方法来源

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).

研究单位

1. 爱尔兰都柏林大学
2. 法国亚眠大学

关键仪器装备

PlantScreen温室高通量植物表型成像分析系统

PlantScreen温室高通量植物表型成像分析系统是植物科学研究全面、自动化、高通量的表型解决方案，能够对从模式植物拟南芥到小麦、玉米等作物的全方位表型性状进行长期、无损的监测与分析。

系统分布于世界各大洲的顶尖科研机构、大学及知名农业企业。如荷兰植物生态表型中心/荷兰瓦格宁根大学（注：链接为专题报道，下同）、德国莱布尼茨植物遗传和作物研究所（IPK）、芬兰赫尔辛基大学、澳大利亚国立大学、中国农科院生物技术研究所、中国水稻所等全球知名的农业学府和顶级研究机构，以及杜邦先锋、孟山都、巴斯夫等农业巨头公司。

左图：爱尔兰都柏林大学Sónia Negrão教授与学生合影，身后为2020年新安装的PlantScreen温室高通量植物表型成像分析系统前。右图：法国亚眠大学分子生物学区域资源中心与温室平台主任Laurent GUTIERREZ接受采访，向外界介绍该校核心科研平台——PlantScreen温室高通量植物表型成像分析系统。照片中的两位教授均为此次分享论文的作者之一。

研究背景

  随着气候变化，许多地区的降雨频率增加，水淹胁迫成为影响大麦产量的一个重要限制因素。水淹胁迫对作物产量的影响因作物种类、管理措施、遗传多样性以及胁迫条件而异。水淹会导致土壤中氧气不足，从而影响植物的生长和发育。大麦是全球第四大作物，对水淹胁迫较为敏感。以往的研究中，水淹胁迫的处理方法和持续时间各不相同，这使得不同研究之间的结果难以比较。因此，本研究旨在通过图像表型分析方法，确定一个最佳的模拟水淹胁迫的持续时间和设置，以便在控制条件下评估大麦的水淹耐受性。

研究目的

  本研究的主要目的是确定一个最佳的水淹胁迫实验方案，以便在控制条件下评估大麦的水淹耐受性，同时通过图像表型分析方法来量化水淹胁迫对大麦生长和绿色度的影响。

研究方法

1. 实验设计

实验分为两个部分，分别在爱尔兰都柏林大学和法国亚眠大学进行。选取了四种两行春大麦品种，包括两种商业品种（RGT Planet和Concerto）和两种传统品种（Glasnevin no.5和Golden Promise）。实验1在都柏林大学进行，测试了两种品种（RGT Planet与Glasnevin no.5）、六种不同的水淹胁迫持续时间和恢复时间组合，包括5天、10天和14天的胁迫，以及有无7天恢复期。实验2在法国亚眠大学进行，验证了实验1中选定的最佳方案（14天胁迫加7天恢复）的可重复性，并增加了两种品种和样本数量（重复数量从5个增加至10个）。

图1 实验1中六种实验处理的示意图

每种处理（P1–P6）均对两个基因型（RGT Planet 与 Glasnevin no.5）设置5个重复，按图中所示的水淹时间（橙色）与恢复时间（绿色）进行处理；另设同等数量、植株大小一致的对照，保持正常浇水，采用裂区设计（以水分处理为主区、品种为副区）。所有植株在破坏性取样前每日进行图像采集。

2. 胁迫处理

在三叶期（即Zadoks 13）对大麦施加水淹胁迫，通过将花盆置于一个密封排水孔的外盆中，使水位保持在土壤表面以上约1厘米处，对应于大约120%的田间持水量。对照组的花盆排水孔未密封，保持在大约60%的田间持水量。在实验2中，水位保持在大约140%的田间持水量，对照组保持在大约100%的田间持水量。不同水分处理通过PlantScreen™高精度自动灌溉系统每日08:30监测并调控，系统以目标重量为基准实现定量补水。

3. 图像表型分析

使用PlantScreen™成像平台，每天从顶部和侧面拍摄RGB图像，以量化水淹胁迫对生长和绿色度的生理影响。通过图像分析软件PlantScreen™ Analyzer计算地上部投影面积（PSA，侧视与俯视分割像素之和），以评估植物的生长情况。此外，在实验2中，还进行了FluorCam动态叶绿素荧光成像，以评估植物的光合性能。

