方法來源

Langan, P. et al. Evaluating waterlogging stress response and recovery in barley (Hordeum vulgare L.): an image-based phenotyping approach. Plant Methods 20, 146 (2024).

研究單位

1. 愛爾蘭都柏林大學(xué)

2. 法國亞眠大學(xué)

關(guān)鍵儀器裝備

PlantScreen溫室高通量植物表型成像分析系統(tǒng)

PlantScreen溫室高通量植物表型成像分析系統(tǒng)是植物科學(xué)研究全面、自動化、高通量的表型解決方案，能夠?qū)哪Ｊ街参飻M南芥到小麥、玉米等作物的表型性狀進(jìn)行長期、無損的監(jiān)測與分析。

系統(tǒng)分布于世界各大洲的頂尖科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)及農(nóng)業(yè)企業(yè)。如荷蘭植物生態(tài)表型中心/荷蘭瓦格寧根大學(xué)（注：鏈接為專題報(bào)道，下同）、德國萊布尼茨植物遺傳和作物研究所（IPK）、芬蘭赫爾辛基大學(xué)、澳大利亞國立大學(xué)、中國農(nóng)科院生物技術(shù)研究所、中國水稻所等農(nóng)業(yè)學(xué)府和頂級研究機(jī)構(gòu)，以及杜邦先鋒、孟山都、巴斯夫等農(nóng)業(yè)公司。

研究背景

隨著氣候變化，許多地區(qū)的降雨頻率增加，水淹脅迫成為影響大麥產(chǎn)量的一個(gè)重要限制因素。水淹脅迫對作物產(chǎn)量的影響因作物種類、管理措施、遺傳多樣性以及脅迫條件而異。水淹會導(dǎo)致土壤中氧氣不足，從而影響植物的生長和發(fā)育。大麥作物，對水淹脅迫較為敏感。以往的研究中，水淹脅迫的處理方法和持續(xù)時(shí)間各不相同，這使得不同研究之間的結(jié)果難以比較。因此，本研究旨在通過圖像表型分析方法，確定一個(gè)最佳的模擬水淹脅迫的持續(xù)時(shí)間和設(shè)置，以便在控制條件下評估大麥的水淹耐受性。

研究目的

本研究的主要目的是確定一個(gè)最佳的水淹脅迫實(shí)驗(yàn)方案，以便在控制條件下評估大麥的水淹耐受性，同時(shí)通過圖像表型分析方法來量化水淹脅迫對大麥生長和綠色度的影響。

研究方法

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分，分別在愛爾蘭都柏林大學(xué)和法國亞眠大學(xué)進(jìn)行。選取了四種兩行春大麥品種，包括兩種商業(yè)品種（RGT Planet和Concerto）和兩種傳統(tǒng)品種（Glasnevin no.5和Golden Promise）。實(shí)驗(yàn)1在都柏林大學(xué)進(jìn)行，測試了兩種品種（RGT Planet與Glasnevin no.5）、六種不同的水淹脅迫持續(xù)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間組合，包括5天、10天和14天的脅迫，以及有無7天恢復(fù)期。實(shí)驗(yàn)2在法國亞眠大學(xué)進(jìn)行，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)1中選定的最佳方案（14天脅迫加7天恢復(fù)）的可重復(fù)性，并增加了兩種品種和樣本數(shù)量（重復(fù)數(shù)量從5個(gè)增加至10個(gè)）。

2. 脅迫處理

在三葉期（即Zadoks 13）對大麥?zhǔn)┘铀兔{迫，通過將花盆置于一個(gè)密封排水孔的外盆中，使水位保持在土壤表面以上約1厘米處，對應(yīng)于大約120%的田間持水量。對照組的花盆排水孔未密封，保持在大約60%的田間持水量。在實(shí)驗(yàn)2中，水位保持在大約140%的田間持水量，對照組保持在大約100%的田間持水量。不同水分處理通過PlantScreen™高精度自動灌溉系統(tǒng)每日08:30監(jiān)測并調(diào)控，系統(tǒng)以目標(biāo)重量為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)定量補(bǔ)水。

