易科泰植物表型成像技术应用：生物刺激素的效能评估与机理研究

由于人口增长、气候变化、环境污染等原因，世界粮食安全正面临愈加严峻的挑战。目前，农业生产不断增加化学农药、合成肥料的投入，虽然在一定程度上保证了粮食安全，但是也造成难以逆转的环境恶化和资源枯竭。因此，近年来新出现的生物刺激素（Biostimulant）作为一类环境友好、安全高效的新型绿色农业产品逐渐成为农业研究及商业化开发的一个新热点。

目前被广泛接受的生物刺激素类别包括：腐殖酸、蛋白水解物与氨基酸、海藻提取物、无机盐类、几丁质、壳聚糖及其衍生物、微生物菌剂、其他复合有机物质（甙、酸、多酚、多糖、萜类、黄酮、生物碱、脂类、维生素、抗生素等）。生物刺激素不包含植物必须矿物质元素、已知植物激素或抗病因子，也不直接作用于病虫害，而是通过与植物信号转导过程相互作用，从而降低逆境对植物生长的影响。同时，由于生物刺激素主要来源于生物提取的自然有机物质与没有环境毒害的无机盐，天然具备优良的环境友好性。

欧洲的生物刺激素研究一直走在世界前列。2019年，欧盟在其肥料产品法规中ZX将生物刺激素作为一个单独类别纳入其中。而欧洲的农业科学家也将的植物表型成像分析技术应用于生物刺激素的效能评估与机理研究。植物表型成像分析技术的快速、无损与环境友好性也正与生物刺激素相得益彰。

植物表型成像分析技术可分为以下4大类技术，它们在生物刺激素研究分别反映植物的不同表型变化与生理过程：

下面我们介绍部分ZX的研究成果。

1. 植物源蛋白水解物促进番茄生长与抗旱

PSI表型研究中心与意大利图西亚大学等科研单位合作，利用PlantScreen高通量植物表型成像分析平台，研究了6种植物源蛋白水解物（vegetal-derived protein hydrolysates，PHs）的生物刺激素功能。PlantScreen是一套集光照培养、称重浇灌、各种表型成像分析于一体的自动化高通量系统。研究人员通过叶绿素荧光成像、RGB彩色形态成像与红外热成像对PHs处理的番茄进行连续地表型跟踪测量。在正常生长条件下，PHs提高了番茄植株的数字生物量、相对生长速率与生长效能，但对叶绿素荧光参数则没有显著影响。在进一步的研究中，他们利用PlantScreen的自动称重浇灌功能模拟了不同程度的缺水干旱胁迫，发现PHs提高了缺水条件下番茄植株的数字生物量，同时叶绿素荧光参数Fm、ETR、qP等也表现出一定的改善。PHs浇灌则使植株的叶温更低，这表明其提高了番茄在缺水条件下的蒸腾利用效率与气孔导度。

左：培养程序示意图与自动化表型测量程序；右：缺水处理下的番茄表型成图，A侧面RGB成像、B顶部RGB成像、C顶部叶绿素荧光成像、D侧面红外热成像

2. 蛋白水解物对莴苣和番茄盐胁迫反应的作用模式差异

PSI表型研究中心继续与意大利图西亚大学、圣心天主教大学等合作，通过施加11种不同的蛋白水解物（protein hydrolysates，PH），尝试解锁其在缓解不同蔬菜作物盐胁迫上的模式差异，进一步理解生物刺激素在促进植物生长过程中的机理。经过PlantScreen高通量植物表型成像分析平台的叶绿素荧光成像、RGB彩色形态成像与红外热成像分析，总体上，PH改善了盐胁迫下两种蔬菜的生长与光合效能。为了找出每种处理的有效特征，研究人员结合代谢组数据进行了随机森林分类。结果发现，在莴苣中，评估生物刺激素模式的是生物量形态参数，它与植物激素调节有更好的应答。而在番茄中，叶绿素荧光参数结合特定的抗胁迫代谢物则是有价值的指标。对这种模式差异的理解，将有助于开发更有效的生物刺激素及其使用方法。

