植物表型組學研究機構巡禮(2)- 

芬蘭赫爾辛基大學國家植物表型基礎設施（NaPPI）

芬蘭赫爾辛基大學國家植物表型基礎設施（the National Plant Phenotyping Infrastructure，NaPPI）是芬蘭國家研究基礎設施（Finnish Research Infrastructure，FIRI）的重要植物科學研究平臺之一。它的核心使命是通過整合從基因組學到高通量表型組學，再到高精度代謝組學的完整技術鏈條，為植物科學研究提供非破壞性表型分析技術。就在近期（2026年1月21日），NaPPI正式加入了由NordForsk（北歐國家政府間科研合作資助機構，隸屬于北歐理事會部長會議框架）資助的 NordPheno北歐研究基礎設施中心。這一合作旨在加強整個北歐地區在數字表型分析能力、知識交流、設施共享以及科研人員培訓方面的合作，共同推動植物科學和育種研究。

NaPPI的核心設施為兩套PlantScreen高通量植物表型成像分析系統。一套大型傳送帶系統適用于120cm以下的大型植株，如小麥、玉米、番茄、馬鈴薯等。一套緊湊式傳送帶系統適用于50cm以下的小型植株，如擬南芥或作物幼苗等。兩套系統均可高通量自動化運行，在無人值守情況下自動完成植物樣品的培養、澆灌、傳送、各項表型成像測量與分析等一整套植物表型組學測量程序。同時，赫爾辛基大學還裝備有多臺不同型號配置的FluorCam葉綠素熒光成像系統，可配合PlantScreen系統的表型研究工作，*部分特殊表型數據，如OJIP快速熒光動力學成像分析等。

這兩套PlantScreen系統在2015年安裝完畢，是北歐地區植物表型研究設施之一。時至今日，它們也依然是支持NaPPI乃至整個北歐地區植物表型研究的核心設施之一。NaPPI利用這些表型組學設備已經開展了一系列研究工作并取得了大量的科研成果，部分研究案例如下：

1. 甘薯病毒的協同致病機制研究

由甘薯羽狀斑駁病毒（SPFMV） 和甘薯褪綠矮化病毒（SPCSV） 協同感染引起的病毒病對甘薯產量影響極為嚴重。傳統的病毒檢測方法（如核酸檢測）雖然有效，但成本高、耗時，并且由于需破壞樣品，無法進行連續觀測。本研究旨在利用PlantScreen高通量表型分析系統，結合葉綠素熒光（ChlF）成像和熱紅外（TIR）成像技術，靈敏、無損并且省時省力地研究SPFMV和SPCSV在甘薯中的協同致病機理。

實驗設置了6個不同的甘薯病毒處理組，在兩種光照條件下進行培養，以評估環境的影響。在29天的連續培養中，定期測量RGB形態成像、葉綠素熒光成像和紅外熱成像。

結果表明，與健康植株（Wt-H）和僅感染SPFMV（Wt-F）的植株相比，感染SPCSV（Wt-C）、共感染（Wt-FC）以及轉基因感染（R3-F）的植株生長受到顯著抑制，表現為株高降低、生物量和葉面積減少。

葉綠素熒光參數ΦPSII（PSII有效量子產量）和 qP（光化學淬滅系數）是區分不同病毒處理嚴重程度的最敏感參數，在感染第3天即可明顯指示病害發生。癥狀嚴重的植株（Wt-FC，R3-F）這兩個值均顯著降低，表明其光化學反應中心效率低下。葉片溫度在癥狀嚴重的植株中更高，這可能是由于氣孔關閉導致蒸騰作用減少所致。TIR成像在感染早期（約7天后）就能檢測到溫度差異。

本研究系統性地驗證了葉綠素熒光成像和紅外熱成像技術可用于區分和量化SPFMV和SPCSV在甘薯中引起的病毒病嚴重程度。為利用高通量表型技術進行溫室科學實驗和田間精準農業中的病毒病早期檢測提供了重要依據。

2. 林木病原菌致病機制研究

本研究聚焦于壞死性林木病原真菌——小孢子異擔子菌Heterobasidion parviporum的致病機制。小孢子異擔子菌是造成云杉根部和干基腐朽的最主要病原體，每年都會造成巨大的經濟損失。該真菌的基因組編碼大量小分泌蛋白（SSP），推測其作為效應子在與寄主互作中起關鍵作用，但大多數 SSP 的功能尚不明確。

通過農桿菌介導的瞬時表達技術在本氏煙葉片中測試四個能引起細胞死亡的 SSP 同源候選蛋白。結果顯示，只有 HpSSP35.8 能引發強烈的組織壞死和細胞死亡，而其他同源蛋白效果微弱或無效果。用 H. parviporum 的分生孢子接種云杉幼苗根部，在不同時間點檢測 HpSSP35.8 基因的表達量，發現：HpSSP35.8 的表達在侵染的早期、癥狀出現前（24-60小時）被強烈誘導，在36小時達到峰值，此時真菌可能正在形成侵染結構（附著胞）。當根部出現明顯褐變癥狀（72小時后），該基因的表達水平反而顯著下降。這表明 HpSSP35.8 在建立侵染的初期階段可能扮演重要角色。但這種鑒定方法費時費力，研究人員還是需要一種高效、靈敏的方法來快速篩選和鑒定具有生物活性的效應子蛋白以開展后續工作。

