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易科泰葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像技術(shù)應(yīng)用案例—土壤-植物互作
發(fā)布時(shí)間： 2025-04-14 點(diǎn)擊次數(shù)： 507次植物與土壤的相互作用包括土壤對(duì)植物生存、生長(zhǎng)和繁殖所施加的廣泛的生物、化學(xué)和物理效應(yīng)，以及植物對(duì)土壤形成、土壤物理結(jié)構(gòu)和土壤生物群活動(dòng)的相互作用。這些相互作用發(fā)生在廣泛的時(shí)間和空間尺度上。土壤生物群和土壤物理基質(zhì)的參與對(duì)植物種群和群落具有反饋效應(yīng)，也導(dǎo)致養(yǎng)分循環(huán)和動(dòng)態(tài)的變化。
葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像技術(shù)是目前植物表型研究技術(shù)中占據(jù)極其重要的地位。這兩種技術(shù)對(duì)植物活體的光合生理表型、次生代謝水平、轉(zhuǎn)基因標(biāo)記熒光蛋白等進(jìn)行無(wú)損成像與定量分析，在植物、農(nóng)業(yè)、生態(tài)科研工作中都得到了廣泛地應(yīng)用。易科泰生態(tài)技術(shù)公司積十幾年葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光測(cè)量與成像技術(shù)國(guó)際合作、技術(shù)推廣與技術(shù)服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，一方面引進(jìn)儀器技術(shù)，另一方面自主研制生產(chǎn)了不同應(yīng)用領(lǐng)域的葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像技術(shù)產(chǎn)品，包括FluorTron葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像（time-resolved）、FluorTron多光譜熒光成像、FluorTron葉綠素?zé)晒夤庾V成像等。
土壤-植物互作的相關(guān)研究中，測(cè)量特定土壤條件下植物的光合生理與表型響應(yīng)，無(wú)疑是非常重要的一環(huán)。國(guó)內(nèi)外研究者利用易科泰及合作廠家提供的葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像技術(shù)已經(jīng)在相關(guān)研究領(lǐng)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(yīng)用方向一、土壤重金屬污染與改良評(píng)估
土壤中的重金屬會(huì)從土壤進(jìn)入植物體內(nèi)，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，這些重金屬又會(huì)經(jīng)食物鏈造成生態(tài)危害與人類健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，降低土壤中重金屬毒性并減少植物中重金屬積累對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)、食品安全和人類健康至關(guān)重要。
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(fù)合水凝膠(S/K/AA)，研究其對(duì)煙草生長(zhǎng)和土壤微環(huán)境的影響。形態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)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(guò)FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)與光合儀對(duì)煙草光合能力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)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（CO2同化速率）Pn、蒸騰速率E等。研究認(rèn)為，S/K/AA水凝膠可能是通過(guò)Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)來(lái)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(nèi)生菌直接調(diào)節(jié)植物對(duì)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(xué)與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)合作研究發(fā)現(xiàn)，根際內(nèi)生菌Lysinibacillus fusiformis Cr33顯著降低了番茄植株鎘（Cd）積累。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上?/span>結(jié)果表明隨Cd濃度降低，番茄葉片光合系統(tǒng)的損傷程度也顯著降低，證明了根內(nèi)生菌對(duì)地上部的保護(hù)作用。沈陽(yáng)師范大學(xué)則利用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上褡C明了根內(nèi)生菌Burkholderia sp. GD17 在水稻對(duì)Cd脅迫應(yīng)答中，對(duì)光合系統(tǒng)具有顯著的保護(hù)性影響，減少了Cd損傷造成最大光化學(xué)效率Fv/Fm、實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSII、電子傳遞速率ETR的降低。
