葉綠素熒光與多光譜熒光成像技術應用案例―土壤-植物互作_abio生物試劑品牌網
植物與土壤的相互作用包括土壤對植物生存、生長和繁殖所施加的廣泛的生物、化學和物理效應，以及植物對土壤形成、土壤物理結構和土壤生物群活動的相互作用。這些相互作用發生在廣泛的時間和空間尺度上。土壤生物群和土壤物理基質的參與對植物種群和群落具有反饋效應，也導致養分循環和動態的變化。
葉綠素熒光與多光譜熒光成像技術是目前植物表型研究技術中占據極其重要的地位。這兩種技術對植物活體的光合生理表型、次生代謝水平、轉基因標記熒光蛋白等進行無損成像與定量分析，在植物、農業、生態科研工作中都得到了廣泛地應用。易科泰生態技術公司積十幾年葉綠素熒光與多光譜熒光測量與成像技術國際合作、技術推廣與技術服務經驗，一方面引進國際先進儀器技術，另一方面自主研制生產了不同應用領域的葉綠素熒光與多光譜熒光成像技術產品，包括FluorTron葉綠素熒光動態成像（time-resolved）、FluorTron多光譜熒光成像、FluorTron葉綠素熒光光譜成像等。
土壤-植物互作的相關研究中，測量特定土壤條件下植物的光合生理與表型響應，無疑是非常重要的一環。國內外研究者利用易科泰及合作廠家提供的葉綠素熒光與多光譜熒光成像技術已經在相關研究領域取得了大量研究成果，下面我們介紹其中的部分重要成果：
應用方向一、土壤重金屬污染與改良評估
土壤中的重金屬會從土壤進入植物體內，影響植物的生長發育，這些重金屬又會經食物鏈造成生態危害與人類健康風險。因此，降低土壤中重金屬毒性并減少植物中重金屬積累對農業生態、食品安全和人類健康至關重要。
河南農業大學在土壤中添加了一種新型聚丙烯酸接枝淀粉和腐植酸鉀復合水凝膠(S/K/AA)，研究其對煙草生長和土壤微環境的影響。形態數據結果分析表明添加S/K/AA水凝膠可以顯著提高Cd脅迫條件下煙草生物量。通過FluorCam葉綠素熒光成像系統與光合儀對煙草光合能力進行測量，結果表明S/K/AA水凝膠同樣提高了Cd脅迫條件下煙草的光合能力，包括最小熒光Fo、光合速率（CO 2同化速率）Pn、蒸騰速率E等。研究認為，S/K/AA水凝膠可能是通過Cd吸收轉運蛋白的表達來影響Cd吸收，從而降低Cd毒性。
除了直接改良土壤外，利用根際內生菌直接調節植物對重金屬的吸收和積累也是重要的研究方向之一。安徽科技大學與南京農業大學合作研究發現，根際內生菌 Lysinibacillus fusiformis Cr33顯著降低了番茄植株鎘（Cd）積累。FluorCam葉綠素熒光成像結果表明隨Cd濃度降低，番茄葉片光合系統的損傷程度也顯著降低，證明了根內生菌對地上部的保護作用。沈陽師范大學則利用FluorCam葉綠素熒光成像證明了根內生菌 Burkholderia sp. GD17 在水稻對Cd脅迫應答中，對光合系統具有顯著的保護性影響，減少了Cd損傷造成最大光化學效率Fv/Fm、實際光化學效率ΦPSII、電子傳遞速率ETR的降低。
應用方向二、土壤病害與寄生物早期檢測
多光譜熒光可同時對脅迫誘導次級代謝產物熒光（藍綠熒光）成像，并與葉綠素熒光（紅色和遠紅熒光）成像綜合分析。次生代謝物中的多酚類物質是植物抵御病害的重要化學物質，黃酮類物質則與抗ROS活性氧密切相關，因此利用多光譜熒光能夠靈敏地進行極早期病害檢測，甚至土壤病原菌及寄生物造成的根系病害都可以通過植物地上部的多光譜熒光成像進行檢測。
白紋羽病 Rosellinia necatrix是鱷梨最重要的土壤傳播疾病之一。西班牙高等學術研究委員會利用FluorCam多光譜熒光成像技術及紅外熱成像技術對根系感染后的鱷梨葉片的進行了葉綠素熒光成像、多光譜熒光成像和熱成像分析，發現病害造成的根系功能損失，能夠同步影響葉片的光合生理、次生代謝和氣孔功能。而葉綠素熒光參數甚至可以在癥狀發展前就指示出病害的發生。通過FluorCam多光譜熒光成像技術進行的這一研究既發現了根系病害對植物整體生理功能和地上部表型的影響，也為根系病害提供了早期檢測工具。