于是，研究人員利用PlantScreen系統中的RGB可見光形態成像與葉綠素熒光成像功能，對瞬時表達 HpSSP35.8 的本氏煙葉片進行了動態監測。結果表明，利用可見光成像的色彩分析要到36小時才能看到明顯的壞死癥狀。而葉綠素熒光參數ΦPSII（PSII實際光化學效率）在接種后3小時就開始顯著下降；QYmax（PSII光化學效率）則在9小時后出現差異，從而證明葉綠素熒光參數及成像分析是比形態、色彩觀察更靈敏、更早期的細胞死亡和生理脅迫指示器，可用于高效篩選其他潛在的效應子蛋白。

3. 高通量種子活力評估

種子活力是種子發芽和出苗率、幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產潛力的總和（發芽和出苗期間的活性水平與行為），是種子品質的重要指標。種子萌發實驗無疑是直接有效的種子活力檢測方法。但一般的傳統方法需要人工計數來測量幼苗和計算發芽率，工作量極大，也非常耗時。而基于彩色圖像分析來識別發芽幼苗又存在很大誤差。同時，傳統的形態數據難以真正評估幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產潛力。因此，基于現代植物表型組學研究和種子活力評估要求，在種子萌發實驗中還需要實時監測各種表型數據，而不僅僅是傳統表型所說的形態數據。

赫爾辛基大學的研究人員為了研究一種新的ABA響應泛素E3連接酶對擬南芥種子萌發活力的影響，設計了一個基于高通量葉綠素熒光成像分析的萌發實驗。

PlantScreen植物表型成像分析系統可以自動對植物樣品進行連續培養和表型監測，非常適用于進行高通量的種子萌發實驗。其配備的LED光照控溫培養室能夠模擬理想的光照與溫度條件。自動傳送系統可以按設置的序列自動讓樣品傳送到成像室。內置的FluorCam葉綠素熒光成像模塊可以通過監測種子萌發后剛展開子葉的熒光值Fm，非常有效地識別發芽的種子。專用的分析軟件能夠很容易地將未萌發種子和背景去除掉，從而使發芽率計算極為準確。

葉綠素熒光成像同時測量萌發種苗的葉綠素熒光參數如QY_max光化學效率（Fv/Fm，對各種脅迫極為敏感）、QY實際光化學效率（量子產額）、NPQ非光化學淬滅（與光系統熱耗散、光保護機制有關）、Rfd熒光衰減比率（也稱為活力指數）、冠層面積等，可反映種苗光合能力和抗逆能力。熱成像單元可以提供冠層和葉片溫度數據，反映植物蒸騰、水分利用狀態以及病害等脅迫信息。這些指標已經廣泛用于幼苗生長潛勢、植株抗逆能力和生產潛力的評估，并得到了大量的驗證。本研究成功建立了一個高效、可擴展的高通量萌發篩選平臺，為種子活力分析與種質資源評估提供了新工具。

4. 紅樹莓果實品質評估

在高緯度地區（如芬蘭在北緯60°以上），許多初生莖紅樹莓（Rubus idaeus L.）品種由于生長季短、秋季霜凍早，無法在初生莖上實現充分的秋季產量。這些品種雖具有高產潛力和優良果實品質，但秋季果實成熟過晚，導致產量損失。研究人員將7個初生莖樹莓品種通過長枝栽培方式作為次生莖進行生產并評估其果實品質，希望為短生長季地區提供替代栽培方案。

在進行果實品質評估時，除了傳統的單株產量、果重、可溶性固形物（SS）、可滴定酸（TA）等品質數據，研究人員創新性地使用PlantScreen表型成像分析系統的RGB成像單元分析果實形狀和顏色參數。

果實面積直接反映果實的大小。偏心率則可以反映果實的圓度，其中“Autumn Treasure"的果實最橢圓（偏心率），其他品種則更接近圓形。顏色分析則表明“Kwanza"的果實是最紅、最亮的。高通量RGB成像分析可高效分析果實形狀和顏色，非常適用于自動化成熟度判斷和采后品質評估。

5. 利用OJIP快速熒光誘導動力學成像技術進行光合機理研究

OJIP快速熒光誘導動力學成像一直是葉綠素熒光成像技術中的一個難點，但由于OJIP能夠對葉綠素熒光進行微秒級解析。因此科學家和工程師一直在合作開發相關技術，最終成果即為具備閃光誘導葉綠素熒光成像功能的FluorCam葉綠素熒光成像系統。

赫爾辛基大學在2019年與PSI公司合作，利用一臺安裝了超高速熒光相機的定制FluorCam葉綠素熒光系統對擬南芥突變體的低氧光合響應進行了PAM脈沖調制熒光和OJIP快速熒光誘導分析。之后又對擬南芥對臭氧的光合響應等進行了研究

從2024年開始，赫爾辛基大學與芬蘭自然資源研究所合作，利用一臺PlantScreen SC植物表型成像分析系統進一步深入研究。這一系統同時配備RGB成像、紅外熱成像、FluorCam葉綠素熒光成像單元（配備PAM脈沖調制葉綠素熒光成像、OJIP快速閃光誘導葉綠素熒光成像兩種成像模塊）等功能模塊。他們在除草劑影響、氣孔功能脅迫響應等方面已經取得了一系列成果。

參考文獻：

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