荷兰植物生态表型中心 NPEC设备配置、优势及实际应用
2025-11-06 来源:本站 点击次数:30
荷兰植物生态表型中心（Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre，NPEC）由荷兰瓦赫宁根大学（Wageningen University & Research, WUR）与乌得勒支大学（Utrecht University） 共同合作建设和运营。中心于2017年递交提案，2022年9月底正式启用，研究重心在于植物表型与环境的相互关系，力图将植物研究引入自动化和大数据的时代。
NPEC在几年时间中陆续建设完成了六大研究模块，其中包括3套安装在FytoScope大型步入式水培植物生长室中的PlantScreen XYZ三维移动式植物表型成像分析系统、1套PlantScreen-SC移动式植物表型成像分析系统、36单元Ecolab土壤-植物-大气综合研究微生态系统、多套FluorCam叶绿素荧光成像系统等。
2023-2024年，NPEC安装完成了两套最新型的植物表型成像系统。NPEC分别将其命名为“太阳神”（Helios）和 “冥王”（Hades）。其中“太阳神”（Helios）系统为一套PlantScreen传送带版高通量植物表型成像分析系统。这套系统利用传送带将植物传送到成像室中进行测量，实现了高通量、高精度、低干扰、多角度的植物表型成像测量，同时还可自动控制植物的生长环境，包括浇灌、光照、温度及动态周期变化等。
“冥王”（Hades）系统则为一套PlantScreen高通量琼脂培养植物表型成像分析系统。这是一套专门为琼脂平板培养植物进行自动接种、培养与表型成像分析的系统。该系统为全自动机器人操作，包括倾倒琼脂、播种、层积催芽、接种、成像分析全自动运行。可容纳2160个特制培养皿的全自动全流程高通量表型分析。系统由具备GMO（转基因生物）控制区的环控室、操作台、培养柜（包括层积催芽柜）、机器人及成像工作站等组成，可进行根系形态成像分析、GFP等荧光蛋白成像分析、叶绿素荧光成像分析、多光谱成像分析、高光谱成像（透射光）分析及香豆素荧光高光谱成像分析等
NPEC利用这些表型组学设备已经开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. 利用叶绿素荧光分析对番茄中马铃薯胞囊线虫感染进行非侵入性、症状前检测
马铃薯胞囊线虫（PCN）是全球马铃薯产区最具破坏性的病原线虫之一，每年造成巨大的经济损失。PCN在田间的侵染通常呈“病灶”状分布，即仅在某些区域集中发生。然而，早期、精准地定位这些病灶非常困难，因为传统的土壤取样和线虫鉴定方法既耗时又费力。因此，开发一种快速、非破坏性、症状前的检测技术，对于实现精准的局部防控、减少农药使用和降低经济损失具有重要意义。本研究旨在探索叶绿素荧光分析作为一种前沿的植物生理监测技术，是否能够通过检测植物地上部光合系统的细微变化，来间接、早期地诊断出地下部根系的PCN侵染。
研究人员将番茄种植于PlantScreen高通量传送带表型系统的样品托盘中，设置了5个不同梯度的PCN接种密度，利用PlantScreen系统的FluorCam叶绿素荧光成像单元在接种后连续自动监测26天的叶绿素荧光动态成像。
研究发现，叶绿素荧光参数对PCN侵染的响应远早于传统生长指标：
1）极早期响应： 在接种后第1天，反映光合速率的ΦPSII和光合系统热耗散的NPQ就发生了显著变化。此时，线虫可能尚未侵入根系，研究者推测可能是线虫卵自发孵化或其分泌的特定分子（效应子）触发了植物的早期免疫反应所致。
2）高灵敏度： ΦPSII是对低水平侵染最敏感的指标。即使在最低接种密度（5卵/克土）下，从第1天起就能检测到其下降。而NPQ则在第1天对高接种密度表现出响应。
最大光化学效率Fv/Fm、PSII潜在活性Fv/F0则响应较晚且对低侵染水平不敏感。
本研究成功证明了：叶绿素荧光分析，特别是NPQ和ΦPSII这两个参数，能够作为一种极其灵敏的工具，在番茄植株出现任何可见症状之前，有效检测出地下部的马铃薯胞囊线虫侵染。 
2. 马铃薯对单一和复合胁迫的高通量表型成像分析