左：培养程序示意图与自动化表型测量程序；右：莴苣和番茄的数字生物量DM和有效光化学效率Fv'/Fm'动态曲线

3. 生物刺激素对拟南芥萌发和生长的影响与作用模式

作为模式植物的拟南芥，也常常用来研究生物刺激素的作用机理。捷克帕拉茨基大学通过PlantScreen XYZ植物表型成像分析平台研究了3种多胺和1种氨基酸对盐胁迫下拟南芥萌发和生长的影响。除了利用RGB成像分析形态学数据，研究人员还利用反射光谱原理计算了归一化绿红差值指数NGRDI、绿色指数GLI、可见光大气阻抗植被指数VARI等植被指数，用于考察拟南芥的营养状况和胁迫耐受性。结果表明，植物表型成像分析技术是生物刺激素研究和开发的有力工具，能够直接对生物刺激素的作用模式进行分类，分别是：1.促进或YZ植物生长；2.减轻胁迫；3.复合作用。

左：PlantScreen XYZ植物表型成像分析平台的拟南芥实验示意图；右：盐胁迫下生物刺激素对光谱植被指数NGRDI、GLI、VARI的影响

4. 利用叶绿素荧光成像技术确定生物刺激素提高植物抗性

如果我只是想筛选或者鉴定某种生物刺激素是否具备提高植物对某种胁迫抗性的能力，那么就必须使用大型、高通量、多功能的植物表型平台吗？其实这并不是一定必需的。叶绿素荧光成像技术本身就非常适用于各种生物/非生物胁迫鉴定、评估与抗性检测。也就是说可以使用单独的叶绿素荧光成像设备，而不是非要使用昂贵、复杂的大型植物表型平台。

保加利亚植物系统生物学与生物技术中心的科学家就研究了一种从泡叶藻中提取的生物刺激素SuperFifty（SF）。对施加百草枯（PQ）的拟南芥、辣椒和番茄，SuperFifty都有一定的保护作用。通过FluorCam叶绿素荧光成像系统检测，比起只施加百草枯的样品，同时施加百草枯和SuperFifty的样品ZD量子产额Fv/Fm与荧光衰减指数Rfd都有显著升高。这两项指标正是叶绿素荧光参数中ZN代表光系统抗性的。这表明SuperFifty确实减轻了百草枯引起的氧化胁迫对光合系统的伤害。

拟南芥、辣椒和番茄分别施加百草枯（PQ）和生物刺激素（SF），左：彩色成像图；右：ZD量子产额Fv/Fm与荧光衰减指数Rfd

参考文献：

1. Paul K, et al. 2019. A Combined Phenotypic and Metabolomic Approach for Elucidating the Biostimulant Action of a Plant-derived Protein Hydrolysate on Tomato Grown un under Limited Water Availability. Frontiers in Plant Science, 10:493

2. Paul K, et al. 2019. Understanding the Biostimulant Action of Vegetal-Derived Protein Hydrolysates by High-Throughput Plant Phenotyping and Metabolomics: A Case Study on Tomato. Frontiers in Plant Science, 10:47

3. Sorrentino M, et al. 2022. Integration of Phenomics and Metabolomics Datasets Reveals Different Mode of Action of Biostimulants Based on Protein Hydrolysates in Lactuca sativa L. and Solanum lycopersicum L. Under Salinity. Journal of Frontiers in Plant Science, 12:808711

4. Ugena L, et al. 2018. Characterization of Biostimulant Mode of Action Using Novel Multi-Trait High-Throughput Screening of Arabidopsis Germination and Rosette Growth. Front. Plant Sci. 9:1327

5. Staykov NS, et al. 2021. An Ascophyllum nodosum-Derived Biostimulant Protects Model and Crop Plants from Oxidative Stress. Metabolites 11, 24

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