植物表型成像分析技術整合葉綠素熒光成像、RGB真彩3D成像、熱成像、高光譜成像等多種表型成像技術，對植物表型組進行綜合分析。基于這一技術設計的高通量表型成像分析平臺，通過自動傳送帶或XYZ三維移動機械臂實現(xiàn)自動化高通量植物樣品表型分析。

左圖：荷蘭瓦赫寧根大學PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)；中圖：芬蘭赫爾辛基大學PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統(tǒng)；右圖：利用PlantScreen進行的甘薯高通量表型成像分析（Wang，2019）

高通量表型成像分析平臺固然高效快速，但畢竟建設周期長、費用較高。因此，在很多研究中，利用同類型表型傳感器設計的實驗室儀器組成一套模塊式表型方案來進行相關研究，就成為了很多科研人員的更佳選擇。

易科泰依托農(nóng)業(yè)與表型檢測技術領域的深厚積淀，創(chuàng)新性推出全自主、國產(chǎn)化PhenoTron模塊式表型成像分析技術解決方案。

本方案以FluorTron?葉綠素熒光成像與多功能高光譜成像分析技術為核心支撐，聯(lián)動多種檢測技術形成協(xié)同合力，實現(xiàn)對植物表型與種質(zhì)資源更全面、精準、高效的綜合檢測。這一技術方案集成有葉綠素熒光成像、UV-MCF紫外激發(fā)多光譜熒光成像、高光譜成像、Thermo-RGB融合成像、種子呼吸、谷物成分分析、X-ray成像、種子發(fā)芽率成像等多種技術與相應儀器，可根據(jù)實際研究需要靈活組配。

PhenoTron模塊式表型成像分析技術的部分功能模塊，從左至右分別為：FluorTron?多功能高光譜成像模塊、種子呼吸檢測與葉綠素熒光成像模塊、Grainsense谷物成分分析模塊、X-ray成像模塊

下面我們介紹一些利用PhenoTron模塊式表型成像的相關技術在模塊式種質(zhì)資源表型檢測方面的研究案例：

1. 利用模塊式表型方案研究納米粒子對豆類的影響

隨著納米技術的迅速發(fā)展，納米粒子大量釋放到環(huán)境中，而其環(huán)境釋放風險尚未完全明了。CuO納米粒子作為潛在的農(nóng)藥/肥料載體，其對植物的生理影響亟需評估。研究人員將黃花槐的種子在不同濃度CuO納米粒子溶液浸泡后，在萌發(fā)過程中分別利用模塊式表型成像儀器進行檢測：紅外熱成像監(jiān)測種子表面溫度變化；FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)測定 Fm'（最大熒光）和 NPQ（非光化學淬滅系數(shù)）；熒光光譜檢測405nm-800nm的熒光光譜曲線，其藍綠波段可反映次生代謝水平，685 nm與 735 nm發(fā)射峰比值（F685/F735），則與葉綠素含量相關。

左圖：不同濃度CuO納米粒子處理種子的溫度動態(tài)數(shù)據(jù)；右圖：不同濃度CuO納米粒子處理120h后的葉綠素熒光成像圖與對應的動態(tài)數(shù)據(jù)

結果表明，CuO NPs 處理種子在早期（尤其 72–96 h）表面溫度顯著升高，隨后趨于恢復，提示存在短期熱應激。NPQ在早期顯著升高，表明多余光能轉(zhuǎn)化為熱能耗散，暗示光系統(tǒng) II（PSII）受到壓力；后期下降則提示CuO NPs可能開始損傷光系統(tǒng)的葉黃素循環(huán)機制。從熒光光譜曲線上看，低濃度處理（100–200 mg/L）的葉綠素熒光強度略有增加，而高濃度處理（300–400 mg/L）的熒光強度下降，顯示光合色素受損。F685/F735比值也有對應的變化，但差異不顯著。

左圖：不同濃度CuO納米粒子處理120h后葉綠素熒光光譜曲線；右圖：對應的F685/F735比值

2. 模塊式表型方案中最重要的成像技術：葉綠素熒光成像技術

模塊式表型方案在使用上更加靈活簡便，而在購置時也可根據(jù)具體研究需要進行選配或分批購置。那么如果是目前的經(jīng)費僅能購買一套儀器，那么應該先購置什么儀器呢？