根系寄生的列當
Orobanche cumana是油料作物向日葵生產中的大敵。西班牙國家研究委員會首次將多光譜熒光技術用于向日葵被列當寄生的快速無損檢測。多光譜熒光成像結果表明，在列當感染早期即可通過向日葵葉片紅色熒光F680和遠紅熒光F740的增加，以及F680/F740的減少來檢測到其影響。藍綠熒光F440和F520則反應了寄生過程中次生代謝水平的變化。這為向日葵育種與根系寄生早期檢測提供了極大的便利。
應用方向三、土壤生態毒性的生物標記檢測
捷克全球變化研究所與丹麥哥本哈根大學長期合作研究開發一種高通量生物標記篩選方法，能夠快速評估土壤與環境中毒性物質如除草劑、重金屬等對環境生態的影響。他們使用高等植物的光自養細胞懸液，結合FluorCam葉綠素熒光成像系統、FMT150藻類培養與在線監測系統、AlgaeTron AG230藻類培養箱等儀器開展了大量相關研究。實驗結果表明光自養細胞懸液結合FluorCam葉綠素熒光成像技術就是一種非常好的環境毒性生物標記。
在最新的研究中，他們分別對擬南芥植株和細胞懸液施加了敵草隆、草甘膦和重金屬鉻，使用FluorCam多光譜熒光成像系統對其進行了葉綠素熒光成像和多光譜熒光成像分析。數據經過主成分分析，證明擬南芥細胞懸液結合葉綠素熒光成像和多光譜熒光成像分析是一種非常有效的植物毒性脅迫高通量預篩系統。這兩種成像檢測技術分別檢測毒性物質對光合系統和次生代謝的影響，使檢測結果更加全面和準確。比起使用植株來進行類似篩選，這一生物標記系統在高通量數據獲取、快速脅迫檢測、高靈敏度、同質脅迫響應、減少培養空間、節省材料與毒性物質等方面都有很大優勢。
應用方向四、我們能在火星種土豆嗎——土壤-植物營養狀況評估與貧瘠土壤改良
傳統的土壤營養元素分析方法需要對土壤及上面生長的植物進行烘干消解處理與化學分析，不但費時費力，還要使用大量對環境有污染的化學藥品，更重要的是難以對同一植株進行跟蹤檢測，在野外大田采樣測量也非常不方便。
浙江大學使用了三種熒光技術——OJIP快速葉綠素熒光動力學技術、脈沖調制式葉綠素熒光成像技術和多光譜熒光成像技術獲取了不同氮素處理下油菜不同生長時期以及不同葉位的熒光數據。葉片氮素與植物的光合能力和葉綠素含量密切相關。OJIP與脈沖調制式葉綠素熒光技術獲得的相關參數直接反映植物的光合能力與電子傳遞鏈的生理變化。多光譜熒光技術測量的紅色熒光RF和近紅外熒光IrF則直接反映了葉綠素含量。在保證結果準確率的前提下，相比其他兩種技術，多光譜熒光成像技術有其獨特的優勢。首先，多光譜熒光成像在葉片頂部的敏感度最高且檢測的時間也最早；其次，相較于其他葉綠素熒光技術，多光譜熒光成像技術不需要暗適應，因此更適合用于田間冠層尺度的檢測。綜上，本研究推斷出多光譜熒光成像技術在油菜氮素水平的田間早期診斷中擁有較高潛力。
在科幻大片《火星救援》中，馬特·達蒙飾演的植物學家，依靠僅有的少量資源，就奇跡般地種植出了批量的“火星土豆”。
那么現實中，我們能在火星的貧瘠土壤上種土豆嗎？ 那不勒斯費德里科二世大學在意大利航天局支持下，開展了火星土豆培養模擬實驗?；鹦峭寥乐须m然含有K、Ca、Mg、Fe等植物生長必需的無機元素，但缺乏C、N、P、S等有機元素，同時也沒有足夠的土壤持水量。研究人員希望通過在模擬的火星土壤中添加綠色堆肥，改善土豆的生長狀況。研究人員利用ADC光合儀在塊莖填充期和葉片衰老期檢測了凈光合速率NP、氣孔導度gs、蒸騰速率E，同時利用FluorPen100手持式葉綠素熒光儀檢測了光系統II最大光化學效率Fv/Fm、光系統II量子產額ΦPSII、電子傳遞速率ETR和非光化學淬滅系數NPQ。結果表明，在火星土中添加堆肥，一定程度提高了凈光合速率NP，同時顯著降低了氣孔導度gs和蒸騰速率E。說明堆肥處理維持了CO 2固定效率，同時還降低了對水分的損耗。葉綠素熒光數據方面，火星土堆肥提高了土豆的光系統II量子產額ΦPSII和電子傳遞速率ETR，說明堆肥對光系統的作用主要體現在提高了光系統的光能轉化效率。結合最終對塊莖的品質檢測，這一研究證明了綠色堆肥可以很好地改善火星土的理化特性和肥力。也許未來的宇航員就會借助葉綠素熒光和多光譜熒光技術開發的土壤改良技術，在火星實現土豆自由。