應(yīng)用方向二、土壤病害與寄生物早期檢測(cè)
多光譜熒光可同時(shí)對(duì)脅迫誘導(dǎo)次級(jí)代謝產(chǎn)物熒光（藍(lán)綠熒光）成像，并與葉綠素?zé)晒猓t色和遠(yuǎn)紅熒光）成像綜合分析。次生代謝物中的多酚類物質(zhì)是植物抵御病害的重要化學(xué)物質(zhì)，黃酮類物質(zhì)則與抗ROS活性氧密切相關(guān)，因此利用多光譜熒光能夠靈敏地進(jìn)行極早期病害檢測(cè)，甚至土壤病原菌及寄生物造成的根系病害都可以通過(guò)植物地上部的多光譜熒光成像進(jìn)行檢測(cè)。
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(xué)術(shù)研究委員會(huì)利用FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)及紅外熱成像技術(shù)對(duì)根系感染后的鱷梨葉片的進(jìn)行了葉綠素?zé)晒獬上瘛⒍喙庾V熒光成像和熱成像分析，發(fā)現(xiàn)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?zé)晒鈪?shù)甚至可以在癥狀發(fā)展前就指示出病害的發(fā)生。通過(guò)FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)進(jìn)行的這一研究既發(fā)現(xiàn)了根系病害對(duì)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(cè)工具。
根系寄生的列當(dāng)Orobanche cumana是油料作物向日葵生產(chǎn)中的大敵。西班牙國(guó)家研究委員會(huì)將多光譜熒光技術(shù)用于向日葵被列當(dāng)寄生的快速無(wú)損檢測(cè)。多光譜熒光成像結(jié)果表明，在列當(dāng)感染早期即可通過(guò)向日葵葉片紅色熒光F680和遠(yuǎn)紅熒光F740的增加，以及F680/F740的減少來(lái)檢測(cè)到其影響。藍(lán)綠熒光F440和F520則反應(yīng)了寄生過(guò)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(cè)提供了極大的便利。
應(yīng)用方向三、土壤生態(tài)毒性的生物標(biāo)記檢測(cè)
捷克全球變化研究所與丹麥哥本哈根大學(xué)長(zhǎng)期合作研究開發(fā)一種高通量生物標(biāo)記篩選方法，能夠快速評(píng)估土壤與環(huán)境中毒性物質(zhì)如除草劑、重金屬等對(duì)環(huán)境生態(tài)的影響。他們使用高等植物的光自養(yǎng)細(xì)胞懸液，結(jié)合FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)、FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、AlgaeTron AG230藻類培養(yǎng)箱等儀器開展了大量相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光自養(yǎng)細(xì)胞懸液結(jié)合FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)就是一種非常好的環(huán)境毒性生物標(biāo)記。
在最新的研究中，他們分別對(duì)擬南芥植株和細(xì)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(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了葉綠素?zé)晒獬上窈投喙庾V熒光成像分析。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)主成分分析，證明擬南芥細(xì)胞懸液結(jié)合葉綠素?zé)晒獬上窈投喙庾V熒光成像分析是一種非常有效的植物毒性脅迫高通量預(yù)篩系統(tǒng)。這兩種成像檢測(cè)技術(shù)分別檢測(cè)毒性物質(zhì)對(duì)光合系統(tǒng)和次生代謝的影響，使檢測(cè)結(jié)果更加全面和準(zhǔn)確。比起使用植株來(lái)進(jìn)行類似篩選，這一生物標(biāo)記系統(tǒng)在高通量數(shù)據(jù)獲取、快速脅迫檢測(cè)、高靈敏度、同質(zhì)脅迫響應(yīng)、減少培養(yǎng)空間、節(jié)省材料與毒性物質(zhì)等方面都有很大優(yōu)勢(shì)。
應(yīng)用方向四、我們能在火星種土豆嗎——土壤-植物營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)估與貧瘠土壤改良
傳統(tǒng)的土壤營(yíng)養(yǎng)元素分析方法需要對(duì)土壤及上面生長(zhǎng)的植物進(jìn)行烘干消解處理與化學(xué)分析，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還要使用大量對(duì)環(huán)境有污染的化學(xué)藥品，更重要的是難以對(duì)同一植株進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，在野外大田采樣測(cè)量也非常不方便。