随着气候变化加剧，热浪、洪涝和干旱等极端天气事件频发，严重威胁作物生产。马铃薯作为全球重要的粮食作物，其生长和产量极易受到不良环境条件的影响。本研究旨在对马铃薯（栽培种 'Désirée'）应对单一及复合非生物胁迫（高温、干旱、涝渍）进行综合性分析，通过整合高通量表型分析和多组学数据，深入理解马铃薯在模拟未来现实气候情景下的胁迫响应机制，并建立了一个生物信息学分析流程来整合这些复杂数据。这项研究由包括荷兰瓦赫宁根大学和乌得勒支大学在内的多家欧洲学术与科研单位参与，是欧盟ADAPT马铃薯育种项目的重要研究成果之一。 
研究人员对马铃薯植株施加单一胁迫（热应激 H、干旱 D、涝渍 W）以及复合胁迫（热+干旱 HD、热+干旱+涝渍 HDW），并设置恢复期，以模拟田间可能出现的连续胁迫，并使用PlantScree高通量表型成像分析系统进行连续表型分析，监测植物体积、高度、叶面积、紧凑度等形态指标，以及叶绿素荧光（如QY_Lss, Fv/Fm_Lss, qL_Lss）和热成像（冠层温度ΔT）等生理指标。结果表明，所有胁迫均抑制生长，但程度不同，复合胁迫HD的影响大于单一胁迫；涝渍（W）的影响最迅速和严重；三重胁迫（HDW）导致植株近乎死亡。而在光合系统损伤中，所有胁迫均降低了PSII的光化学效率（QY_Lss），其中热应激H胁迫影响最大。
结合其他组学数据，该研究证实了马铃薯对复合胁迫（尤其是热+干旱+涝渍HDW）的极端敏感性，同时明确了高温胁迫通过抑制光合作用和块茎形成信号（SP6A）来影响产量的关键环节。该研究可为马铃薯抗逆育种提供重要的候选靶点和诊断工具，有助于加速培育适应未来气候变化的马铃薯品种。 
3. 在高通量表型系统进行单个叶片的光合能力追踪测量
植物光合作用研究对生产力和产量至关重要。随着高通量表型系统设施的发展，光合表型的测量变得可靠、高效。然而，尽管植物级别的表型分析已自动化，但叶片级别的信息通常仍依赖于手动标注，限制了研究效率。本研究提出了一种新方法，用于在植物（以拟南芥为例）的顶部拍摄图像时间序列中，对单个叶片进行自动检测、分割和追踪。
研究者将两个拟南芥生态型（Col-0 和 Ely）在PlantScree XY三维移动表型成像系统中进行不同光处理（恒定光与波动光），并分析其光合参数（最大光量子产量Fv/Fm和光系统II实际效率ΦPSII）。植株级别叶绿素荧光成像分析表明Col-0的Fv/Fm和ΦPSII均显著高于Ely，且Ely的光合参数对波动光处理的响应更明显。叶片级别叶绿素荧光成像分析则进一步表明叶片年龄和叶序显著影响光合能力及其对光处理的响应。在Ely中，叶片Fv/Fm在其出现约一周后达到峰值然后下降；幼叶对波动光的ΦPSII响应比老叶更强烈。
该方法能够高效、自动化地追踪单个叶片，为研究叶片发育、光合作用动态及其遗传基础提供了有力的新工具。 
4. 不同光照强度对罗勒采后耐冷性的影响
罗勒（Ocimum basilicum L.）作为热带草本植物，在低于10–12℃的低温贮藏时易发生冷害，表现为叶片褐斑、坏死、失去光泽等。本研究希望通过采收前短期高光处理（EOP）提升罗勒的碳水化合物和抗氧化物质含量，看是否能够增强其采后耐冷性。研究人员将两个罗勒品种（Emily 和 Dolly）在垂直农业系统中，使用LED光源（150 μmol·m⁻²·s⁻¹）进行培养。采收前5天，分别施加50、150、300、600 μmol·m⁻²·s⁻¹的光照强度。采后叶片在4°C（冷害条件）和12°C（非冷害条件）下黑暗贮藏12天，定期取样分析。
利用FluorCam叶绿素荧光成像系统测量后发现，罗勒叶片最大光化学效率Fv/Fm在4°C贮藏下显著下降，但EOP光强对其无显著影响。Fv/Fm反映了植物光合反应中心在胁迫条件下的损伤程度，是目前衡量植物受胁迫程度与抗性高低最灵敏的指标之一。因此，结果表明，EOP高光可有效提升罗勒的营养价值（碳水化合物、迷迭香酸、抗坏血酸），但未能增强罗勒的耐冷性。 
参考文献：
1. van Himbeeck R, Binnebösz E L, Amora D, et al. Noninvasive, Presymptomatic Detection of Potato Cyst Nematode Infection in Tomato Using Chlorophyll Fluorescence Analysis[J]. Phytopathology, 2025, 115(1): 77-84.