應用方向五、土壤生態恢復評估
隨著礦產資源持續開發，相當一部分礦區由于資源枯竭或因去產能關停退出，這些礦區就進入了 “后采礦（post-mining）”階段。這個階段是對采礦遺留的土地、礦井、工業設施、建構筑物和環境等進行風險評估、整治與再利用的時期，其中對土壤進行生態修復以恢復其自然生態功能是其中重要的環節。
德國勃蘭登堡工業大學對多個“后采礦”區域的生態恢復進行了跟蹤研究。由于采礦區土壤貧瘠，而且可能存在重金屬、有機化合物等多種污染，因此在初期，其地表植被以地衣、苔蘚等低等植物形成的生物結皮為主。研究人員通過FluorCam葉綠素熒光成像技術與反射光譜成像技術結合，評估土壤的恢復過程。研究結果表明土壤生物結皮逐漸增強的光合活性，增加了土壤碳積累，為其他高等植物的定居創造條件。
除葉綠素熒光與高光譜熒光技術外，易科泰可同時提供其他多種與土壤-植物互作相關的儀器技術，包括土壤/根系/土壤動物呼吸與碳中和、土壤/植物元素分析、植物/根系/土壤高光譜成像、紅外熱成像、生態模擬實驗監測等多種研究應用，可根據客戶實際需要，靈活配置技術方案。
參考文獻：
葉綠素熒光與多光譜熒光成像技術是目前植物表型研究技術中占據極其重要的地位。這兩種技術對植物活體的光合生理表型、次生代謝水平、轉基因標記熒光蛋白等進行無損成像與定量分析，在植物、農業、生態科研工作中都得到了廣泛地應用。易科泰生態技術公司積十幾年葉綠素熒光與多光譜熒光測量與成像技術國際合作、技術推廣與技術服務經驗，一方面引進國際先進儀器技術，另一方面自主研制生產了不同應用領域的葉綠素熒光與多光譜熒光成像技術產品，包括FluorTron葉綠素熒光動態成像（time-resolved）、FluorTron多光譜熒光成像、FluorTron葉綠素熒光光譜成像等。
土壤-植物互作的相關研究中，測量特定土壤條件下植物的光合生理與表型響應，無疑是非常重要的一環。國內外研究者利用易科泰及合作廠家提供的葉綠素熒光與多光譜熒光成像技術已經在相關研究領域取得了大量研究成果，下面我們介紹其中的部分重要成果：
應用方向一、土壤重金屬污染與改良評估
土壤中的重金屬會從土壤進入植物體內，影響植物的生長發育，這些重金屬又會經食物鏈造成生態危害與人類健康風險。因此，降低土壤中重金屬毒性并減少植物中重金屬積累對農業生態、食品安全和人類健康至關重要。
河南農業大學在土壤中添加了一種新型聚丙烯酸接枝淀粉和腐植酸鉀復合水凝膠(S/K/AA)，研究其對煙草生長和土壤微環境的影響。形態數據結果分析表明添加S/K/AA水凝膠可以顯著提高Cd脅迫條件下煙草生物量。通過FluorCam葉綠素熒光成像系統與光合儀對煙草光合能力進行測量，結果表明S/K/AA水凝膠同樣提高了Cd脅迫條件下煙草的光合能力，包括最小熒光Fo、光合速率（CO 2同化速率）Pn、蒸騰速率E等。研究認為，S/K/AA水凝膠可能是通過Cd吸收轉運蛋白的表達來影響Cd吸收，從而降低Cd毒性。
除了直接改良土壤外，利用根際內生菌直接調節植物對重金屬的吸收和積累也是重要的研究方向之一。安徽科技大學與南京農業大學合作研究發現，根際內生菌 Lysinibacillus fusiformis Cr33顯著降低了番茄植株鎘（Cd）積累。FluorCam葉綠素熒光成像結果表明隨Cd濃度降低，番茄葉片光合系統的損傷程度也顯著降低，證明了根內生菌對地上部的保護作用。沈陽師范大學則利用FluorCam葉綠素熒光成像證明了根內生菌 Burkholderia sp. GD17 在水稻對Cd脅迫應答中，對光合系統具有顯著的保護性影響，減少了Cd損傷造成最大光化學效率Fv/Fm、實際光化學效率ΦPSII、電子傳遞速率ETR的降低。
