜成像（NDVI）與根系成像提?。‥coTech?實(shí)驗(yàn)室提供），除高光譜成像外，還可配備RGB成像、紅外熱成像、多光譜成像；右圖：植物葉片與根系重金屬高光譜采集分析流程

Fire Fly & Mini Fly LIBS元素分析成像技術(shù)

 FireFly LIBS& Mini Fly元素分布成像分析系統(tǒng)可快速無損檢測土壤、植物根系與葉片中所有元素的分布及含量變化

SoilLab土壤呼吸實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)

從左至右：SoilLab土壤微生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M觀測系統(tǒng)；EGA60高通量土壤呼吸測量系統(tǒng)；FMS便攜式多功能土壤呼吸測量系統(tǒng)。測量樣品包括土壤、土壤動(dòng)物、植物、堆肥和可生物降解廢物等。具備實(shí)時(shí)開放式、間歇式、流動(dòng)注射式等多種測量技術(shù)，可適用于實(shí)驗(yàn)室不同模擬控制條件下土壤呼吸、土壤根系呼吸、群落光合呼吸、土壤微生物活性監(jiān)測等。

Thermo-RGB成像技術(shù)

       Thermo-RGB 成像采用易科泰自主研發(fā)的紅外熱成像與 RGB 成像融合分析技術(shù)，有效融合了紅外熱成像的熱輻射信息/溫度信息和 RGB 成像的顏色信息和高分辨率優(yōu)勢，可以方便地進(jìn)行圖像分割處理、提取清晰的圖像信息，并進(jìn)一步精 準(zhǔn)運(yùn)行 ROI 選區(qū)分析，能夠同時(shí)檢測形態(tài)、顏色及溫度分布等，可用于植物表型分析、生物（病蟲害）或非生物（如干旱、鹽堿等）脅迫或敏感性檢測；也可直接用于土壤表面溫度的實(shí)時(shí)成像監(jiān)測。

EcoTron生態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測技術(shù)

 ECOTRON基于蒸滲儀技術(shù)及環(huán)控生長箱技術(shù)而設(shè)計(jì)研發(fā)的高度訂制化的可控生態(tài)系統(tǒng)設(shè)備，可在受控條件下對(duì)土壤-植物-大氣連續(xù)體中的生態(tài)系統(tǒng)功能進(jìn)行綜合研究。其中下部單元（基于蒸滲儀技術(shù)）用于研究土壤過程以及動(dòng)植物與土壤的影響等，上部單元作為動(dòng)植物的棲息地用于研究不同部分間的相互作用、對(duì)土壤脅迫的響應(yīng)等，系統(tǒng)可以模擬真實(shí)的地上和地下環(huán)境條件，并自動(dòng)測量生態(tài)系統(tǒng)的過程（如能量和物質(zhì)的流動(dòng)）等。

參考文獻(xiàn)：

1. Xia M, et al. 2023. Hydrogel-potassium humate composite alleviates cadmium toxicity of tobacco by regulating Cd bioavailability. Ecotoxicology and Environmental Safety, 263:115361

2. Zhu L, Guo J, Sun Y, et al. Acetic acid-producing endophyte Lysinibacillus fusiformis orchestrates jasmonic acid signaling and contributes to repression of cadmium uptake in tomato plants. Frontiers in Plant Science, 2021, 12: 670216.

3. 祖國薔, 胡哲, 王琪. Burkholderia sp. GD17 對(duì)水稻幼苗鎘耐受的調(diào)節(jié). 生物技術(shù)通報(bào), 2022, 38(4): 153-162.

4. Granum E, et al. 2015. Metabolic responses of avocado plants to stress induced by Rosellinia necatrix analysed by fluorescence and thermal imaging. Eur J Plant Pathol, DOI 10.1007/s10658-015-0640-9

5. Ortiz-Bustos CM, et al. 2016. Fluorescence Imaging in the Red and Far-Red Region during Growth of Sunflower Plantlets. Diagnosis of the Early Infection by the Parasite Orobanche cumana. Front. Plant Sci. 7:884

6. Ortiz-Bustos C M, Pérez-Bueno M L, Barón M, et al. Use of blue-green fluorescence and thermal imaging in the early detection of sunflower infection by the root parasitic weed Orobanche cumana Wallr. Frontiers in plant science, 2017, 8: 833.

7. Sege?ová A, et al. 2017. Stress Response Monitoring of Photoautotrophic Higher Plant Suspension Cultures by Fluorescence Imaging for High-Throughput Toxic Compound Screening. Journal of Environmental Protection 8, 678-692

8. Sege?ová A, et al. 2018. Advancement of the cultivation and upscaling of photoautotrophic suspension cultures using Chenopodium rubrum as a case study. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. doi: 10.1007/s11240-018-1441-6

9. Sege?ová A, et al. 2019. Noninvasive determination of toxic stress biomarkers by high-throughput screening of photoautotrophic cell suspension cultures with multicolor fluorescence imaging. Plant Methods 15:100  

10. Caporale A G, Paradiso R, Liuzzi G, et al. Green compost amendment improves potato plant performance on Mars regolith simulant as substrate for cultivation in space. Plant and Soil, 2023, 486(1): 217-233

11. Gypser S, Herppich W B, Fischer T, et al. Photosynthetic characteristics and their spatial variance on biological soil crusts covering initial soils of post-mining sites in Lower Lusatia, NE Germany. Flora-Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants, 2016, 220: 103-116.