2. Zagorščak M, Abdelhakim L, Rodriguez-Granados N Y, et al. Integration of multi-omics data and deep phenotyping provides insights into responses to single and combined abiotic stress in potato[J]. Plant physiology, 2025, 197(4): kiaf126.
3. Jurado-Ruiz F, Nguyen T P, Peller J, et al. LeTra: a leaf tracking workflow based on convolutional neural networks and intersection over union[J]. Plant Methods, 2024, 20(1): 11.
4. Larsen D H, Li H, van de Peppel A C, et al. High light intensity at End-Of-Production improves the nutritional value of basil but does not affect postharvest chilling tolerance[J]. Food Chemistry, 2022, 369: 130913.
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1. 利用叶绿素荧光分析对番茄中马铃薯胞囊线虫感染进行非侵入性、症状前检测
马铃薯胞囊线虫（PCN）是全球马铃薯产区最具破坏性的病原线虫之一，每年造成巨大的经济损失。PCN在田间的侵染通常呈“病灶”状分布，即仅在某些区域集中发生。然而，早期、精准地定位这些病灶非常困难，因为传统的土壤取样和线虫鉴定方法既耗时又费力。因此，开发一种快速、非破坏性、症状前的检测技术，对于实现精准的局部防控、减少农药使用和降低经济损失具有重要意义。本研究旨在探索叶绿素荧光分析作为一种前沿的植物生理监测技术，是否能够通过检测植物地上部光合系统的细微变化，来间接、早期地诊断出地下部根系的PCN侵染。
研究人员将番茄种植于PlantScreen高通量传送带表型系统的样品托盘中，设置了5个不同梯度的PCN接种密度，利用PlantScreen系统的FluorCam叶绿素荧光成像单元在接种后连续自动监测26天的叶绿素荧光动态成像。
研究发现，叶绿素荧光参数对PCN侵染的响应远早于传统生长指标：
1）极早期响应： 在接种后第1天，反映光合速率的ΦPSII和光合系统热耗散的NPQ就发生了显著变化。此时，线虫可能尚未侵入根系，研究者推测可能是线虫卵自发孵化或其分泌的特定分子（效应子）触发了植物的早期免疫反应所致。
2）高灵敏度： ΦPSII是对低水平侵染最敏感的指标。即使在最低接种密度（5卵/克土）下，从第1天起就能检测到其下降。而NPQ则在第1天对高接种密度表现出响应。
最大光化学效率Fv/Fm、PSII潜在活性Fv/F0则响应较晚且对低侵染水平不敏感。
本研究成功证明了：叶绿素荧光分析，特别是NPQ和ΦPSII这两个参数，能够作为一种极其灵敏的工具，在番茄植株出现任何可见症状之前，有效检测出地下部的马铃薯胞囊线虫侵染。
随着气候变化加剧，热浪、洪涝和干旱等极端天气事件频发，严重威胁作物生产。马铃薯作为全球重要的粮食作物，其生长和产量极易受到不良环境条件的影响。本研究旨在对马铃薯（栽培种 'Désirée'）应对单一及复合非生物胁迫（高温、干旱、涝渍）进行综合性分析，通过整合高通量表型分析和多组学数据，深入理解马铃薯在模拟未来现实气候情景下的胁迫响应机制，并建立了一个生物信息学分析流程来整合这些复杂数据。这项研究由包括荷兰瓦赫宁根大学和乌得勒支大学在内的多家欧洲学术与科研单位参与，是欧盟ADAPT马铃薯育种项目的重要研究成果之一。
结合其他组学数据，该研究证实了马铃薯对复合胁迫（尤其是热+干旱+涝渍HDW）的极端敏感性，同时明确了高温胁迫通过抑制光合作用和块茎形成信号（SP6A）来影响产量的关键环节。该研究可为马铃薯抗逆育种提供重要的候选靶点和诊断工具，有助于加速培育适应未来气候变化的马铃薯品种。
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研究者将两个拟南芥生态型（Col-0 和 Ely）在PlantScree XY三维移动表型成像系统中进行不同光处理（恒定光与波动光），并分析其光合参数（最大光量子产量Fv/Fm和光系统II实际效率ΦPSII）。植株级别叶绿素荧光成像分析表明Col-0的Fv/Fm和ΦPSII均显著高于Ely，且Ely的光合参数对波动光处理的响应更明显。叶片级别叶绿素荧光成像分析则进一步表明叶片年龄和叶序显著影响光合能力及其对光处理的响应。在Ely中，叶片Fv/Fm在其出现约一周后达到峰值然后下降；幼叶对波动光的ΦPSII响应比老叶更强烈。