3. 圖像表型分析

使用PlantScreen™成像平臺，每天從頂部和側(cè)面拍攝RGB圖像，以量化水淹脅迫對生長和綠色度的生理影響。通過圖像分析軟件PlantScreen™ Analyzer計(jì)算地上部投影面積（PSA，側(cè)視與俯視分割像素之和），以評估植物的生長情況。此外，在實(shí)驗(yàn)2中，還進(jìn)行了FluorCam動態(tài)葉綠素?zé)晒獬上?，以評估植物的光合性能。

4. 根系成像和破壞性表型分析

在實(shí)驗(yàn)1的每個(gè)處理結(jié)束時(shí)，對根系進(jìn)行手工清洗，并記錄根長和干質(zhì)量。使用EPSON平板掃描儀和RhizoVision Explorer軟件獲取根系參數(shù)，包括長度、體積、直徑和表面積。在成像最后一天，測定地上部莖長、鮮重與干重。實(shí)驗(yàn)2中，在成像最后一天測定了地上部干重。

研究結(jié)果

1. 最佳脅迫方案的確定

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著水淹脅迫時(shí)間的延長，植物生長的減緩更加明顯，并且這種影響在恢復(fù)期仍然持續(xù)。在實(shí)驗(yàn)1中，只有14天的脅迫（P5和P6）顯示出對照組和水淹組之間實(shí)際干質(zhì)量的顯著差異（圖3右E和F）。特別是包含7天恢復(fù)期的最長處理（P6）在收獲時(shí)干質(zhì)量的變化最為顯著，且通過地上部投影面積PSA（指示地上部生物量）最能清晰區(qū)分基因型間的耐受差異（圖3左F），因此被選為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的最佳處理方案。

2. 水淹對大麥生物量和光合性能的影響

在實(shí)驗(yàn)2中，四種大麥品種在水淹脅迫下的生物量顯著減少，與對照組相比，水淹組的干質(zhì)量減少了約73%至81%。通過圖像分析，觀察到水淹脅迫下植物的PSA顯著降低，表明生長受到抑制（圖4A）。

葉綠素?zé)晒獬上耧@示，在脅迫期間，所有品種的Fv/Fm值（最大光化學(xué)效率）都有所降低，但在恢復(fù)期有所回升。特別是Golden Promise品種在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中Fv/Fm值的降低幅度最小，顯示出其對水淹脅迫的耐受性（圖4B）。

3. 綠色度變化分析

通過對圖像中的綠色度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水淹脅迫導(dǎo)致某些特定色調(diào)的像素?cái)?shù)量發(fā)生變化。具體來說，較深的綠色調(diào)（Hue 2、3和4）在水淹植物中變得不那么明顯，而較淺的綠色調(diào)（Hue 7、8、9和10）以及最深的色調(diào)（Hue 1）在水淹脅迫下有所增加。這些變化在脅迫期間最為顯著，并在恢復(fù)期逐漸恢復(fù)正常（圖5）。因此，不同基因型大麥在水淹脅迫下葉片綠色色調(diào)的組成和動態(tài)變化存在顯著差異，可作為快速、無損的耐淹性診斷指標(biāo)。

研究結(jié)論

本研究通過圖像表型分析方法，確定了一個(gè)最佳的水淹脅迫實(shí)驗(yàn)方案（14天脅迫加7天恢復(fù)），該方案能夠顯著區(qū)分不同大麥品種對水淹脅迫的響應(yīng)。研究結(jié)果表明，水淹脅迫顯著降低了大麥的生物量和光合性能，并且通過綠色度分析可以觀察到植物對脅迫的適應(yīng)和恢復(fù)能力。此外，本研究還強(qiáng)調(diào)了在脅迫后包括恢復(fù)期的重要性，因?yàn)檫@有助于觀察植物在脅迫后的生長恢復(fù)情況。通過高通量圖像表型分析，本研究提供了一種新的、可重復(fù)的評估大麥早期水淹耐受性的方法，有助于更精確地量化與水淹脅迫相關(guān)的標(biāo)記，如綠色度、Fv/Fm和PSA。

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