在全.球氣候變化加劇、糧食安全受嚴(yán)峻挑戰(zhàn)背景下，作物抗逆育種與脅迫響應(yīng)機(jī)制研究是農(nóng)業(yè)科學(xué)核心議題。傳統(tǒng)研究存在局限，要么僅宏觀觀察表型，難觸及分子調(diào)控本質(zhì)；要么聚焦單一組學(xué)微觀解析，缺與實(shí)際表型動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，難破解復(fù)合脅迫復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。PlantScreen高通量植物表型系統(tǒng)和多組學(xué)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，正逐漸成為抗逆育種研究領(lǐng)域里關(guān)鍵的技術(shù)手段。該系統(tǒng)借助表型數(shù)據(jù)，捕捉植物對(duì)外界脅迫的宏觀響應(yīng)，運(yùn)用多組學(xué)解析分子調(diào)控機(jī)制，迅速建立表型 - 組學(xué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，揭示作物脅迫響應(yīng)的多水平調(diào)控邏輯，為抗逆品種培育提供了高通量、高精度的技術(shù)支持。

傳送帶式PlantScreen高通量植物表型成像分析系統(tǒng)

馬鈴薯作為世界第四大主糧，雖兼具水分和空間利用效率優(yōu)勢(shì)，卻對(duì)多重脅迫極為敏感，單一或復(fù)合脅迫可導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收。一項(xiàng)由德國(guó)、荷蘭、英國(guó)、捷克等7國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合研究在《Plant Physiology》發(fā)表重磅成果——借助PlantScreen?高通量表型平臺(tái)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組、激素組的多組學(xué)整合分析，成功解析了馬鈴薯對(duì)單一及復(fù)合非生物脅迫的全維度響應(yīng)機(jī)制。

圖1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與表型&組學(xué)分析

動(dòng)態(tài)表型監(jiān)測(cè)：PlantScreen捕獲脅迫響應(yīng)的“實(shí)時(shí)軌跡”

在這項(xiàng)覆蓋5種脅迫處理（高溫、干旱、水澇、高溫+干旱、高溫+干旱+水澇）的研究中，PlantScreen平臺(tái)承擔(dān)了“全天候表型監(jiān)測(cè)官”的角色。研究團(tuán)隊(duì)選取中度抗逆的馬鈴薯Desirée品種，通過(guò)平臺(tái)集成的RGB成像、葉綠素?zé)晒獬上?、熱成像等多傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)了每日無(wú)侵入式數(shù)據(jù)采集。

從形態(tài)學(xué)特征來(lái)看，PlantScreen精準(zhǔn)捕捉到不同脅迫下的獨(dú)特表型信號(hào)：高溫脅迫導(dǎo)致馬鈴薯葉片上卷（避熱形態(tài)建成），水澇處理1天內(nèi)即引發(fā)葉片偏上生長(zhǎng)并伴隨生長(zhǎng)停滯，而高溫+干旱復(fù)合脅迫下，植株體積、冠層面積的衰減速率顯著高于單一脅迫。這些動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，為后續(xù)區(qū)分“脅迫起始點(diǎn)”“響應(yīng)峰值期”“恢復(fù)關(guān)鍵期”提供了直接依據(jù)。

在生理功能監(jiān)測(cè)上，PlantScreen的葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)精準(zhǔn)量化了光合系統(tǒng)II（PSII）的運(yùn)行效率（QY_Lss）和開放反應(yīng)中心比例（qL_Lss），發(fā)現(xiàn)水澇脅迫3天后PSII效率顯著下降，而高溫脅迫對(duì)光合系統(tǒng)的損傷具有持續(xù)性，即使脅迫解除也難以恢復(fù)至對(duì)照水平。熱成像模塊捕獲的冠層與空氣溫差（ΔT），則揭示了不同脅迫下的氣孔行為策略：干旱和水澇時(shí)氣孔快速關(guān)閉導(dǎo)致ΔT升高，高溫時(shí)氣孔開放散熱則使ΔT降低，這些生理表型數(shù)據(jù)為解讀激素和代謝物變化提供了關(guān)鍵線索。

值得一提的是，PlantScreen的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集能力保障了實(shí)驗(yàn)的高通量與重復(fù)性。6組處理、36株表型監(jiān)測(cè)植株，每日生成的68項(xiàng)形態(tài)-生理變量，通過(guò)平臺(tái)自帶的PlantScreen? Analyzer軟件自動(dòng)提取，為后續(xù)與多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

表型-組學(xué)聯(lián)動(dòng)：PlantScreen解鎖分子機(jī)制的“解.碼鑰匙”

如果說(shuō)多組學(xué)數(shù)據(jù)是解析脅迫響應(yīng)的“分子密碼本”，那么PlantScreen獲取的表型數(shù)據(jù)就是破解密碼的“鑰匙”。該研究通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法篩選出6個(gè)核心表型變量（qL_Lss、PSII最大熒光效率、冠層面積、ΔT、植株緊湊度、水分消耗），與轉(zhuǎn)錄組的14個(gè)標(biāo)記基因、蛋白質(zhì)組的36個(gè)功能蛋白、代謝組的22種核心代謝物及13種植物激素進(jìn)行整合分析，實(shí)現(xiàn)了“表型變化-分子響應(yīng)”的精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)，水澇脅迫下PlantScreen監(jiān)測(cè)到的氣孔快速關(guān)閉，與激素組中ABA及其降解產(chǎn)物PA、DPA的顯著積累高度同步，證實(shí)了水澇脅迫會(huì)激活類似干旱的ABA信號(hào)通路——這一發(fā)現(xiàn)依賴于表型數(shù)據(jù)捕捉到的“瞬時(shí)響應(yīng)”與激素組學(xué)的“時(shí)序變化”的聯(lián)動(dòng)分析。而高溫+干旱復(fù)合脅迫下，PlantScreen記錄到的植株體積驟減變化，對(duì)應(yīng)著代謝組中組氨酸、支鏈氨基酸的大量積累，以及蛋白質(zhì)組中熱休克蛋白（HSP70、HSP90）的富集，揭示了復(fù)合脅迫通過(guò)“代謝重構(gòu)+蛋白保護(hù)”應(yīng)對(duì)脅迫的協(xié)同機(jī)制。

