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在全球氣候變化加劇、糧食安全受嚴峻挑戰(zhàn)背景下，作物抗逆育種與脅迫響應(yīng)機制研究是農(nóng)業(yè)科學核心議題。傳統(tǒng)研究存在局限，要么僅宏觀觀察表型，難觸及分子調(diào)控本質(zhì)；要么聚焦單一組學微觀解析，缺與實際表型動態(tài)關(guān)聯(lián)，難破解復(fù)合脅迫復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。PlantScreen高通量植物表型系統(tǒng)和多組學技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，正逐漸成為抗逆育種研究領(lǐng)域里關(guān)鍵的技術(shù)手段。該系統(tǒng)借助表型數(shù)據(jù)，捕捉植物對外界脅迫的宏觀響應(yīng)，運用多組學解析分子調(diào)控機制，迅速建立表型 - 組學的對應(yīng)關(guān)系，揭示作物脅迫響應(yīng)的多水平調(diào)控邏輯，為抗逆品種培育提供了高通量、高精度的技術(shù)支持。
傳送帶式PlantScreen高通量植物表型成像分析系統(tǒng)
馬鈴薯作為世界第四大主糧，雖兼具水分和空間利用效率優(yōu)勢，卻對多重脅迫極為敏感，單一或復(fù)合脅迫可導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收。一項由德國、荷蘭、英國、捷克等7國科研團隊的聯(lián)合研究在《Plant Physiology》發(fā)表重磅成果——借助PlantScreen™高通量表型平臺的動態(tài)監(jiān)測能力，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組、激素組的多組學整合分析，成功解析了馬鈴薯對單一及復(fù)合非生物脅迫的全維度響應(yīng)機制。
圖1. 實驗設(shè)計與表型&組學分析
在這項覆蓋5種脅迫處理（高溫、干旱、水澇、高溫+干旱、高溫+干旱+水澇）的研究中，PlantScreen平臺承擔了“全天候表型監(jiān)測官”的角色。研究團隊選取中度抗逆的馬鈴薯Desirée品種，通過平臺集成的RGB成像、葉綠素熒光成像、熱成像等多傳感器模塊，實現(xiàn)了每日無侵入式數(shù)據(jù)采集。
從形態(tài)學特征來看，PlantScreen精準捕捉到不同脅迫下的獨特表型信號：高溫脅迫導(dǎo)致馬鈴薯葉片上卷（避熱形態(tài)建成），水澇處理1天內(nèi)即引發(fā)葉片偏上生長并伴隨生長停滯，而高溫+干旱復(fù)合脅迫下，植株體積、冠層面積的衰減速率顯著高于單一脅迫。這些動態(tài)變化數(shù)據(jù)，為后續(xù)區(qū)分“脅迫起始點”“響應(yīng)峰值期”“恢復(fù)關(guān)鍵期”提供了直接依據(jù)。
在生理功能監(jiān)測上，PlantScreen的葉綠素熒光成像技術(shù)精準量化了光合系統(tǒng)II（PSII）的運行效率（QY_Lss）和開放反應(yīng)中心比例（qL_Lss），發(fā)現(xiàn)水澇脅迫3天后PSII效率顯著下降，而高溫脅迫對光合系統(tǒng)的損傷具有持續(xù)性，即使脅迫解除也難以恢復(fù)至對照水平。熱成像模塊捕獲的冠層與空氣溫差（ΔT），則揭示了不同脅迫下的氣孔行為策略：干旱和水澇時氣孔快速關(guān)閉導(dǎo)致ΔT升高，高溫時氣孔開放散熱則使ΔT降低，這些生理表型數(shù)據(jù)為解讀激素和代謝物變化提供了關(guān)鍵線索。
值得一提的是，PlantScreen的自動化數(shù)據(jù)采集能力保障了實驗的高通量與重復(fù)性。6組處理、36株表型監(jiān)測植株，每日生成的68項形態(tài)-生理變量，通過平臺自帶的PlantScreen™ Analyzer軟件自動提取，為后續(xù)與多組學數(shù)據(jù)的整合奠定了堅實基礎(chǔ)。
如果說多組學數(shù)據(jù)是解析脅迫響應(yīng)的“分子密碼本”，那么PlantScreen獲取的表型數(shù)據(jù)就是破解密碼的“鑰匙”。該研究通過機器學習算法篩選出6個核心表型變量（qL_Lss、PSII最大熒光效率、冠層面積、ΔT、植株緊湊度、水分消耗），與轉(zhuǎn)錄組的14個標記基因、蛋白質(zhì)組的36個功能蛋白、代謝組的22種核心代謝物及13種植物激素進行整合分析，實現(xiàn)了“表型變化-分子響應(yīng)”的精準對應(yīng)。
