FluorCam多光谱荧光成像技术应用案例 --- 植物干旱响应表型研究

       植物对干旱的响应过程非常复杂，同时植物也有多样的应答机制来回避和耐受干旱胁迫并维持生长。光合系统被认为是对干旱极为敏感的，因此FluorCam叶绿素荧光成像系统从问世起就被广泛应用于植物干旱胁迫的研究。

       美国怀俄明大学将芜菁（Brassica rapa）经过干旱处理后再进行复水，以复水后无法恢复来定义干旱诱导死亡的准确时间。同时使用叶绿素荧光技术进行同步测量。最终结果表明叶绿素荧光测量即可对干旱引起的植物死亡进行定义，同时改进的植物特性描述可以用于测试和增强植物干旱死亡预测模型。他们使用了FluorCam封闭式叶绿素荧光成像系统来测量完整叶片的叶绿素荧光参数并展示植物对干旱胁迫响应的空间差异，并通过荧光数据进行植物死亡预测（Guadagno，2017）。

图1. 左：干旱处理后的芜菁；右：不同干旱处理的叶绿素荧光成像与死亡预测

但以前的研究很少关注干旱对植物次生代谢的影响，这也是因为缺乏必要的研究技术。FluorCam多光谱荧光成像技术则可以从次生代谢机制上反映植物的响应。如果再加入热成像分析和高光谱成像分析，就可以对植物干旱响应进行相当全面的植物干旱响应表型研究。目前，浙江大学、中国农科院烟草所等单位就利用FluorCam多光谱荧光成像技术率先开展了光合能力和次生代谢的干旱响应表型研究，在这方面研究中位于国际先列。

图2. 干旱胁迫的FluorCam叶绿素荧光成像和多光谱荧光成像分析，左、中：浙江大学拟南芥实验（Yao, 2018）；右：中国农科院烟草所烟草实验（Khan, 2019）

FluorCam多光谱荧光成像技术还可以与PlantScreen植物表型成像分析技术结合，进行高通量干旱表型研究。捷克Palacký大学提出了一种可重复的室内植物表型分析方法，用于研究大麦种群的水分胁迫状况和复水过程。这一方法的培养环境控制和表型测量主要都是通过PlantScreen植物表型成像分析系统完成的（Marchetti, 2019）。

图3. 大麦高通量干旱响应表型实验流程体系

 参考文献 

1. Guadagno C R, et al. 2017. Dead or alive? Using membrane failure and chlorophyll fluorescence to predict mortality from drought. Plant Physiology, DOI:10.1104/pp.16.00581

2. Khan R, et al. 2019. Transcriptome Profiling, Biochemical and Physiological Analyses Provide New Insights towards Drought Tolerance in Nicotiana tabacum L. Genes 10: 1041

3. Yao J, et al. 2018. Phenotyping of Arabidopsis drought stress response using kinetic chlorophyll fluorescence and multicolor fluorescence imaging. Front. Plant Sci. 9:603

4. Marchetti CF, et al. 2019. A Novel Image-Based Screening Method to Study Water-Deficit Response and Recovery of Barley Populations Using Canopy Dynamics Phenotyping and Simple Metabolite Profiling. Frontiers in Plant Science 10:1252