應用方向二、土壤病害與寄生物早期檢測
多光譜熒光可同時對脅迫誘導次級代謝產物熒光（藍綠熒光）成像，并與葉綠素熒光（紅色和遠紅熒光）成像綜合分析。次生代謝物中的多酚類物質是植物抵御病害的重要化學物質，黃酮類物質則與抗ROS活性氧密切相關，因此利用多光譜熒光能夠靈敏地進行極早期病害檢測，甚至土壤病原菌及寄生物造成的根系病害都可以通過植物地上部的多光譜熒光成像進行檢測。
白紋羽病 Rosellinia necatrix是鱷梨最重要的土壤傳播疾病之一。西班牙高等學術研究委員會利用FluorCam多光譜熒光成像技術及紅外熱成像技術對根系感染后的鱷梨葉片的進行了葉綠素熒光成像、多光譜熒光成像和熱成像分析，發現病害造成的根系功能損失，能夠同步影響葉片的光合生理、次生代謝和氣孔功能。而葉綠素熒光參數甚至可以在癥狀發展前就指示出病害的發生。通過FluorCam多光譜熒光成像技術進行的這一研究既發現了根系病害對植物整體生理功能和地上部表型的影響，也為根系病害提供了早期檢測工具。
根系寄生的列當
Orobanche cumana是油料作物向日葵生產中的大敵。西班牙國家研究委員會首次將多光譜熒光技術用于向日葵被列當寄生的快速無損檢測。多光譜熒光成像結果表明，在列當感染早期即可通過向日葵葉片紅色熒光F680和遠紅熒光F740的增加，以及F680/F740的減少來檢測到其影響。藍綠熒光F440和F520則反應了寄生過程中次生代謝水平的變化。這為向日葵育種與根系寄生早期檢測提供了極大的便利。
應用方向三、土壤生態毒性的生物標記檢測
捷克全球變化研究所與丹麥哥本哈根大學長期合作研究開發一種高通量生物標記篩選方法，能夠快速評估土壤與環境中毒性物質如除草劑、重金屬等對環境生態的影響。他們使用高等植物的光自養細胞懸液，結合FluorCam葉綠素熒光成像系統、FMT150藻類培養與在線監測系統、AlgaeTron AG230藻類培養箱等儀器開展了大量相關研究。實驗結果表明光自養細胞懸液結合FluorCam葉綠素熒光成像技術就是一種非常好的環境毒性生物標記。
在最新的研究中，他們分別對擬南芥植株和細胞懸液施加了敵草隆、草甘膦和重金屬鉻，使用FluorCam多光譜熒光成像系統對其進行了葉綠素熒光成像和多光譜熒光成像分析。數據經過主成分分析，證明擬南芥細胞懸液結合葉綠素熒光成像和多光譜熒光成像分析是一種非常有效的植物毒性脅迫高通量預篩系統。這兩種成像檢測技術分別檢測毒性物質對光合系統和次生代謝的影響，使檢測結果更加全面和準確。比起使用植株來進行類似篩選，這一生物標記系統在高通量數據獲取、快速脅迫檢測、高靈敏度、同質脅迫響應、減少培養空間、節省材料與毒性物質等方面都有很大優勢。
應用方向四、我們能在火星種土豆嗎——土壤-植物營養狀況評估與貧瘠土壤改良
傳統的土壤營養元素分析方法需要對土壤及上面生長的植物進行烘干消解處理與化學分析，不但費時費力，還要使用大量對環境有污染的化學藥品，更重要的是難以對同一植株進行跟蹤檢測，在野外大田采樣測量也非常不方便。
浙江大學使用了三種熒光技術——OJIP快速葉綠素熒光動力學技術、脈沖調制式葉綠素熒光成像技術和多光譜熒光成像技術獲取了不同氮素處理下油菜不同生長時期以及不同葉位的熒光數據。葉片氮素與植物的光合能力和葉綠素含量密切相關。OJIP與脈沖調制式葉綠素熒光技術獲得的相關參數直接反映植物的光合能力與電子傳遞鏈的生理變化。多光譜熒光技術測量的紅色熒光RF和近紅外熒光IrF則直接反映了葉綠素含量。在保證結果準確率的前提下，相比其他兩種技術，多光譜熒光成像技術有其獨特的優勢。首先，多光譜熒光成像在葉片頂部的敏感度最高且檢測的時間也最早；其次，相較于其他葉綠素熒光技術，多光譜熒光成像技術不需要暗適應，因此更適合用于田間冠層尺度的檢測。綜上，本研究推斷出多光譜熒光成像技術在油菜氮素水平的田間早期診斷中擁有較高潛力。