德國萊布尼茨蔬菜和觀賞植物研究所IGZ的這項研究可能會給您一些啟發(fā)。這一研究使用了多種表型成像技術檢測剛發(fā)芽的生菜幼苗，部分植株中接種了立枯絲核菌（Rhizoctonia solani），試圖確定哪些技術的哪個參數(shù)能夠更靈敏地將感染病害的植株和未感染的植株區(qū)分開，從而實現(xiàn)對種苗抗病性的快速評估與篩選。

研究中進行成像分析的參數(shù)與所屬技術如下：

● 葉綠素熒光成像：Fo、Fp、Ft、Fv、最大光化學效率Fv/Fm、熒光衰減比率Rfd、光合有效葉面積日相對生長速率A_abs和A_rel

● UV-MCF多光譜熒光成像：F440與F520（次生代謝物熒光峰值）、F690與F740（葉綠素熒光峰值）及各個參數(shù)之間的比值

● 熱成像：作物水脅迫指數(shù)I1、I2、I3、平均溫度、中值溫度、溫度范圍

● 反射光譜成像：R_NIR、R_RED、歸一化植被指數(shù)NDVI

值得一提的是，在本研究中，所有成像分析工作都是由一臺模塊化設計的FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)加配熱成像單元完成的。而這些成像功能也可以由多臺臺不同專用表型成像儀器組成的模塊式方案來分別完成，比如PhenoTron模塊式表型成像分析技術方案中的FluorTron?多功能高光譜成像+ FluorTron?葉綠素熒光成像+Thermo-RGB融合成像。

左圖：反射光譜歸一化植被指數(shù)NDVI成像圖的背景分割；右圖：基于RGB真彩成像對熱成像圖進行背景分割

測試結果發(fā)現(xiàn)，感染病害的植株和未感染的植株之間，最大光化學效率Fv/Fm、熒光衰減比率Rfd、歸一化植被指數(shù)NDVI、作物水脅迫指數(shù)I1、光合有效葉面積日相對生長速率A_rel、多光譜熒光F440、F520等參數(shù)都表現(xiàn)出顯著差異。通過進一步數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析最終發(fā)現(xiàn)最大光化學效率Fv/Fm、熒光衰減比率Rfd在本次實驗中的識別效果最.好，誤差≤0.052。Fv/Fm＞0.73的生菜幼苗即可認為是健康的。Fv/Fm甚至能夠在病害癥狀發(fā)生前即可檢測到病菌感染。

熒光衰減比率Rfd和最大光化學效率Fv/Fm的邏輯回歸函數(shù)，概率1代表健康植株，概率0代表染病植株

由此可見，葉綠素熒光成像技術是用于種子萌發(fā)與種苗活力檢測的最佳技術之一。在很多研究中，只使用了葉綠素熒光成像技術來就能確定種苗的抗逆能力。比如華南農(nóng)業(yè)大學通過轉(zhuǎn)基因方法使水稻過表達兩種抗逆基因CdtCIPK5和CdtCBL4，然后對轉(zhuǎn)基因水稻幼苗進行鹽脅迫、低溫脅迫和干旱脅迫處理。通過FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)測量的最大光化學效率Fv/Fm證明，CdtCIPK5和CdtCBL4過表達提高了水稻的鹽脅迫抗性，但對低溫和干旱脅迫則沒有顯著作用。

鹽脅迫處理后轉(zhuǎn)基因水稻的彩色成像、相對水分含量、葉綠素濃度、Fv/Fm數(shù)據(jù)和葉綠素熒光成像圖，左圖：CdtCIPK5過表達水稻；右圖：CdtCBL4過表達水稻

參考文獻：

1. Santos ES, Graciano DE, et al. 2021. Effects of copper oxide nanoparticles on germination of Sesbania virgata (FABACEAE) plants. Anais da Academia Brasileira de Ciências, 93, e20190739.

