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PlantScreen植物表型應用——高通量種子萌發(fā)活力與表型監(jiān)測
發(fā)布時間： 2020-03-12 點擊次數(shù)： 3484次種子活力是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長的潛勢、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），是種子品質的重要指標，具體包括吸漲后旺盛的代謝強度、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)實驗無疑是直接有效的種子活力檢測方法。但一般的傳統(tǒng)方法需要人工計數(shù)來測量幼苗和計算發(fā)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(fā)芽幼苗又存在很大誤差。
同時，傳統(tǒng)的形態(tài)數(shù)據(jù)難以真正評估幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力。因此，基于現(xiàn)代植物表型組學研究和種子活力評估要求，在種子萌發(fā)實驗中還需要實時監(jiān)測各種表型數(shù)據(jù)，而不僅僅是傳統(tǒng)表型所說的形態(tài)數(shù)據(jù)。
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(fā)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(fā)實驗。這一實驗主要通過赫爾辛基大學國家植物表型研究設施（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)可以自動對植物樣品進行連續(xù)培養(yǎng)和表型監(jiān)測，非常適用于進行高通量的種子萌發(fā)實驗。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。自動傳送系統(tǒng)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(jiān)測種子萌發(fā)后剛展開子葉的大熒光值Fm，非常有效地識別發(fā)芽的種子。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)芽率計算極為準確。
高通量葉綠素熒光成像分析工作流程；a.播種、放置樣品、成像測量、圖像分析；b.大葉綠素熒光Fm成像圖的分析過程
葉綠素熒光成像分析后除了能獲得準確的動態(tài)發(fā)芽率曲線，還可以同時獲得一系列與植物光合能力、抗性相關的表型動態(tài)曲線，如葉綠素熒光參數(shù)、冠層面積等。葉綠素熒光參數(shù)，例如QY_max大光化學效率（Fv/Fm，對各種脅迫極為敏感）、Effective QY實際光化學效率（量子產(chǎn)額）、NPQ非光化學淬滅（與光系統(tǒng)熱耗散、光保護機制有關）、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。這些指標已經(jīng)廣泛用于幼苗生長潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的評估，并得到了大量的驗證。
左：發(fā)芽率動態(tài)曲線；右：冠層投影面積、各項葉綠素熒光參數(shù)、冠層溫度的動態(tài)曲線
因為各種原因，無法使用PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)進行種子萌發(fā)活力實驗的科學家，也可以選擇PhenoTron作物種質資源監(jiān)測鑒定平臺。這一平臺包括LED光照培養(yǎng)箱、FluorCam葉綠素熒光成像、種子形態(tài)分析、種子代謝強度測量、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、定制設計。
參考文獻：
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
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