易科泰植物表型成像技術應用：生物刺激素的效能評估與機理研究

由于人口增長、氣候變化、環境污染等原因，世界糧食安全正面臨愈加嚴峻的挑戰。目前，農業生產不斷增加化學農藥、合成肥料的投入，雖然在一定程度上保證了糧食安全，但是也造成難以逆轉的環境惡化。因此，近年來新出現的生物刺激素（Biostimulant）作為一類環境友好、安全高效的新型綠色農業產品逐漸成為農業研究及商業化開發的一個新熱點。

目前被廣泛接受的生物刺激素類別包括：腐殖酸、蛋白水解物與氨基酸、海藻提取物、無機鹽類、幾丁質、殼聚糖及其衍生物、微生物菌劑、其他復合有機物質（甙、酸、多酚、多糖、萜類、黃酮、生物堿、脂類、維生素、抗生素等）。生物刺激素不包含植物必須礦物質元素、已知植物激素或抗病因子，也不直接作用于病蟲害，而是通過與植物信號轉導過程相互作用，從而降低逆境對植物生長的影響。同時，由于生物刺激素主要來源于生物提取的自然有機物質與沒有環境毒害的無機鹽，天然具備優良的環境友好性。

歐洲的生物刺激素研究一直走在前列。2019年，歐盟在其肥料產品法規中最先將生物刺激素作為一個單獨類別納入其中。而歐洲的農業科學家也最早植物表型成像分析技術應用于生物刺激素的效能評估與機理研究。植物表型成像分析技術的快速、無損與環境友好性也正與生物刺激素相得益彰。

植物表型成像分析技術可分為以下4大類技術，它們在生物刺激素研究分別反映植物的不同表型變化與生理過程：

下面我們介紹部分新的研究成果。

1. 植物源蛋白水解物促進番茄生長與抗旱

PSI表型研究中心與意大利圖西亞大學等科研單位合作，利用PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺，研究了6種植物源蛋白水解物（vegetal-derived protein hydrolysates，PHs）的生物刺激素功能。PlantScreen是一套集光照培養、稱重澆灌、各種表型成像分析于一體的自動化高通量系統。研究人員通過葉綠素熒光成像、RGB彩色形態成像與紅外熱成像對PHs處理的番茄進行連續地表型跟蹤測量。在正常生長條件下，PHs提高了番茄植株的數字生物量、相對生長速率與生長效能，但對葉綠素熒光參數則沒有顯著影響。在進一步的研究中，他們利用PlantScreen的自動稱重澆灌功能模擬了不同程度的缺水干旱脅迫，發現PHs提高了缺水條件下番茄植株的數字生物量，同時葉綠素熒光參數Fm、ETR、qP等也表現出一定的改善。PHs澆灌則使植株的葉溫更低，這表明其提高了番茄在缺水條件下的蒸騰利用效率與氣孔導度。

2. 蛋白水解物對萵苣和番茄鹽脅迫反應的作用模式差異

PSI表型研究中心繼續與意大利圖西亞大學、圣心天主教大學等合作，通過施加11種不同的蛋白水解物（protein hydrolysates，PH），嘗試解鎖其在緩解不同蔬菜作物鹽脅迫上的模式差異，進一步理解生物刺激素在促進植物生長過程中的機理。經過PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺的葉綠素熒光成像、RGB彩色形態成像與紅外熱成像分析，總體上，PH改善了鹽脅迫下兩種蔬菜的生長與光合效能。為了找出每種處理的特征，研究人員結合代謝組數據進行了隨機森林分類。結果發現，在萵苣中，評估生物刺激素模式的是生物量形態參數，它與植物激素調節有更好的應答。而在番茄中，葉綠素熒光參數結合特定的抗脅迫代謝物則是最有價值的指標。對這種模式差異的理解，將有助于開發更有效的生物刺激素及其使用方法。

3. 生物刺激素對擬南芥萌發和生長的影響與作用模式

作為模式植物的擬南芥，也常常用來研究生物刺激素的作用機理。捷克帕拉茨基大學通過PlantScreen XYZ植物表型成像分析平臺研究了3種多胺和1種氨基酸對鹽脅迫下擬南芥萌發和生長的影響。除了利用RGB成像分析形態學數據，研究人員還利用反射光譜原理計算了歸一化綠紅差值指數NGRDI、綠色指數GLI、可見光大氣阻抗植被指數VARI等植被指數，用于考察擬南芥的營養狀況和脅迫耐受性。結果表明，植物表型成像分析技術是生物刺激素研究和開發的有力工具，能夠直接對生物刺激素的作用模式進行分類，分別是：1.促進或抑制植物生長；2.減輕脅迫；3.復合作用。

4. 利用葉綠素熒光成像技術確定生物刺激素提高植物抗性

如果我只是想篩選或者鑒定某種生物刺激素是否具備提高植物對某種脅迫抗性的能力，那么就必須使用大型、高通量、多功能的植物表型平臺嗎？其實這并不是一定必需的。葉綠素熒光成像技術本身就非常適用于各種生物/非生物脅迫鑒定、評估與抗性檢測。也就是說可以使用單獨的葉綠素熒光成像設備，而不是非要使用昂貴、復雜的大型植物表型平臺。

保加利亞植物系統生物學與生物技術中心的科學家就研究了一種從泡葉藻中提取的生物刺激素SuperFifty（SF）。對施加（PQ）的擬南芥、辣椒和番茄，SuperFifty都有一定的保護作用。通過FluorCam葉綠素熒光成像系統檢測，比起只施加樣品，同時施加和SuperFifty的樣品最大量子產額Fv/Fm與熒光衰減指數Rfd都有顯著升高。這兩項指標正是葉綠素熒光參數中最能代表光系統抗性的。這表明SuperFifty確實減輕了引起的氧化脅迫對光合系統的傷害。

參考文獻：

1. Paul K, et al. 2019. A Combined Phenotypic and Metabolomic Approach for Elucidating the Biostimulant Action of a Plant-derived Protein Hydrolysate on Tomato Grown un under Limited Water Availability. Frontiers in Plant Science, 10:493

2. Paul K, et al. 2019. Understanding the Biostimulant Action of Vegetal-Derived Protein Hydrolysates by High-Throughput Plant Phenotyping and Metabolomics: A Case Study on Tomato. Frontiers in Plant Science, 10:47

3. Sorrentino M, et al. 2022. Integration of Phenomics and Metabolomics Datasets Reveals Different Mode of Action of Biostimulants Based on Protein Hydrolysates in Lactuca sativa L. and Solanum lycopersicum L. Under Salinity. Journal of Frontiers in Plant Science, 12:808711

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5. Staykov NS, et al. 2021. An Ascophyllum nodosum-Derived Biostimulant Protects Model and Crop Plants from Oxidative Stress. Metabolites 11, 24

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