2. Sandmann M, et al. 2018. The use of features from fluorescence, thermography and NDVI imaging to detect biotic stress in lettuce. Plant Disease 102: 1101-1107

3. Huang S, et al. 2020. CBL4-CIPK5 pathway confers salt but not drought and chilling tolerance by regulating ion homeostasis. Environmental and Experimental Botany 179: 104230

北京易科泰生態(tài)技術公司提供模塊式植物表型分析技術與種質(zhì)資源表型分析技術全面解決方案并提供相關參考文獻：

易科泰即可提供國際著名品牌FluorCam葉綠素熒光成像與多光譜熒光成像系統(tǒng)，也可提供自主國產(chǎn)化PhenoTron模塊式表型成像分析技術方案，具體包括：

● FluorTron?多功能高光譜成像技術

種子活力、生理狀態(tài)、生化成分含量及轉(zhuǎn)基因標記蛋白均會改變其特定波段的反射光譜指紋與熒光光譜特征。FluorTron?多功能高光譜成像技術能夠精準捕獲種子的反射光譜與熒光光譜，不僅能高效評估萌發(fā)潛力、抗逆能力等關鍵活力指標，為高活力種子篩選提供基礎數(shù)據(jù)；還能進行種子品種分類和分級、種子成分和屬性預測、清潔度評估、損傷與病害檢測；此外還能對綠色熒光蛋白（GFP）、紅色熒光蛋白（RFP）等成像檢測。

左圖：多功能高光譜成像種質(zhì)資源檢測系統(tǒng)；中圖：判斷分析算法模型預測小麥種子活力；（紅色為活力高，藍色為老化處理失活種子）；右圖：小麥種子實際萌發(fā)情況（EcoTech?實驗室供圖）

● Thermo-RGB融合成像分析技術

自動量化種子大小、形狀、顏色等形態(tài)特征，對種質(zhì)資源進行高通量表型分析與精準鑒定。并通過動態(tài)熱成像捕捉種子熱衰減曲線，實現(xiàn)快速、無損的種子質(zhì)量分級。

左圖：紫花苜蓿種子形態(tài)分析（EcoTech?實驗室供圖）右圖：綠豆豆象侵染檢測（EcoTech?實驗室供圖）

● 種子呼吸檢測技術

通過監(jiān)測耗氧率等呼吸代謝指標，揭示種子生理活性狀態(tài)，實現(xiàn)種子活力的無損、快速的評估。

左圖：配套高通量種子呼吸及活力檢測系統(tǒng)交付農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜種子質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心；右圖：24通道的種子耗氧曲線（藍色曲線為空白對照，紅色曲線為不同處理的測試種子）

● Grainsense谷物成分分析技術

采用近紅外光譜技術精準測定碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、水分等成分的含量，用于種質(zhì)資源營養(yǎng)組成精準鑒定與優(yōu)質(zhì)基因型快速篩選。

左圖：臺式種子成分分析儀；右圖：大豆蛋白質(zhì)、水分、脂肪含量預測值與真實值比對

● X-ray成像分析技術

對種子進行高分辨率X射線成像，清晰呈現(xiàn)內(nèi)部微觀結構（如種子胚乳、胚、裂紋、蟲道等）。精準測量種子空癟/飽滿率等，自動識別機械損傷、組織劣變、畸形或未成熟種子，用于種子資源無損質(zhì)量分級。

左圖：種子X射線成像分析儀；右圖：經(jīng)X射線成像檢測的信號草（一種牧草）種子：完整種子（a）、組織退化（b）、機械損傷（c）、畸形（d）及空殼穎（e）

● PhenoTron-APP種子發(fā)芽率成像分析技術

基于高精度圖像識別與智能分析技術，通過移動端或固定成像設備采集種子與幼苗圖像，自動識別、計數(shù)并分析發(fā)芽狀態(tài)，可實現(xiàn)發(fā)芽率的高通量、無損傷、自動化檢測。

左圖：頂視種子RGB圖；右圖：種子數(shù)量精準識別、發(fā)芽率統(tǒng)計（EcoTech?實驗室供圖）