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作物抗逆育種領域的“科技與狠活” ：高通量植物表型＋分子組學
發布時間： 2026-01-29 點擊次數： 86次在氣候變化加劇、糧食安全受嚴峻挑戰背景下，作物抗逆育種與脅迫響應機制研究是農業科學核心議題。傳統研究存在局限，要么僅宏觀觀察表型，難觸及分子調控本質；要么聚焦單一組學微觀解析，缺與實際表型動態關聯，難破解復合脅迫復雜調控網絡。PlantScreen高通量植物表型系統和多組學技術的聯合應用，正逐漸成為抗逆育種研究領域里關鍵的技術手段。該系統借助表型數據，捕捉植物對外界脅迫的宏觀響應，運用多組學解析分子調控機制，迅速建立表型 - 組學的對應關系，揭示作物脅迫響應的多水平調控邏輯，為抗逆品種培育提供了高通量、高精度的技術支持。
馬鈴薯作為四大主糧，雖兼具水分和空間利用效率優勢，卻對多重脅迫極為敏感，單一或復合脅迫可導致減產甚至絕收。一項由德國、荷蘭、英國、捷克等7國科研團隊的聯合研究在《Plant Physiology》發表重磅成果——借助PlantScreen™高通量表型平臺的動態監測能力，結合轉錄組、蛋白質組、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合非生物脅迫的全維度響應機制。
動態表型監測：PlantScreen捕獲脅迫響應的“實時軌跡"
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，實現了每日無侵入式數據采集。
從形態學特征來看，PlantScreen精準捕捉到不同脅迫下的獨特表型信號：高溫脅迫導致馬鈴薯葉片上卷（避熱形態建成），水澇處理1天內即引發葉片偏上生長并伴隨生長停滯，而高溫+干旱復合脅迫下，植株體積、冠層面積的衰減速率顯著高于單一脅迫。這些動態變化數據，為后續區分“脅迫起始點"“響應峰值期"“恢復關鍵期"提供了直接依據。
在生理功能監測上，PlantScreen的葉綠素熒光成像技術精準量化了光合系統II（PSII）的運行效率（QY_Lss）和開放反應中心比例（qL_Lss），發現水澇脅迫3天后PSII效率顯著下降，而高溫脅迫對光合系統的損傷具有持續性，即使脅迫解除也難以恢復至對照水平。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閉導致ΔT升高，高溫時氣孔開放散熱則使ΔT降低，這些生理表型數據為解讀激素和代謝物變化提供了關鍵線索。
值得一提的是，PlantScreen的自動化數據采集能力保障了實驗的高通量與重復性。6組處理、36株表型監測植株，每日生成的68項形態-生理變量，通過平臺自帶的PlantScreen™ Analyzer軟件自動提取，為后續與多組學數據的整合奠定了堅實基礎。
表型-組學聯動：PlantScreen解鎖分子機制的“解碼鑰匙"
如果說多組學數據是解析脅迫響應的“分子密碼本"，那么PlantScreen獲取的表型數據就是的“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熒光效率、冠層面積、ΔT、植株緊湊度、水分消耗），與轉錄組的14個標記基因、蛋白質組的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，實現了“表型變化-分子響應"的精準對應。
研究發現，水澇脅迫下PlantScreen監測到的氣孔快速關閉，與激素組中ABA及其降解產物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——這一發現依賴于表型數據捕捉到的“瞬時響應"與激素組學的“時序變化"的聯動分析。而高溫+干旱復合脅迫下，PlantScreen記錄到的植株體積驟減變化，對應著代謝組中組氨酸、支鏈氨基酸的大量積累，以及蛋白質組中熱休克蛋白（HSP70、HSP90）的富集，揭示了復合脅迫通過“代謝重構+蛋白保護"應對脅迫的協同機制。
更重要的是，PlantScreen捕獲的動態表型數據，糾正了傳統“靜態采樣"的局限。例如，單一干旱脅迫下，植株在脅迫第7天出現ΔT顯著升高，此時轉錄組中P5CS（脯氨酸合成關鍵基因）和RD29B（干旱標記基因）才達到表達峰值，而PlantScreen的每日監測明確了“表型變化先于分子響應"的時間差，為理解脅迫適應的調控時序提供了直接證據。
育種應用潛力：PlantScreen加速抗逆品種培育的“轉化橋梁"
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方案——而PlantScreen正是連接基礎研究與育種應用的“轉化橋梁"。本研究通過PlantScreen表型數據與多組學數據的整合，篩選出一批與關鍵表型強關聯的分子標記：如與光合效率維持相關的HSP70基因、與水分利用效率關聯的DPA代謝物、與塊莖產量保護相關的SP6A基因。
這些標記的篩選，依賴于PlantScreen對“目標表型"的精準量化——例如，通過平臺監測到的“脅迫后恢復能力"這一關鍵表型，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模種質資源的快速篩選，相較于傳統表型鑒定效率提升數十倍，為抗逆品種的快速培育提供了技術支撐。
PlantScreen作物脅迫研究進入“表型-組學"整合時代
這項跨國研究充分證明，PlantScreen高通量表型平臺不僅是表型數據的“采集器"，更是多組學研究的“核心錨點"。其自動化、多維度、動態監測的優勢，解決了傳統研究中表型與分子數據脫節的痛點，實現了“形態-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"轉向“復合脅迫"，從“靜態分析"轉向“動態追蹤"。PlantScreen平臺的應用，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研究提供了可復制的技術方案。未來，隨著表型組學與多組學整合技術的不斷成熟，PlantScreen將持續賦能抗逆育種，助力培育更多氣候適應性強、產量穩定的作物品種，為糧食安全筑牢技術屏障。
北京易科泰攜手PSI表型研究中心，先后在國內安裝運行多臺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，目前裝機近百臺?？蛻艉w幾乎所有遺傳育種表型研究機構或公司（北京易科泰PlantScreen國內外用戶名錄），如國際水稻研究所、瓦格寧根大學及巴斯夫、杜邦先鋒等農業，在高通量植物表型分析領域處于市場地位。
杜邦先鋒：PlantScreen表型成像分析系統用于玉米育種
德國IPK：大型PlantScreen植物表型成像平臺
荷蘭瓦格寧根大學：PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統
澳大利亞悉尼科技大學：PlantScreen藻類表型成像分析系統
匈牙利生物科學研究中心： PlantScreen 植物根系表型成像分析系統
北京易科泰PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺鏈接
1. Zagor??ak 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.