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实验要领分享｜基于图像表型剖析要领评估大麦对水淹胁迫的响应与恢复

时间：2025-11-25 作者：海洋之神590官网入口点击量：

要领泉源

Langan, P. et al. Evaluating waterlogging stress response and recovery in barley (Hordeum vulgare L.): an image-based phenotyping approach. Plant Methods 20, 146 (2024).

研究单位

爱尔兰都柏林大学
法国亚眠大学

要害仪器装备

PlantScreen温室高通量植物表型成像剖析系统

PlantScreen温室高通量植物表型成像剖析系统是植物科学研究周全、自动化、高通量的表型解决计划，，，，，，，，能够对从模式植物拟南芥到小麦、玉米等作物的全方位表型性状举行恒久、无损的监测与剖析。。。。。。

系统漫衍于天下各大洲的顶尖科研机构、大学及着名农业企业。。。。。。如荷兰植物生态表型中心/荷兰瓦格宁根大学（注：链接为专题报道，，，，，，，，下同）、德国莱布尼茨植物遗传和作物研究所（IPK）、芬兰赫尔辛基大学、澳大利亚国立大学、中国农科院生物手艺研究所、中国水稻所等全球着名的农业学府和顶级研究机构，，，，，，，，以及杜邦先锋、孟山都、巴斯夫等农业巨头公司。。。。。。

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左图：爱尔兰都柏林大学Sónia Negrão教授与学生合影，，，，，，，，死后为2020年新装置的PlantScreen温室高通量植物表型成像剖析系统前。。。。。。右图：法国亚眠大学分子生物学区域资源中心与温室平台主任Laurent GUTIERREZ接受采访，，，，，，，，向外界先容该校焦点科研平台——PlantScreen温室高通量植物表型成像剖析系统。。。。。。照片中的两位教授均为此次分享论文的作者之一。。。。。。

研究配景

随着天气转变，，，，，，，，许多地区的降雨频率增添，，，，，，，，水淹胁迫成为影响大麦产量的一个主要限制因素。。。。。。水淹胁迫对作物产量的影响因作物种类、管理步伐、遗传多样性以及胁迫条件而异。。。。。。水淹会导致土壤中氧气缺乏，，，，，，，，从而影响植物的生长和发育。。。。。。大麦是全球第四着述物，，，，，，，，对水淹胁迫较为敏感。。。。。。以往的研究中，，，，，，，，水淹胁迫的处置惩罚要领和一连时间各不相同，，，，，，，，这使得差别研究之间的效果难以较量。。。。。。因此，，，，，，，，本研究旨在通过图像表型剖析要领，，，，，，，，确定一个最佳的模拟水淹胁迫的一连时间和设置，，，，，，，，以便在控制条件下评估大麦的水淹耐受性。。。。。。

研究目的

本研究的主要目的是确定一个最佳的水淹胁迫实验计划，，，，，，，，以便在控制条件下评估大麦的水淹耐受性，，，，，，，，同时通过图像表型剖析要领来量化水淹胁迫对大麦生长和绿色度的影响。。。。。。

研究要领

实验设计

实验分为两个部分，，，，，，，，划分在爱尔兰都柏林大学和法国亚眠大学举行。。。。。。选取了四种两行春大麦品种，，，，，，，，包括两种商业品种（RGT Planet和Concerto）和两种古板品种（Glasnevin no.5和Golden Promise）。。。。。。实验1在都柏林大学举行，，，，，，，，测试了两种品种（RGT Planet与Glasnevin no.5）、六种差别的水淹胁迫一连时间和恢复时间组合，，，，，，，，包括5天、10天和14天的胁迫，，，，，，，，以及有无7天恢复期。。。。。。实验2在法国亚眠大学举行，，，，，，，，验证了实验1中选定的最佳计划（14天胁迫加7天恢复）的可重复性，，，，，，，，并增添了两种品种和样本数目（重复数目从5个增添至10个）。。。。。。