研究發(fā)現(xiàn)，水澇脅迫下PlantScreen監(jiān)測到的氣孔快速關(guān)閉，與激素組中ABA及其降解產(chǎn)物PA、DPA的顯著積累高度同步，證實了水澇脅迫會激活類似干旱的ABA信號通路——這一發(fā)現(xiàn)依賴于表型數(shù)據(jù)捕捉到的“瞬時響應(yīng)”與激素組學的“時序變化”的聯(lián)動分析。而高溫+干旱復(fù)合脅迫下，PlantScreen記錄到的植株體積驟減變化，對應(yīng)著代謝組中組氨酸、支鏈氨基酸的大量積累，以及蛋白質(zhì)組中熱休克蛋白（HSP70、HSP90）的富集，揭示了復(fù)合脅迫通過“代謝重構(gòu)+蛋白保護”應(yīng)對脅迫的協(xié)同機制。
更重要的是，PlantScreen捕獲的動態(tài)表型數(shù)據(jù)，糾正了傳統(tǒng)“靜態(tài)采樣”的局限。例如，單一干旱脅迫下，植株在脅迫第7天出現(xiàn)ΔT顯著升高，此時轉(zhuǎn)錄組中P5CS（脯氨酸合成關(guān)鍵基因）和RD29B（干旱標記基因）才達到表達峰值，而PlantScreen的每日監(jiān)測明確了“表型變化先于分子響應(yīng)”的時間差，為理解脅迫適應(yīng)的調(diào)控時序提供了直接證據(jù)。
該研究的核心價值不僅在于機制解析，更在于為抗逆育種提供了可落地的高通量分析技術(shù)方案——而PlantScreen正是連接基礎(chǔ)研究與育種應(yīng)用的“轉(zhuǎn)化橋梁”。本研究通過PlantScreen表型數(shù)據(jù)與多組學數(shù)據(jù)的整合，篩選出一批與關(guān)鍵表型強關(guān)聯(lián)的分子標記：如與光合效率維持相關(guān)的HSP70基因、與水分利用效率關(guān)聯(lián)的DPA代謝物、與塊莖產(chǎn)量保護相關(guān)的SP6A基因。
這些標記的篩選，完全依賴于PlantScreen對“目標表型”的精準量化——例如，通過平臺監(jiān)測到的“脅迫后恢復(fù)能力”這一關(guān)鍵表型，鎖定了ABA代謝通路的核心作用，為育種家提供了可直接用于分子標記輔助選擇的靶點。此外，PlantScreen的高通量特性可支持大規(guī)模種質(zhì)資源的快速篩選，相較于傳統(tǒng)表型鑒定效率提升數(shù)十倍，為抗逆品種的快速培育提供了技術(shù)支撐。
這項跨國研究充分證明，PlantScreen高通量表型平臺不僅是表型數(shù)據(jù)的“采集器”，更是多組學研究的“核心錨點”。其自動化、多維度、動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)研究中表型與分子數(shù)據(jù)脫節(jié)的痛點，實現(xiàn)了“形態(tài)-生理-分子”的全鏈條解析。
在氣候變化加劇的今天，作物抗逆研究亟需從“單一脅迫”轉(zhuǎn)向“復(fù)合脅迫”，從“靜態(tài)分析”轉(zhuǎn)向“動態(tài)追蹤”。PlantScreen平臺的應(yīng)用，不僅為馬鈴薯抗逆研究提供了新范式，更為小麥、玉米、番茄等其他作物的脅迫響應(yīng)研究提供了可復(fù)制的技術(shù)方案。未來，隨著表型組學與多組學整合技術(shù)的不斷成熟，PlantScreen將持續(xù)賦能抗逆育種，助力培育更多氣候適應(yīng)性強、產(chǎn)量穩(wěn)定的作物品種，為全球糧食安全筑牢技術(shù)屏障。
北京易科泰攜手PSI表型研究中心，先后在國內(nèi)安裝運行多臺PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺，該表型平臺集成了定制光源、自動澆灌稱重、多種表型成像單元及自動化系統(tǒng)，目前全球裝機近百臺?？蛻艉w全球幾乎所有知名遺傳育種表型研究機構(gòu)或公司（北京易科泰PlantScreen國內(nèi)外用戶名錄），如國際水稻研究所、瓦格寧根大學及巴斯夫、杜邦先鋒等農(nóng)業(yè)巨頭，在高通量植物表型分析領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先的市場地位。
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