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罗勒（Ocimum basilicum L.）作为热带草本植物，在低于10–12℃的低温贮藏时易发生冷害，表现为叶片褐斑、坏死、失去光泽等。本研究希望通过采收前短期高光处理（EOP）提升罗勒的碳水化合物和抗氧化物质含量，看是否能够增强其采后耐冷性。研究人员将两个罗勒品种（Emily 和 Dolly）在垂直农业系统中，使用LED光源（150 μmol·m⁻²·s⁻¹）进行培养。采收前5天，分别施加50、150、300、600 μmol·m⁻²·s⁻¹的光照强度。采后叶片在4°C（冷害条件）和12°C（非冷害条件）下黑暗贮藏12天，定期取样分析。
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1. van Himbeeck R, Binnebösz E L, Amora D, et al. Noninvasive, Presymptomatic Detection of Potato Cyst Nematode Infection in Tomato Using Chlorophyll Fluorescence Analysis[J]. Phytopathology, 2025, 115(1): 77-84.
2. Zagorščak M, Abdelhakim L, Rodriguez-Granados N Y, et al. Integration of multi-omics data and deep phenotyping provides insights into responses to single and combined abiotic stress in potato[J]. Plant physiology, 2025, 197(4): kiaf126.
3. Jurado-Ruiz F, Nguyen T P, Peller J, et al. LeTra: a leaf tracking workflow based on convolutional neural networks and intersection over union[J]. Plant Methods, 2024, 20(1): 11.
4. Larsen D H, Li H, van de Peppel A C, et al. High light intensity at End-Of-Production improves the nutritional value of basil but does not affect postharvest chilling tolerance[J]. Food Chemistry, 2022, 369: 130913.
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- 国际知名品牌PlantScreen植物高通量表型成像分析系统，有传送带版、XYZ版、PlantScreen SC、根系表型分析等不同功能规格供选配
- PhenoTron®植物表型成像分析系统，易科泰新一代农业传感器技术+AI平台技术，可根据国内用户实际需求及安装场景灵活配置定制，具备高光谱成像、UV-MCF紫外光激发植物荧光（胁迫诱导次级代谢产物荧光）高光谱成像、叶绿素荧光成像、Thermo-RGB红外热成像与RGB成像融合分析、3D激光扫描成像分析等表型分析技术，AI平台技术包括自动传送系统、XYZ平台、悬浮双规平台、机器人平台等不同智能平台供选配
- FluorCam叶绿素荧光成像系统，有几千篇国际科研文献可供参考
- FluorTron®植物光合表型成像分析系统，可根据客户需求定制不同成像面积的叶绿素荧光动态成像、叶绿素荧光光谱成像、LEDIF（植物群体）冠层叶绿素荧光成像系统等
- PhenoTron®智能LED光源培养与表型分析平台，集多通道智能LED光源与多源表型传感器技术于一身，可在对植物进行精确光照培训，同时实现叶绿素（含量）与叶绿素荧光成像、Thermo-RGB成像、多功能高光谱成像等在线昼夜全天候监测分析植物表型。
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