植物表型成像技術(shù)應(yīng)用：生物刺激素的效能評(píng)估與機(jī)理研究

      由于人口增長(zhǎng)、氣候變化、環(huán)境污染等原因，世界糧食安全正面臨愈加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷增加化學(xué)農(nóng)藥、合成肥料的投入，雖然在一定程度上保證了糧食安全，但是也造成難以逆轉(zhuǎn)的環(huán)境惡化和不可再生資源枯竭。因此，近年來新出現(xiàn)的生物刺激素（Biostimulant）作為一類環(huán)境友好、安全高效的新型綠色農(nóng)業(yè)產(chǎn)品逐漸成為農(nóng)業(yè)研究及商業(yè)化開發(fā)的一個(gè)新熱點(diǎn)。

      目前被廣泛接受的生物刺激素類別包括：腐殖酸、蛋白水解物與氨基酸、海藻提取物、無機(jī)鹽類、幾丁質(zhì)、殼聚糖及其衍生物、微生物菌劑、其他復(fù)合有機(jī)物質(zhì)（甙、酸、多酚、多糖、萜類、黃酮、生物堿、脂類、維生素、抗生素等）。生物刺激素不包含植物必須礦物質(zhì)元素、已知植物激素或抗病因子，也不直接作用于病蟲害，而是通過與植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程相互作用，從而降低逆境對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。同時(shí)，由于生物刺激素主要來源于生物提取的自然有機(jī)物質(zhì)與沒有環(huán)境毒害的無機(jī)鹽，天然具備優(yōu)良的環(huán)境友好性。       歐洲的生物刺激素研究一直走在世界前列。2019年，歐盟在其肥料產(chǎn)品法規(guī)中最先將生物刺激素作為一個(gè)單獨(dú)類別納入其中。而歐洲的農(nóng)業(yè)科學(xué)家也最早將最先進(jìn)的植物表型成像分析技術(shù)應(yīng)用于生物刺激素的效能評(píng)估與機(jī)理研究。植物表型成像分析技術(shù)的快速、無損與環(huán)境友好性也正與生物刺激素相得益彰。

      植物表型成像分析技術(shù)可分為以下4大類技術(shù)，它們?cè)谏�物刺激素研究分別反映植物的不同表型變化與生理過程： 下面我們介紹部分最新的研究成果。

1. 植物源蛋白水解物促進(jìn)番茄生長(zhǎng)與抗旱

      PSI表型研究中心與意大利圖西亞大學(xué)等科研單位合作，利用PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺(tái)，研究了6種植物源蛋白水解物（vegetal-derived protein hydrolysates，PHs）的生物刺激素功能。PlantScreen是一套集光照培養(yǎng)、稱重澆灌、各種表型成像分析于一體的自動(dòng)化高通量系統(tǒng)。研究人員通過葉綠素?zé)晒獬上瘛�RGB彩色形態(tài)成像與紅外熱成像對(duì)PHs處理的番茄進(jìn)行連續(xù)地表型跟蹤測(cè)量。在正常生長(zhǎng)條件下，PHs提高了番茄植株的數(shù)字生物量、相對(duì)生長(zhǎng)速率與生長(zhǎng)效能，但對(duì)葉綠素?zé)晒鈪��?shù)則沒有顯著影響。在進(jìn)一步的研究中，他們利用PlantScreen的自動(dòng)稱重澆灌功能模擬了不同程度的缺水干旱脅迫，發(fā)現(xiàn)PHs提高了缺水條件下番茄植株的數(shù)字生物量，同時(shí)葉綠素?zé)晒鈪��?shù)Fm、ETR、qP等也表現(xiàn)出一定的改善。PHs澆灌則使植株的葉溫更低，這表明其提高了番茄在缺水條件下的蒸騰利用效率與氣孔導(dǎo)度。

  

2. 蛋白水解物對(duì)萵苣和番茄鹽脅迫反應(yīng)的作用模式差異

      PSI表型研究中心繼續(xù)與意大利圖西亞大學(xué)、圣心天主教大學(xué)等合作，通過施加11種不同的蛋白水解物（protein hydrolysates，PH），嘗試解鎖其在緩解不同蔬菜作物鹽脅迫上的模式差異，進(jìn)一步理解生物刺激素在促進(jìn)植物生長(zhǎng)過程中的機(jī)理。經(jīng)過PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺(tái)的葉綠素?zé)晒獬上�、RGB彩色形態(tài)成像與紅外熱成像分析，總體上，PH改善了鹽脅迫下兩種蔬菜的生長(zhǎng)與光合效能。為了找出每種處理的最有效特征，研究人員結(jié)合代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行了隨機(jī)森林分類。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在萵苣中，評(píng)估生物刺激素模式的是生物量形態(tài)參數(shù)，它與植物激素調(diào)節(jié)有更好的應(yīng)答。而在番茄中，葉綠素?zé)晒鈪��?shù)結(jié)合特定的抗脅迫代謝物則是最有價(jià)值的指標(biāo)。對(duì)這種模式差異的理解，將有助于開發(fā)更有效的生物刺激素及其使用方法。