在科幻大片《火星救援》中，馬特·達蒙飾演的植物學家，依靠僅有的少量資源，就奇跡般地種植出了批量的“火星土豆”。
那么現實中，我們能在火星的貧瘠土壤上種土豆嗎？ 那不勒斯費德里科二世大學在意大利航天局支持下，開展了火星土豆培養模擬實驗?；鹦峭寥乐须m然含有K、Ca、Mg、Fe等植物生長必需的無機元素，但缺乏C、N、P、S等有機元素，同時也沒有足夠的土壤持水量。研究人員希望通過在模擬的火星土壤中添加綠色堆肥，改善土豆的生長狀況。研究人員利用ADC光合儀在塊莖填充期和葉片衰老期檢測了凈光合速率NP、氣孔導度gs、蒸騰速率E，同時利用FluorPen100手持式葉綠素熒光儀檢測了光系統II最大光化學效率Fv/Fm、光系統II量子產額ΦPSII、電子傳遞速率ETR和非光化學淬滅系數NPQ。結果表明，在火星土中添加堆肥，一定程度提高了凈光合速率NP，同時顯著降低了氣孔導度gs和蒸騰速率E。說明堆肥處理維持了CO 2固定效率，同時還降低了對水分的損耗。葉綠素熒光數據方面，火星土堆肥提高了土豆的光系統II量子產額ΦPSII和電子傳遞速率ETR，說明堆肥對光系統的作用主要體現在提高了光系統的光能轉化效率。結合最終對塊莖的品質檢測，這一研究證明了綠色堆肥可以很好地改善火星土的理化特性和肥力。也許未來的宇航員就會借助葉綠素熒光和多光譜熒光技術開發的土壤改良技術，在火星實現土豆自由。
應用方向五、土壤生態恢復評估
隨著礦產資源持續開發，相當一部分礦區由于資源枯竭或因去產能關停退出，這些礦區就進入了 “后采礦（post-mining）”階段。這個階段是對采礦遺留的土地、礦井、工業設施、建構筑物和環境等進行風險評估、整治與再利用的時期，其中對土壤進行生態修復以恢復其自然生態功能是其中重要的環節。
德國勃蘭登堡工業大學對多個“后采礦”區域的生態恢復進行了跟蹤研究。由于采礦區土壤貧瘠，而且可能存在重金屬、有機化合物等多種污染，因此在初期，其地表植被以地衣、苔蘚等低等植物形成的生物結皮為主。研究人員通過FluorCam葉綠素熒光成像技術與反射光譜成像技術結合，評估土壤的恢復過程。研究結果表明土壤生物結皮逐漸增強的光合活性，增加了土壤碳積累，為其他高等植物的定居創造條件。
除葉綠素熒光與高光譜熒光技術外，易科泰可同時提供其他多種與土壤-植物互作相關的儀器技術，包括土壤/根系/土壤動物呼吸與碳中和、土壤/植物元素分析、植物/根系/土壤高光譜成像、紅外熱成像、生態模擬實驗監測等多種研究應用，可根據客戶實際需要，靈活配置技術方案。
- FluorTron?多功能高光譜成像分析技術
- FluorCam葉綠素熒光與多光譜熒光成像系統
- RhizoTron根系高光譜成像技術
- Fire Fly & Mini Fly LIBS元素分析成像技術
- SoilLab土壤呼吸實驗測量技術
- Thermo-RGB成像技術
- EcoTron生態模擬實驗監測技術
參考文獻：
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- Zhu L, Guo J, Sun Y, et al. Acetic acid-producing endophyte Lysinibacillus fusiformis orchestrates jasmonic acid signaling and contributes to repression of cadmium uptake in tomato plants. Frontiers in Plant Science, 2021, 12: 670216.
- 祖國薔, 胡哲, 王琪. Burkholderia sp. GD17 對水稻幼苗鎘耐受的調節. 生物技術通報, 2022, 38(4): 153-162.
