植物表型分析技術(shù)快訊—多光譜熒光成像系統(tǒng)研究植物脅迫響應(yīng)

多光譜熒光成像分析：UV紫外光對(duì)植物葉片激發(fā)，可以產(chǎn)生具有4個(gè)特征性波峰的熒光光譜，包括表皮及葉肉細(xì)胞壁和葉脈發(fā)出的BGF（F440、F520）與葉綠素?zé)晒釩hl-F（F690、F740）。用來(lái)靈敏、特異性地反映多酚與黃酮類(lèi)等次級(jí)代謝產(chǎn)物動(dòng)態(tài)變化、葉綠素動(dòng)態(tài)變化、植物衰老、植物病蟲(chóng)害脅迫及非生物脅迫等。

紅外熱成像技術(shù)：監(jiān)測(cè)溫度變化，分析植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰作用變化等。

RGB成像分析：形態(tài)結(jié)構(gòu)分析
 

多光譜熒光成像系統(tǒng)

案例1:
 

植物具有復(fù)雜的干旱脅迫響應(yīng)過(guò)程，應(yīng)對(duì)機(jī)制多樣。傳統(tǒng)的表型分析方法耗時(shí)、耗力且易受主觀影響。通過(guò)整合了葉綠素?zé)晒獬上竦亩喙庾V熒光成像系統(tǒng)進(jìn)行早期無(wú)損檢測(cè)，開(kāi)展表型分析，獲取與光合作用有關(guān)的形態(tài)學(xué)、生理學(xué)和病理學(xué)特征信息，是一種探究植物抗旱反應(yīng)及機(jī)理、促進(jìn)抗旱育種的新手段。浙江大學(xué)的這項(xiàng)研究即利用葉綠素?zé)晒夂投嗌珶晒獬上窦夹g(shù)，結(jié)合形態(tài)學(xué)、氣孔導(dǎo)度，綜合分析擬南芥野生型pMAQ2（WT）及其突變體increase 1（osca1）的干旱脅迫響應(yīng)。
 

RGB成像及多光譜熒光成像
 

葉綠素?zé)晒獬上窦胺枪饣瘜W(xué)熒光淬滅曲線
 

參考文獻(xiàn)：Jieni Y , Dawei S , Haiyan C , et al. Phenotyping of Arabidopsis Drought Stress Response Using Kinetic Chlorophyll Fluorescence and Multicolor Fluorescence Imaging[J]. Frontiers in Plant Science, 2018, 9:603-.

案例2:
 

由真菌Rosellinia necatrix引起的白根腐病，是影響鱷梨作物的最主要的土壤傳播疾病之一。白根腐病會(huì)引起植物根系腐爛、葉片發(fā)黃枯萎，甚至導(dǎo)致植株在出現(xiàn)第一個(gè)葉面癥狀幾周后死亡。病害的早期檢測(cè)與防治至關(guān)重要。本案例中，對(duì)感染Rosellinia necatrix后的植株進(jìn)行多光譜熒光成像、葉綠素?zé)晒獬上瘛⒓t外熱成像分別對(duì)次級(jí)代謝、光合參數(shù)、葉片溫度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比葉片代謝研究，結(jié)果表明，結(jié)合葉綠素?zé)晒獬上瘛⒍喙庾V熒光成像與紅外熱成像的方法，是一種診斷病菌侵染與病害發(fā)生的有效手段，且能在癥狀發(fā)生前，早期篩選潛在的受感染植物。
 

鱷梨苗感染不同天數(shù)后外觀變化（R為感染組，C為對(duì)照組）
 

多光譜熒光成像（a.紫外激發(fā)下的藍(lán)色熒光F440；b.F440定量分析；

c.紫外激發(fā)下的綠色熒光；d.F520定量分析）
 

參考文獻(xiàn)：Espen, Granum, María, et al. Metabolic responses of avocado plants to stress induced by Rosellinia necatrix analysed by fluorescence and thermal imaging[J]. European Journal of Plant Pathology, 2015.

案例3：
 

Dickeya dadantii是一種導(dǎo)致植物發(fā)生軟腐病的植物病原體，較低劑量的該病菌入侵可引發(fā)植物的防御反應(yīng)，從而抑制病菌生長(zhǎng)及浸軟植物組織，甚至可以根除。但大劑量接種則可能克服植物的防御能力從而誘導(dǎo)植物組織浸軟和死亡。病菌入侵引發(fā)的植物響應(yīng)包括：光系統(tǒng)Ⅱ光合速率的抑制；與植物防御機(jī)制有關(guān)的非光化學(xué)熒光淬滅的激活；酚類(lèi)化合物等次級(jí)代謝物的積累；與脅迫響應(yīng)相關(guān)激素（如脫落酸、茉莉酸、水楊酸）的積累。而非光化學(xué)熒光淬滅、ABA等激素積累會(huì)進(jìn)一步影響氣孔開(kāi)合與蒸騰作用，從而影響葉片溫度。
 

本研究中，將不同濃度的Dickeya dadantii懸浮液（C為對(duì)照，LD 為104 cfu/10 mM MgCl2，HD為106 cfu/10 mM MgCl2）注射入煙草健康葉片背部，通過(guò)葉綠素?zé)晒獬上�、多光譜熒光成像、紅外熱成像技術(shù)監(jiān)測(cè)病菌侵染1-6天后，葉片光合作用、次級(jí)代謝動(dòng)態(tài)變化，葉片溫度等生理狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)合細(xì)菌濃度監(jiān)測(cè)、代謝物定量分析等，綜合研究病菌侵染后葉片的防御反應(yīng)。
 

葉片光合與代謝動(dòng)態(tài)變化（A.葉片RGB圖像；B.最大光量子效率Fv/Fm；C.非光化學(xué)熒光淬滅NPQ；D.光系統(tǒng)Ⅱ光量子效率；E.紫外激發(fā)下的藍(lán)色熒光F440；F.紫外激發(fā)下的綠色熒光）
 

葉片溫度動(dòng)態(tài)變化
 

參考文獻(xiàn)：Pérez-Bueno María L, Espen G , Pineda Mónica, et al. Temporal and Spatial Resolution of Activated Plant Defense Responses in Leaves of Nicotiana benthamiana Infected with Dickeya dadantii[J]. Frontiers in Plant Science, 2016, 6.