 

3. 生物刺激素對(duì)擬南芥萌發(fā)和生長(zhǎng)的影響與作用模式

      作為模式植物的擬南芥，也常常用來研究生物刺激素的作用機(jī)理。捷克帕拉茨基大學(xué)通過PlantScreen XYZ植物表型成像分析平臺(tái)研究了3種多胺和1種氨基酸對(duì)鹽脅迫下擬南芥萌發(fā)和生長(zhǎng)的影響。除了利用RGB成像分析形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，研究人員還利用反射光譜原理計(jì)算了歸一化綠紅差值指數(shù)NGRDI、綠色指數(shù)GLI、可見光大氣阻抗植被指數(shù)VARI等植被指數(shù)，用于考察擬南芥的營(yíng)養(yǎng)狀況和脅迫耐受性。結(jié)果表明，植物表型成像分析技術(shù)是生物刺激素研究和開發(fā)的有力工具，能夠直接對(duì)生物刺激素的作用模式進(jìn)行分類，分別是：1.促進(jìn)或抑制植物生長(zhǎng)；2.減輕脅迫；3.復(fù)合作用。 4. 利用葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)確定生物刺激素提高植物抗性

      如果我只是想篩選或者鑒定某種生物刺激素是否具備提高植物對(duì)某種脅迫抗性的能力，那么就必須使用大型、高通量、多功能的植物表型平臺(tái)嗎？其實(shí)這并不是一定必需的。葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)本身就非常適用于各種生物/非生物脅迫鑒定、評(píng)估與抗性檢測(cè)。也就是說可以使用單獨(dú)的葉綠素?zé)晒獬上裨O(shè)備，而不是非要使用昂貴、復(fù)雜的大型植物表型平臺(tái)。

      保加利亞植物系統(tǒng)生物學(xué)與生物技術(shù)中心的科學(xué)家就研究了一種從泡葉藻中提取的生物刺激素 SuperFifty（SF）。對(duì)施加百草枯（PQ）的擬南芥、辣椒和番茄，SuperFifty都有一定的保護(hù)作用。通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)檢測(cè)，比起只施加百草枯的樣品，同時(shí)施加百草枯和SuperFifty的樣品最大量子產(chǎn)額Fv/Fm與熒光衰減指數(shù)Rfd都有顯著升高。這兩項(xiàng)指標(biāo)正是葉綠素?zé)晒鈪��?shù)中最能代表光系統(tǒng)抗性的。這表明SuperFifty確實(shí)減輕了百草枯引起的氧化脅迫對(duì)光合系統(tǒng)的傷害。 參考文獻(xiàn)：

• Paul K, et al. 2019. A Combined Phenotypic and Metabolomic Approach for Elucidating the Biostimulant Action of a Plant-derived Protein Hydrolysate on Tomato Grown un under Limited Water Availability. Frontiers in Plant Science, 10:493
• Paul K, et al. 2019. Understanding the Biostimulant Action of Vegetal-Derived Protein Hydrolysates by High-Throughput Plant Phenotyping and Metabolomics: A Case Study on Tomato. Frontiers in Plant Science, 10:47
• Sorrentino M, et al. 2022. Integration of Phenomics and Metabolomics Datasets Reveals Different Mode of Action of Biostimulants Based on Protein Hydrolysates in Lactuca sativa L. and Solanum lycopersicum L. Under Salinity. Journal of Frontiers in Plant Science, 12:808711
• Ugena L, et al. 2018. Characterization of Biostimulant Mode of Action Using Novel Multi-Trait High-Throughput Screening of Arabidopsis Germination and Rosette Growth. Front. Plant Sci. 9:1327
• Staykov NS, et al. 2021. An Ascophyllum nodosum-Derived Biostimulant Protects Model and Crop Plants from Oxidative Stress. Metabolites 11, 24

 
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PhenoTron復(fù)式作物種質(zhì)資源表型分析平臺(tái)
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