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高通量植物表型成像技术用于药用植物胁迫应答与优化栽培条件

时间：2024-08-30 作者：凯发旗舰厅(中国) 点击量：

药用植物，是指医学上用于防病、治病的植物。其植株的全部或一部分供药用或作为制药工业的原料。药用植物除了在中医药中有广泛应用，在欧美、南亚、东南亚的传统医药以及现代医药中也有广泛而重要的用途。

目前最新的药用植物研究利用最新的表型成像技术取得了大量的成果。相关研究主要有两个方向：

着重于药用植物的“植物”属性，研究其光合能力、逆境响应、生理生态等
利用先进的表型成像技术，对药用植物的生长状况、有效成分等进行连续无损检测，用于开发选育更优良的天然药物或优化其培养条件。

在药用植物表型研究中，最常用到的植物表型相关研究技术请见下表：

植物表型技术	在药用植物研究中的作用
RGB形态成像分析	快速检测药用植物株高、株宽、叶面积、体积等形态参数
叶绿素荧光成像技术	无损快速评估药用植物的光能转化效率、光合能力、光合系统功能稳定性以及受胁迫损伤程度等
UV-MCF生物荧光成像技术	通过检测植物活体中的次生代谢物荧光与光谱指纹，快速评估药用植物有效成分含量高低及分布变化
红外热成像技术	非接触测量叶片温度，反映由于病害、干旱等导致的叶片气孔导度变化、代谢紊乱、水分利用效率改变等
高光谱成像技术（反射光谱）	无损快速评估植物健康状况、色素（叶绿素、类胡萝卜素、花青素、叶黄素以及特定药用成分等）组分变化、叶片水分状况等

在药用植物表型研究中，国内外研究者利用凯发旗舰厅(中国)及合作厂家提供的植物表型成像技术已经取得了大量研究成果，下面我们介绍其中的部分重要成果：

案例一、积雪草不同灌溉体系下的表型应答变化

积雪草（Centella asiatica (L.) Urban）具有清热利湿、活血止血、解毒消肿的功效，主治发热，咳喘，咽喉肿痛，肠炎，痢疾等，是亚洲地区广泛使用的一种传统药用植物，在现代医药和化妆品行业中也有应用。

泰国科技发展署研究了积雪草在不同灌溉体系下的表型应答变化，目标是获得最适宜的灌溉方法以用于培育生产。研究人员利用PlantScreen高通量表型成像分析系统模拟了4种不同的灌溉方法（100%、75%、50%、25%田间持水量，分别标为I100、I75、I50、I25），在培养过程中同步进行了RGB形态成像、叶绿素荧光成像、红外热成像等表型成像分析。

泰国装备的PlantScreen高通量表型成像分析系统

结果表明在I75灌溉植株中，叶片数量、植株周长、植株体积和干重保持不变，而当植株接受I25灌溉21天时，其形态生长参数受到严重影响。与对照组相比，I75灌溉植物的叶温保持不变，而采用I25灌溉处理的植物叶温升高了2.0℃。叶温升高归因于蒸腾效率下降，导致作物水分胁迫指数CWSI上升。在I75灌溉下，植物叶片绿度保持不变，而在I50和I25灌溉下，叶片绿度显著下降。这些下降归因于非光化学猝灭系数NPQ增加和光合速率受到抑制。因此，研究结果认为75%田间持水量是积雪草的最佳灌溉方法。

通过RGB形态成像获得的形态数据（冠层宽度、高度、周长、投影面积、体积等）与色彩分级（黄、绿、暗绿）

左图：红外热成像图、叶温、作物水分胁迫指数CWSI等；右图：叶绿素荧光成像数据：最大光化学效率Fv/Fm、非光化学淬灭NPQ等

案例二、缬草在水淹和不同水分亏缺条件下的表型响应

缬草（Valeriana jatamansi Jones），又名蜘蛛香，中医认为其味辛、涩，性凉，具有消食健胃、理气止痛、祛风解毒的功能。缬草也用于阿育吠陀（Ayurveda，印度传统医术）和藏医。