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图1 实验1中六种实验处置惩罚的示意图

每种处置惩罚（P1–P6）均对两个基因型（RGT Planet 与 Glasnevin no.5）设置5个重复，，，，，，，，按图中所示的水淹时间（橙色）与恢复时间（绿色）举行处置惩罚；；；；；；；另设一律数目、植株巨细一致的比照，，，，，，，，坚持正常浇水，，，，，，，，接纳裂区设计（以水分处置惩罚为主区、品种为副区）。。。。。。所有植株在破损性取样前逐日举行图像收罗。。。。。。

胁迫处置惩罚

在三叶期（即Zadoks 13）对大麦施加水淹胁迫，，，，，，，，通过将花盆置于一个密封排水孔的外盆中，，，，，，，，使水位坚持在土壤外貌以上约1厘米处，，，，，，，，对应于约莫120%的田间持水量。。。。。。比照组的花盆排水孔未密封，，，，，，，，坚持在约莫60%的田间持水量。。。。。。在实验2中，，，，，，，，水位坚持在约莫140%的田间持水量，，，，，，，，比照组坚持在约莫100%的田间持水量。。。。。。差别水分处置惩罚通过PlantScreen™高精度自动浇灌系统逐日08:30监测并调控，，，，，，，，系统以目的重量为基准实现定量补水。。。。。。

图像表型剖析

使用PlantScreen™成像平台，，，，，，，，天天从顶部和侧面拍摄RGB图像，，，，，，，，以量化水淹胁迫对生长和绿色度的心理影响。。。。。。通过图像剖析软件PlantScreen™ Analyzer盘算地上部投影面积（PSA，，，，，，，，侧视与俯视支解像素之和），，，，，，，，以评估植物的生长情形。。。。。。别的，，，，，，，，在实验2中，，，，，，，，还举行了FluorCam动态叶绿素荧光成像，，，，，，，，以评估植物的光合性能。。。。。。

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图2 大麦水淹胁迫表型成像装备展示

A、B为都柏林大学实验1的俯视与侧视示意图，，，，，，，，胁迫第4天使用PlantScreen™系统收罗的 RGT Planet品种的图像；；；；；；；绿色线标示单株支解区域，，，，，，，，图中蓝色支架用于避免叶片越界。。。。。。C、D、E为亚眠大学实验2 的俯视与 0°、90°双侧视设置，，，，，，，，绿色线对应RGB成像室单次拍摄的支解界线，，，，，，，，示例为第14天比照植株。。。。。。每次浇灌与拍摄后，，，，，，，，所有作育盆均返回生长室内预设牢靠位置。。。。。。

根系成像和破损性表型剖析

在实验1的每个处置惩罚竣事时，，，，，，，，对根系举行手工洗濯，，，，，，，，并纪录根长和干质量。。。。。。使用EPSON平板扫描仪和RhizoVision Explorer软件获取根系参数，，，，，，，，包括长度、体积、直径和外貌积。。。。。。在成像最后一天，，，，，，，，测定地上部茎长、鲜重与干重。。。。。。实验2中，，，，，，，，在成像最后一天测定了地上部干重。。。。。。

研究效果

最佳胁迫计划简直定

实验效果显示，，，，，，，，随着水淹胁迫时间的延伸，，，，，，，，植物生长的减缓越发显着，，，，，，，，并且这种影响在恢复期仍然一连。。。。。。在实验1中，，，，，，，，只有14天的胁迫（P5和P6）显示出比照组和水淹组之间现实干质量的显著差别（图3右E和F）。。。。。。特殊是包括7天恢复期的最优点理（P6）在收获时干质量的转变最为显著，，，，，，，，且通过地上部投影面积PSA（指示地上部生物量）最能清晰区分基因型间的耐受差别（图3左F），，，，，，，，因此被选为后续实验的最佳处置惩罚计划。。。。。。