图2 大麦水淹胁迫表型成像设备展示

A、B为都柏林大学实验1的俯视与侧视示意图，胁迫第4天使用PlantScreen™系统采集的 RGT Planet品种的图像；绿色线标示单株分割区域，图中蓝色支架用于防止叶片越界。C、D、E为亚眠大学实验2 的俯视与 0°、90°双侧视配置，绿色线对应RGB成像室单次拍摄的分割边界，示例为第14天对照植株。每次灌溉与拍摄后，所有培养盆均返回生长室内预设固定位置。

4. 根系成像和破坏性表型分析

在实验1的每个处理结束时，对根系进行手工清洗，并记录根长和干质量。使用EPSON平板扫描仪和RhizoVision Explorer软件获取根系参数，包括长度、体积、直径和表面积。在成像最后一天，测定地上部茎长、鲜重与干重。实验2中，在成像最后一天测定了地上部干重。

研究结果

1. 最佳胁迫方案的确定

实验结果显示，随着水淹胁迫时间的延长，植物生长的减缓更加明显，并且这种影响在恢复期仍然持续。在实验1中，只有14天的胁迫（P5和P6）显示出对照组和水淹组之间实际干质量的显著差异（图3右E和F）。特别是包含7天恢复期的最长处理（P6）在收获时干质量的变化最为显著，且通过地上部投影面积PSA（指示地上部生物量）最能清晰区分基因型间的耐受差异（图3左F），因此被选为后续实验的最佳处理方案。

图3（左） 实验1中Glasnevin no.5与RGT Planet两品种在水淹与对照条件下的地上部投影面积PSA（n = 5）。橙色区段为胁迫持续期，绿色区段为恢复期；PSA为侧视与俯视分割像素之和。A–F分别对应处理P1–P6。

图3（右）六种处理下大麦地上部干重（g）箱线图

A–F分别对应处理P1–P6。

2. 水淹对大麦生物量和光合性能的影响

在实验2中，四种大麦品种在水淹胁迫下的生物量显著减少，与对照组相比，水淹组的干质量减少了约73%至81%。通过图像分析，观察到水淹胁迫下植物的PSA显著降低，表明生长受到抑制（图4A）。

叶绿素荧光成像显示，在胁迫期间，所有品种的Fv/Fm值（最大光化学效率）都有所降低，但在恢复期有所回升。特别是Golden Promise品种在整个实验过程中Fv/Fm值的降低幅度最小，显示出其对水淹胁迫的耐受性（图4B）。

图4 水淹胁迫对春大麦生长及光合性能的影响

A：四个基因型大麦在水淹与对照条件下的地上部投影面积（n = 10）。橙色区段为胁迫期，绿色区段为恢复期；PSA为双侧视与俯视分割像素之和

B：四个基因型大麦在水淹与对照条件下的平均Fv/Fm值（n = 10）。橙色区段为胁迫期，绿色区段为恢复期

3. 绿色度变化分析

通过对图像中的绿色度进行分析，发现水淹胁迫导致某些特定色调的像素数量发生变化。具体来说，较深的绿色调（Hue 2、3和4）在水淹植物中变得不那么明显，而较浅的绿色调（Hue 7、8、9和10）以及最深的色调（Hue 1）在水淹胁迫下有所增加。这些变化在胁迫期间最为显著，并在恢复期逐渐恢复正常（图5）。因此，不同基因型大麦在水淹胁迫下叶片绿色色调的组成和动态变化存在显著差异，可作为快速、无损的耐淹性诊断指标。

图5 不同基因型大麦在水淹胁迫下绿色色调丰度随时间的变化

（A–D）对照条件下4种基因型大麦的表现；（E–H）相应基因型在胁迫条件下的表现。红色竖线标示胁迫结束与恢复期开始。图中给出各色调的RGB值与十六进制色码。

研究结论

本研究通过图像表型分析方法，确定了一个最佳的水淹胁迫实验方案（14天胁迫加7天恢复），该方案能够显著区分不同大麦品种对水淹胁迫的响应。研究结果表明，水淹胁迫显著降低了大麦的生物量和光合性能，并且通过绿色度分析可以观察到植物对胁迫的适应和恢复能力。此外，本研究还强调了在胁迫后包括恢复期的重要性，因为这有助于观察植物在胁迫后的生长恢复情况。通过高通量图像表型分析，本研究提供了一种新的、可重复的评估大麦早期水淹耐受性的方法，有助于更精确地量化与水淹胁迫相关的标记，如绿色度、Fv/Fm和PSA。

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