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- Ortiz-Bustos CM, et al. 2016. Fluorescence Imaging in the Red and Far-Red Region during Growth of Sunflower Plantlets. Diagnosis of the Early Infection by the Parasite Orobanche cumana. Front. Plant Sci. 7:884
- Ortiz-Bustos C M, Pérez-Bueno M L, Barón M, et al. Use of blue-green fluorescence and thermal imaging in the early detection of sunflower infection by the root parasitic weed Orobanche cumana Wallr. Frontiers in plant science, 2017, 8: 833.
- Sege?ová A, et al. 2017. Stress Response Monitoring of Photoautotrophic Higher Plant Suspension Cultures by Fluorescence Imaging for High-Throughput Toxic Compound Screening. Journal of Environmental Protection 8, 678-692
- Sege?ová A, et al. 2018. Advancement of the cultivation and upscaling of photoautotrophic suspension cultures using Chenopodium rubrum as a case study. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. doi: 10.1007/s11240-018-1441-6
- Sege?ová A, et al. 2019. Noninvasive determination of toxic stress biomarkers by high-throughput screening of photoautotrophic cell suspension cultures with multicolor fluorescence imaging. Plant Methods 15:100
- Caporale A G, Paradiso R, Liuzzi G, et al. Green compost amendment improves potato plant performance on Mars regolith simulant as substrate for cultivation in space. Plant and Soil, 2023, 486(1): 217-233
- Gypser S, HerpPIch W B, Fischer T, et al. Photosynthetic characteristics and their spatial variance on biological soil crusts covering initial soils of post-mining sites in Lower Lusatia, NE Germany. Flora-Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants, 2016, 220: 103-116.
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