種質(zhì)資源研究技術(shù)方案—種子萌發(fā)率高通量檢測(cè)與活力評(píng)估

種子活力是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長(zhǎng)的潛勢(shì)、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的總和（發(fā)芽和出苗期間的活性水平與行為），是種子品質(zhì)的重要指標(biāo)，具體包括吸漲后旺盛的代謝強(qiáng)度、出苗能力、抗逆性、發(fā)芽速度及同步性、幼苗發(fā)育與產(chǎn)量潛力。

種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)無(wú)疑是最為直接有效的種子活力檢測(cè)方法。但一般的傳統(tǒng)方法需要人工計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量幼苗和計(jì)算發(fā)芽率，工作量極大，也非常耗時(shí)。而基于彩色圖像分析來(lái)識(shí)別發(fā)芽幼苗又存在很大誤差。

同時(shí)，傳統(tǒng)的萌發(fā)幼苗形態(tài)數(shù)據(jù)如胚根、胚軸長(zhǎng)度等很大程度上只能作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用，難以直接評(píng)估幼苗生長(zhǎng)的潛勢(shì)、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力。因此，基于現(xiàn)代植物表型組學(xué)研究和種子活力評(píng)估要求，在種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)中還需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種表型數(shù)據(jù)，而不僅僅是傳統(tǒng)表型所說(shuō)的形態(tài)數(shù)據(jù)。
 

赫爾辛基大學(xué)的研究人員為了研究一種新的ABA響應(yīng)泛素E3連接酶對(duì)擬南芥種子萌發(fā)活力的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于高通量葉綠素?zé)晒獬上穹治龅拿劝l(fā)實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)赫爾辛基大學(xué)國(guó)家植物表型研究設(shè)施（National Plant Phenotyping Infrastructure，NaPPI）中裝備的PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)完成的。
 

赫爾辛基大學(xué)裝備的兩套PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)：
一套適用于50cm以下的小型植株，如擬南芥或作物幼苗等（上圖）；
一套適用于120cm以下的大型植株，如小麥、玉米等（下圖）

PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)植物樣品進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)和表型監(jiān)測(cè)，非常適用于進(jìn)行高通量的種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。其配備的LED光照控溫培養(yǎng)室能夠模擬理想的光照與溫度條件。自動(dòng)傳送系統(tǒng)可以按設(shè)置的序列自動(dòng)讓樣品傳送到成像室。

種子萌發(fā)率檢測(cè)則是基于FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)。在種子未萌發(fā)時(shí)，子葉沒(méi)有展開(kāi)，也沒(méi)有合成葉綠素，因此幾乎不會(huì)被激發(fā)出葉綠素?zé)晒狻６�一旦種子萌發(fā)，甚至在子葉沒(méi)有展開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)置的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上衲�塊就可以檢測(cè)到種子的葉綠素?zé)晒�。測(cè)量得到的最大葉綠素?zé)晒釬m能夠非常有效地識(shí)別發(fā)芽的種子。專用的分析軟件能夠很容易地將未萌發(fā)種子和背景去除掉，從而使發(fā)芽率計(jì)算極為準(zhǔn)確。
 

高通量葉綠素?zé)晒獬上穹治龉ぷ髁鞒蹋?br /> a.播種、放置樣品、成像測(cè)量、圖像分析；b.最大葉綠素?zé)晒釬m成像圖的分析過(guò)程

葉綠素?zé)晒獬上穹治龊蟪�了能獲得準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)發(fā)芽率曲線，還可以同時(shí)獲得一系列與植物光合能力、抗性相關(guān)的表型動(dòng)態(tài)曲線，如葉綠素?zé)晒鈪��?shù)、冠層面積等。葉綠素?zé)晒鈪��?shù)，例如QY_max最大光化學(xué)效率（Fv/Fm，對(duì)各種脅迫極為敏感）、Effective QY實(shí)際光化學(xué)效率（量子產(chǎn)額）、NPQ非光化學(xué)淬滅（與光系統(tǒng)熱耗散、光保護(hù)機(jī)制有關(guān)）、Rfd熒光衰減比率等可以反映植物光合能力和光系統(tǒng)抗逆能力。PlantScreen配備的熱成像單元還可以提供冠層和葉片溫度數(shù)據(jù)，反映植物蒸騰、水分利用狀態(tài)以及病害等脅迫信息。這些指標(biāo)已經(jīng)廣泛用于幼苗生長(zhǎng)潛勢(shì)、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的評(píng)估，并得到了大量的驗(yàn)證。

同時(shí)熱成像模塊還測(cè)量了發(fā)芽幼苗的冠層溫度，這與幼苗的蒸騰速率、水分利用能力密切相關(guān)。

左：發(fā)芽率動(dòng)態(tài)曲線；
右：冠層投影面積、各項(xiàng)葉綠素?zé)晒鈪��?shù)、冠層溫度的動(dòng)態(tài)曲線

因?yàn)楦鞣N原因，無(wú)法使用PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)進(jìn)行種子萌發(fā)活力實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家，也可以選擇PhenoTron作物種質(zhì)資源監(jiān)測(cè)鑒定平臺(tái)。這一平臺(tái)包括LED光照培養(yǎng)箱、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上�、種子形態(tài)分析、種子代謝強(qiáng)度測(cè)量、高光譜成像、熱成像等儀器系統(tǒng)，可根據(jù)具體研究需要靈活組合、定制設(shè)計(jì)。
 

參考文獻(xiàn)：
Pavicic M, et al. 2019. High throughput in vitro seed germination screen identifed new ABA responsive RING‑type ubiquitin E3 ligases in Arabidopsis thaliana. Plant Cell, Tissue and Organ Culture 139: 563-575