浙江大學(xué)使用了三種熒光技術(shù)——OJIP快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)、脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)和多光譜熒光成像技術(shù)獲取了不同氮素處理下油菜不同生長(zhǎng)時(shí)期以及不同葉位的熒光數(shù)據(jù)。葉片氮素與植物的光合能力和葉綠素含量密切相關(guān)。OJIP與脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)獲得的相關(guān)參數(shù)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(shù)測(cè)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(jié)果準(zhǔn)確率的前提下，相比其他兩種技術(shù)，多光譜熒光成像技術(shù)有其優(yōu)勢(shì)。首先，多光譜熒光成像在葉片頂部的敏感度最高且檢測(cè)的時(shí)間也最早；其次，相較于其他葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，多光譜熒光成像技術(shù)不需要暗適應(yīng)，因此更適合用于田間冠層尺度的檢測(cè)。綜上，本研究推斷出多光譜熒光成像技術(shù)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(dá)蒙飾演的植物學(xué)家，依靠?jī)H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(xiàn)實(shí)中，我們能在火星的貧瘠土壤上種土豆嗎？ 那不勒斯費(fèi)德里科二世大學(xué)在意大利航天局支持下，開展了火星土豆培養(yǎng)模擬實(shí)驗(yàn)。火星土壤中雖然含有K、Ca、Mg、Fe等植物生長(zhǎng)必需的無(wú)機(jī)元素，但缺乏C、N、P、S等有機(jī)元素，同時(shí)也沒有足夠的土壤持水量。研究人員希望通過(guò)在模擬的火星土壤中添加綠色堆肥，改善土豆的生長(zhǎng)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(cè)了凈光合速率NP、氣孔導(dǎo)度gs、蒸騰速率E，同時(shí)利用FluorPen100手持式葉綠素?zé)晒鈨x檢測(cè)了光系統(tǒng)II最大光化學(xué)效率Fv/Fm、光系統(tǒng)II量子產(chǎn)額ΦPSII、電子傳遞速率ETR和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ。結(jié)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(shí)顯著降低了氣孔導(dǎo)度gs和蒸騰速率E。說(shuō)明堆肥處理維持了CO2固定效率，同時(shí)還降低了對(duì)水分的損耗。葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)方面，火星土堆肥提高了土豆的光系統(tǒng)II量子產(chǎn)額ΦPSII和電子傳遞速率ETR，說(shuō)明堆肥對(duì)光系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在提高了光系統(tǒng)的光能轉(zhuǎn)化效率。結(jié)合最終對(duì)塊莖的品質(zhì)檢測(cè)，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(lái)的宇航員就會(huì)借助葉綠素?zé)晒夂投喙庾V熒光技術(shù)開發(fā)的土壤改良技術(shù)，在火星實(shí)現(xiàn)土豆自由。
應(yīng)用方向五、土壤生態(tài)恢復(fù)評(píng)估
隨著礦產(chǎn)資源持續(xù)開發(fā)，相當(dāng)一部分礦區(qū)由于資源枯竭或因去產(chǎn)能關(guān)停退出，這些礦區(qū)就進(jìn)入了 “后采礦（post-mining）”階段。這個(gè)階段是對(duì)采礦遺留的土地、礦井、工業(yè)設(shè)施、建構(gòu)筑物和環(huán)境等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、整治與再利用的時(shí)期，其中對(duì)土壤進(jìn)行生態(tài)修復(fù)以恢復(fù)其自然生態(tài)功能是其中重要的環(huán)節(jié)。
德國(guó)勃蘭登堡工業(yè)大學(xué)對(duì)多個(gè)“后采礦”區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行了跟蹤研究。由于采礦區(qū)土壤貧瘠，而且可能存在重金屬、有機(jī)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(jié)皮為主。研究人員通過(guò)FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)與反射光譜成像技術(shù)結(jié)合，評(píng)估土壤的恢復(fù)過(guò)程。研究結(jié)果表明土壤生物結(jié)皮逐漸增強(qiáng)的光合活性，增加了土壤碳積累，為其他高等植物的定居創(chuàng)造條件。
除葉綠素?zé)晒馀c高光譜熒光技術(shù)外，易科泰可同時(shí)提供其他多種與土壤-植物互作相關(guān)的儀器技術(shù)，包括土壤/根系/土壤動(dòng)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(tài)模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)等多種研究應(yīng)用，可根據(jù)客戶實(shí)際需要，靈活配置技術(shù)方案。
Ø FluorTron®多功能高光譜成像分析技術(shù)
Ø FluorCam葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像系統(tǒng)
Ø RhizoTron根系高光譜成像技術(shù)
Ø Fire Fly & Mini Fly LIBS元素分析成像技術(shù)
Ø SoilLab土壤呼吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)
Ø Thermo-RGB成像技術(shù)
Ø EcoTron生態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)
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