更重要的是，PlantScreen捕獲的動(dòng)態(tài)表型數(shù)據(jù)，糾正了傳統(tǒng)“靜態(tài)采樣”的局限。例如，單一干旱脅迫下，植株在脅迫第7天出現(xiàn)ΔT顯著升高，此時(shí)轉(zhuǎn)錄組中P5CS（脯氨酸合成關(guān)鍵基因）和RD29B（干旱標(biāo)記基因）才達(dá)到表達(dá)峰值，而PlantScreen的每日監(jiān)測(cè)明確了“表型變化先于分子響應(yīng)”的時(shí)間差，為理解脅迫適應(yīng)的調(diào)控時(shí)序提供了直接證據(jù)。

育種應(yīng)用潛力：PlantScreen加速抗逆品種培育的“轉(zhuǎn)化橋梁”

該研究的核心價(jià)值不僅在于機(jī)制解析，更在于為抗逆育種提供了可落地的高通量分析技術(shù)方案——而PlantScreen正是連接基礎(chǔ)研究與育種應(yīng)用的“轉(zhuǎn)化橋梁”。本研究通過(guò)PlantScreen表型數(shù)據(jù)與多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合，篩選出一批與關(guān)鍵表型強(qiáng)關(guān)聯(lián)的分子標(biāo)記：如與光合效率維持相關(guān)的HSP70基因、與水分利用效率關(guān)聯(lián)的DPA代謝物、與塊莖產(chǎn)量保護(hù)相關(guān)的SP6A基因。

這些標(biāo)記的篩選，完全依賴于PlantScreen對(duì)“目標(biāo)表型”的精準(zhǔn)量化——例如，通過(guò)平臺(tái)監(jiān)測(cè)到的“脅迫后恢復(fù)能力”這一關(guān)鍵表型，鎖定了ABA代謝通路的核心作用，為育種家提供了可直接用于分子標(biāo)記輔助選擇的靶點(diǎn)。此外，PlantScreen的高通量特性可支持大規(guī)模種質(zhì)資源的快速篩選，相較于傳統(tǒng)表型鑒定效率提升數(shù)十倍，為抗逆品種的快速培育提供了技術(shù)支撐。

PlantScreen引領(lǐng)作物脅迫研究進(jìn)入“表型-組學(xué)”整合時(shí)代

這項(xiàng)跨國(guó)研究充分證明，PlantScreen高通量表型平臺(tái)不僅是表型數(shù)據(jù)的“采集器”，更是多組學(xué)研究的“核心錨點(diǎn)”。其自動(dòng)化、多維度、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)研究中表型與分子數(shù)據(jù)脫節(jié)的痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“形態(tài)-生理-分子”的全鏈條解析。

在氣候變化加劇的今天，作物抗逆研究亟需從“單一脅迫”轉(zhuǎn)向“復(fù)合脅迫”，從“靜態(tài)分析”轉(zhuǎn)向“動(dòng)態(tài)追蹤”。PlantScreen平臺(tái)的應(yīng)用，不僅為馬鈴薯抗逆研究提供了新范式，更為小麥、玉米、番茄等其他作物的脅迫響應(yīng)研究提供了可復(fù)制的技術(shù)方案。未來(lái)，隨著表型組學(xué)與多組學(xué)整合技術(shù)的不斷成熟，PlantScreen將持續(xù)賦能抗逆育種，助力培育更多氣候適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量穩(wěn)定的作物品種，為全.球糧食安全筑牢技術(shù)屏障。

北京易科泰攜手PSI表型研究中心，先后在國(guó)內(nèi)安裝運(yùn)行多臺(tái)PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺(tái)，該表型平臺(tái)集成了定制光源、自動(dòng)澆灌稱重、多種表型成像單元及自動(dòng)化系統(tǒng)，目前全.球裝機(jī)近百臺(tái)。客戶涵蓋全.球幾乎所有知名遺傳育種表型研究機(jī)構(gòu)或公司（北京易科泰PlantScreen國(guó)內(nèi)外用戶名錄），如國(guó)際水稻研究所、瓦格寧根大學(xué)及巴斯夫、杜邦先鋒等農(nóng)業(yè)巨頭，在高通量植物表型分析領(lǐng)域處于全.球領(lǐng)先的市場(chǎng)地位。

杜邦先鋒：PlantScreen表型成像分析系統(tǒng)用于玉米育種

德國(guó)IPK：大型PlantScreen植物表型成像平臺(tái)

荷蘭瓦格寧根大學(xué)：PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統(tǒng)

澳大利亞悉尼科技大學(xué)：PlantScreen藻類表型成像分析系統(tǒng)

匈牙利科學(xué)院生物科學(xué)研究中心： PlantScreen 植物根系表型成像分析系統(tǒng)

北京易科泰PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺(tái)鏈接 (eco-tech.com.cn)

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1. 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.