作物抗逆育种领域的“科技与狠活”：高通量植物表型＋分子组学

在全.球气候变化加剧、粮食安全受严峻挑战背景下，作物抗逆育种与胁迫响应机制研究是农业科学核心议题。传统研究存在局限，要么仅宏观观察表型，难触及分子调控本质；要么聚焦单一组学微观解析，缺与实际表型动态关联，难破解复合胁迫复杂调控网络。PlantScreen高通量植物表型系统和多组学技术的联合应用，正逐渐成为抗逆育种研究领域里关键的技术手段。该系统借助表型数据，捕捉植物对外界胁迫的宏观响应，运用多组学解析分子调控机制，迅速建立表型 - 组学的对应关系，揭示作物胁迫响应的多水平调控逻辑，为抗逆品种培育提供了高通量、高精度的技术支持。

传送带式PlantScreen高通量植物表型成像分析系统

马铃薯作为世界第四大主粮，虽兼具水分和空间利用效率优势，却对多重胁迫极为敏感，单一或复合胁迫可导致减产甚至绝收。一项由德国、荷兰、英国、捷克等7国科研团队的联合研究在《Plant Physiology》发表重磅成果——借助PlantScreen™高通量表型平台的动态监测能力，结合转录组、蛋白质组、代谢组、激素组的多组学整合分析，成功解析了马铃薯对单一及复合非生物胁迫的全维度响应机制。

图1. 实验设计与表型&组学分析

动态表型监测：PlantScreen捕获胁迫响应的“实时轨迹”

在这项覆盖5种胁迫处理（高温、干旱、水涝、高温+干旱、高温+干旱+水涝）的研究中，PlantScreen平台承担了“全天候表型监测官”的角色。研究团队选取中度抗逆的马铃薯Desirée品种，通过平台集成的RGB成像、叶绿素荧光成像、热成像等多传感器模块，实现了每日无侵入式数据采集。

从形态学特征来看，PlantScreen精准捕捉到不同胁迫下的独特表型信号：高温胁迫导致马铃薯叶片上卷（避热形态建成），水涝处理1天内即引发叶片偏上生长并伴随生长停滞，而高温+干旱复合胁迫下，植株体积、冠层面积的衰减速率显著高于单一胁迫。这些动态变化数据，为后续区分“胁迫起始点”“响应峰值期”“恢复关键期”提供了直接依据。

在生理功能监测上，PlantScreen的叶绿素荧光成像技术精准量化了光合系统II（PSII）的运行效率（QY_Lss）和开放反应中心比例（qL_Lss），发现水涝胁迫3天后PSII效率显著下降，而高温胁迫对光合系统的损伤具有持续性，即使胁迫解除也难以恢复至对照水平。热成像模块捕获的冠层与空气温差（ΔT），则揭示了不同胁迫下的气孔行为策略：干旱和水涝时气孔快速关闭导致ΔT升高，高温时气孔开放散热则使ΔT降低，这些生理表型数据为解读激素和代谢物变化提供了关键线索。

值得一提的是，PlantScreen的自动化数据采集能力保障了实验的高通量与重复性。6组处理、36株表型监测植株，每日生成的68项形态-生理变量，通过平台自带的PlantScreen™ Analyzer软件自动提取，为后续与多组学数据的整合奠定了坚实基础。

表型-组学联动：PlantScreen解锁分子机制的“解.码钥匙”

如果说多组学数据是解析胁迫响应的“分子密码本”，那么PlantScreen获取的表型数据就是破解密码的“钥匙”。该研究通过机器学习算法筛选出6个核心表型变量（qL_Lss、PSII最大荧光效率、冠层面积、ΔT、植株紧凑度、水分消耗），与转录组的14个标记基因、蛋白质组的36个功能蛋白、代谢组的22种核心代谢物及13种植物激素进行整合分析，实现了“表型变化-分子响应”的精准对应。