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图3（左）实验1中Glasnevin no.5与RGT Planet两品种在水淹与比照条件下的地上部投影面积PSA（n = 5）。。。。。。橙色区段为胁迫一连期，，，，，，，，绿色区段为恢复期；；；；；；；PSA为侧视与俯视支解像素之和。。。。。。A–F划分对应处置惩罚P1–P6。。。。。。

图3（右）六种处置惩罚下大麦地上部干重（g）箱线图

A–F划分对应处置惩罚P1–P6。。。。。。

水淹对大麦生物量和光合性能的影响

在实验2中，，，，，，，，四种大麦品种在水淹胁迫下的生物量显著镌汰，，，，，，，，与比照组相比，，，，，，，，水淹组的干质量镌汰了约73%至81%。。。。。。通过图像剖析，，，，，，，，视察到水淹胁迫下植物的PSA显著降低，，，，，，，，批注生长受到抑制（图4A）。。。。。。

叶绿素荧光成像显示，，，，，，，，在胁迫时代，，，，，，，，所有品种的Fv/Fm值（最大光化学效率）都有所降低，，，，，，，，但在恢复期有所回升。。。。。。特殊是Golden Promise品种在整个实验历程中Fv/Fm值的降低幅度最小�。。。。。�，，，，，，，显示出其对水淹胁迫的耐受性（图4B）。。。。。。

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图4 水淹胁迫对春大麦生长及光合性能的影响

A：四个基因型大麦在水淹与比照条件下的地上部投影面积（n = 10）。。。。。。橙色区段为胁迫期，，，，，，，，绿色区段为恢复期；；；；；；；PSA为双侧视与俯视支解像素之和

B：四个基因型大麦在水淹与比照条件下的平均Fv/Fm值（n = 10）。。。。。。橙色区段为胁迫期，，，，，，，，绿色区段为恢复期

绿色度转变剖析

通过对图像中的绿色度举行剖析，，，，，，，，发明水淹胁迫导致某些特定色调的像素数目爆发转变。。。。。。详细来说，，，，，，，，较深的绿色调（Hue 2、3和4）在水淹植物中变得不那么显着，，，，，，，，而较浅的绿色调（Hue 7、8、9和10）以及最深的色调（Hue 1）在水淹胁迫下有所增添。。。。。。这些转变在胁迫时代最为显著，，，，，，，，并在恢复期逐渐恢复正常（图5）。。。。。。因此，，，，，，，，差别基因型大麦在水淹胁迫下叶片绿色色调的组成和动态转变保存显著差别，，，，，，，，可作为快速、无损的耐淹性诊断指标。。。。。。

图5 差别基因型大麦在水淹胁迫下绿色色调品貌随时间的转变

（A–D）比照条件下4种基因型大麦的体现；；；；；；；（E–H）响应基因型在胁迫条件下的体现。。。。。。红色竖线标示胁迫竣事与恢复期最先。。。。。。图中给出各色调的RGB值与十六进制色码。。。。。。

研究结论

本研究通过图像表型剖析要领，，，，，，，，确定了一个最佳的水淹胁迫实验计划（14天胁迫加7天恢复），，，，，，，，该计划能够显著区分差别大麦品种对水淹胁迫的响应。。。。。。研究效果批注，，，，，，，，水淹胁迫显著降低了大麦的生物量和光合性能，，，，，，，，并且通过绿色度剖析可以视察到植物对胁迫的顺应和恢复能力。。。。。。别的，，，，，，，，本研究还强调了在胁迫后包括恢复期的主要性，，，，，，，，由于这有助于视察植物在胁迫后的生长恢复情形。。。。。。通过高通量图像表型剖析，，，，，，，，本研究提供了一种新的、可重复的评估大麦早期水淹耐受性的要领，，，，，，，，有助于更准确地量化与水淹胁迫相关的标记，，，，，，，，如绿色度、Fv/Fm和PSA。。。。。。

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