印度科学和工业研究理事会研究了缬草在水淹和不同水分亏缺条件下（80%对照、60%、40%、20%田间持水量）的胁迫响应，尤其是光合系统的响应机制。研究人员通过FluorCam叶绿素荧光成像系统等仪器进行了动态叶绿素荧光淬灭成像分析和OJIP快速荧光动力学分析。结果表明，随着水分亏缺程度加深，最大光化学效率Fv/Fm、非光化学猝灭系数NPQ和qN、性能指数PI都随之下降，水淹的相关参数在中等水平。而实际光化学效率ΦPSII（即量子产额QY）、光化学猝灭系数qP等则对水分亏缺和水淹更为敏感。由此可知，灌溉调控在缬草栽培过程中极为重要。

左图：不同处理的缬草照片；右图：不同处理的缬草叶绿素荧光成像图及Fv/Fm、ΦPSII数据

不同处理的缬草OJIP快速荧光动力学曲线及性能指数PI

案例三、人参热胁迫早期诊断

韩国忠南大学的学者在人参热胁迫早期检测实验中，使用荧光高光谱成像系统对四个人参品种（Chunpoong、Jakyeong、Sunil、Sunmyoung）进行紫外光激发生物荧光高光谱成像，应用方差分析（ANOVA）选择最佳波长生成比值图像，将图像转化为二进制图像确定阈值，利用阈值强度来可视化对人参热胁迫前后的差异。结果显示，基于UV-MCF生物荧光数据应用方差分析来检测热胁迫植物，其准确度为96%。

左图：热敏感型和热抗性（热不敏感）人参品种RGB图；中图不同处理人参品种荧光光谱。右图：荧光光谱分析结果，通过PLSR模型构建，可以明确区分热敏感型人参热胁迫前后的变化（a、b为热胁迫前，c、f为热胁迫处理后）；c、d和g、h分别为热抗性人参品种热胁迫处理前后

凯发旗舰厅(中国)植物表型成像技术方案：

PlantScreen高通量表型成像分析系统 PhenoTron® PTS植物表型成像分析系统

可根据用户需要灵活定制各种高通量测量平台，如PTS传送带式、XYZ三维扫描式等，样品通量从几十盆至上千盆。
可灵活选配RGB成像、FluorCam叶绿素荧光成像、UV-MCF生物荧光成像、高光谱成像、红外热成像、激光雷达、根系成像等多种成像传感器以及自动浇灌与称重�？榈�。
根据研究对象进行专门优化定制，包括拟南芥、烟草等模式植物；玉米、水稻、小麦、大豆等作物；花卉、蔬菜等园艺作物等。

参考文献：

Theerawitaya C, et al. Investigating high throughput phenotyping based morpho-physiological and biochemical adaptations of indian pennywort (Centella asiatica L. urban) in response to different irrigation regimes. Plant Physiology and Biochemistry 202: 107927
Thakur A, et al. 2024. Physiological and biochemical regulation of Valeriana jatamansi Jones under water stress. Plant Physiology and Biochemistry 208: 108476
Faqeerzada M A, et al. Fluorescence Hyperspectral Imaging for Early Diagnosis of Heat-Stressed Ginseng Plants. Applied Sciences 13(1): 31

北京凯发旗舰厅(中国)生态技术公司提供药用植物表型研究及无损鉴定全面技术方案：

FluorTron®多功能高光谱成像分析系统
FluorCam叶绿素荧光成像系统
FluorTron®植物光合表型成像分析系统
FluorCam多光谱荧光成像系统
PhenoTron®植物表型成像分析系统
RhizoTron®根系表型成像分析系统
PhenoTron®复式智能LED光源培养与光谱成像分析平台
PlantScreen高通量表型成像分析系统

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