研究发现，水涝胁迫下PlantScreen监测到的气孔快速关闭，与激素组中ABA及其降解产物PA、DPA的显著积累高度同步，证实了水涝胁迫会激活类似干旱的ABA信号通路——这一发现依赖于表型数据捕捉到的“瞬时响应”与激素组学的“时序变化”的联动分析。而高温+干旱复合胁迫下，PlantScreen记录到的植株体积骤减变化，对应着代谢组中组氨酸、支链氨基酸的大量积累，以及蛋白质组中热休克蛋白（HSP70、HSP90）的富集，揭示了复合胁迫通过“代谢重构+蛋白保护”应对胁迫的协同机制。

更重要的是，PlantScreen捕获的动态表型数据，纠正了传统“静态采样”的局限。例如，单一干旱胁迫下，植株在胁迫第7天出现ΔT显著升高，此时转录组中P5CS（脯氨酸合成关键基因）和RD29B（干旱标记基因）才达到表达峰值，而PlantScreen的每日监测明确了“表型变化先于分子响应”的时间差，为理解胁迫适应的调控时序提供了直接证据。

育种应用潜力：PlantScreen加速抗逆品种培育的“转化桥梁”

该研究的核心价值不仅在于机制解析，更在于为抗逆育种提供了可落地的高通量分析技术方案——而PlantScreen正是连接基础研究与育种应用的“转化桥梁”。本研究通过PlantScreen表型数据与多组学数据的整合，筛选出一批与关键表型强关联的分子标记：如与光合效率维持相关的HSP70基因、与水分利用效率关联的DPA代谢物、与块茎产量保护相关的SP6A基因。

这些标记的筛选，完全依赖于PlantScreen对“目标表型”的精准量化——例如，通过平台监测到的“胁迫后恢复能力”这一关键表型，锁定了ABA代谢通路的核心作用，为育种家提供了可直接用于分子标记辅助选择的靶点。此外，PlantScreen的高通量特性可支持大规模种质资源的快速筛选，相较于传统表型鉴定效率提升数十倍，为抗逆品种的快速培育提供了技术支撑。

PlantScreen引领作物胁迫研究进入“表型-组学”整合时代

这项跨国研究充分证明，PlantScreen高通量表型平台不仅是表型数据的“采集器”，更是多组学研究的“核心锚点”。其自动化、多维度、动态监测的优势，解决了传统研究中表型与分子数据脱节的痛点，实现了“形态-生理-分子”的全链条解析。

在气候变化加剧的今天，作物抗逆研究亟需从“单一胁迫”转向“复合胁迫”，从“静态分析”转向“动态追踪”。PlantScreen平台的应用，不仅为马铃薯抗逆研究提供了新范式，更为小麦、玉米、番茄等其他作物的胁迫响应研究提供了可复制的技术方案。未来，随着表型组学与多组学整合技术的不断成熟，PlantScreen将持续赋能抗逆育种，助力培育更多气候适应性强、产量稳定的作物品种，为全.球粮食安全筑牢技术屏障。

北京易科泰携手PSI表型研究中心，先后在国内安装运行多台PlantScreen高通量植物表型成像分析平台，该表型平台集成了定制光源、自动浇灌称重、多种表型成像单元及自动化系统，目前全.球装机近百台。客户涵盖全.球几乎所有知名遗传育种表型研究机构或公司（北京易科泰PlantScreen国内外用户名录），如国际水稻研究所、瓦格宁根大学及巴斯夫、杜邦先锋等农业巨头，在高通量植物表型分析领域处于全.球领先的市场地位。

杜邦先锋：PlantScreen表型成像分析系统用于玉米育种

德国IPK：大型PlantScreen植物表型成像平台

荷兰瓦格宁根大学：PlantScreen传送带版高通量植物表型成像分析系统

澳大利亚悉尼科技大学：PlantScreen藻类表型成像分析系统

匈牙利科学院生物科学研究中心： PlantScreen 植物根系表型成像分析系统

北京易科泰PlantScreen高通量植物表型成像分析平台链接 (eco-tech.com.cn)

PlantScreen参考文献目录可通过微信公众号（北京易科泰生态技术有限公司）、官网（www.eco-tech.com.cn）、电话（+86 10 82611269/1572）、邮箱（sales@eco-tech.com.cn/support@eco-tech.com.cn）等留言咨询

1. 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.