2013年2月，德國(guó)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)赫爾穆特•布倫納宣布，巴伐利亞州農(nóng)業(yè)研究中心（Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft，LFL）植物表型平臺(tái)正式運(yùn)行，這意味著又一個(gè)大型植物表型平臺(tái)開(kāi)始正式運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖/LemnaTec

表型組學(xué)是一個(gè)與表型鑒定研究相關(guān)的領(lǐng)域，并結(jié)合基因（基因組）或蛋白（蛋白組）的研究來(lái)探究表型的本質(zhì)及它們之間的相互作用關(guān)系的學(xué)科。表型組又是指某一生物的全部性狀特征，不僅僅局限于農(nóng)藝性狀，還應(yīng)更加關(guān)注植株所表現(xiàn)出來(lái)的生理狀態(tài)。植物功能基因組學(xué)一項(xiàng)重要的內(nèi)容是反映基因在不同植株、不同時(shí)期、不同組織、不同生理狀態(tài)以及體外培養(yǎng)的細(xì)胞中mRNA或蛋白質(zhì)表達(dá)的差異等的轉(zhuǎn)錄水平，進(jìn)而特異性地反映基因的表達(dá)水平和抗性、組織器官形成、系統(tǒng)發(fā)育、光合作用等的關(guān)系，通過(guò)基因表達(dá)的研究可望調(diào)節(jié)與抗性、品質(zhì)、產(chǎn)量等對(duì)人類(lèi)有價(jià)值基因的表達(dá)，從而達(dá)到對(duì)生物的定向調(diào)控。

植物表型組學(xué)的研究可以從小至核苷酸序列細(xì)胞，大至組織、器官種屬群體的表型來(lái)研究分析，并且可以進(jìn)一步整合到基因組學(xué)研究中；而從系統(tǒng)生物學(xué)角度來(lái)看，從基因組到轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組以及表型組，表型組是各種組的表現(xiàn)形式。因此，植物表型組學(xué)的研究將是涉及各個(gè)方面的研究領(lǐng)域。隨著植物表型組學(xué)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的建立，研究設(shè)施硬件及軟件的開(kāi)發(fā)，科研論文的發(fā)表和成果的逐漸增多，尤其是植物表型組學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議的召開(kāi)和相關(guān)學(xué)術(shù)團(tuán)體的成立，預(yù)示著植物表型組學(xué)研究的新時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。

近幾年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家的大型企業(yè)和公眾科研機(jī)構(gòu)都投入了大量經(jīng)費(fèi)來(lái)構(gòu)建大型植物表型平臺(tái)，前者代表如杜邦/先鋒、巴斯夫、拜耳、先正達(dá)、孟山都、英美煙草、日本住友化學(xué)等，后者代表如澳大利亞植物表型組設(shè)施“植物加速器”、法國(guó)農(nóng)科院、德國(guó)萊布尼茨（Leibniz）植物遺傳和作物研究所、英國(guó)Aberystwyth大學(xué)、意大利麥塔龐特（Metapontum）植物生物技術(shù)研究所、日本理化學(xué)研究所（RIKEN）、美國(guó)唐納德丹佛植物科學(xué)中心、內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校、加拿大McGill大學(xué)等等。甚至發(fā)展中國(guó)家例如印度，也在2012年投入巨資分別在印度農(nóng)業(yè)研究理事會(huì)、印度園藝研究所、印度農(nóng)業(yè)研究所、National Initiative on Climate Resilient Agriculture建立了大型植物表型平臺(tái)。很明顯，上都已深刻認(rèn)識(shí)到植物表型平臺(tái)對(duì)于農(nóng)業(yè)育種和糧食安全的重要價(jià)值。

德國(guó)LFL的植物表型平臺(tái)由目前上*提供商業(yè)化植物表型平臺(tái)的公司——LemnaTec定制化設(shè)計(jì)生產(chǎn)并安裝調(diào)試。該系統(tǒng)作為植物表型平臺(tái)Scanalyzer 3D的第三代技術(shù)，在很多領(lǐng)域做了新的嘗試，包括育種專(zhuān)家關(guān)注的兩大技術(shù)：高光譜成像和光合熒光（ΔF/Fm’）成像。

該系統(tǒng)通過(guò)可見(jiàn)光成像可以測(cè)量植物的結(jié)構(gòu)、寬度、密度、對(duì)稱(chēng)性、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉角度、葉顏色、葉病斑、種子顏色、種子顏色面積等參數(shù)，通過(guò)近紅外成像可以分析植物的水分分布狀態(tài)、水力學(xué)研究、脅迫生理學(xué)研究等，通過(guò)根系近紅外成像分析植物根系和土柱中的水分分布情況，通過(guò)紅外成像可以進(jìn)行植物干旱脅迫研究、蒸騰研究等，通過(guò)熒光成像可以分析植物的光合生理狀態(tài)，通過(guò)高光譜成像能對(duì)植物水分生理、營(yíng)養(yǎng)生理以及病理方面進(jìn)行深入研究。由于所有植物都通過(guò)條形碼或射頻標(biāo)記，其整個(gè)生活史的的不同階段所有的表型數(shù)據(jù)都可定期進(jìn)行測(cè)量。

為了更好的模擬谷類(lèi)作物在田間的生長(zhǎng)環(huán)境，改進(jìn)土質(zhì)和植物的互作關(guān)系，實(shí)驗(yàn)盆規(guī)格特設(shè)置為400 x 400 mm，能裝高達(dá)15升的土壤，可稱(chēng)之為Micro-Field系統(tǒng)。

整個(gè)項(xiàng)目從工程的設(shè)計(jì)階段到交付使用，LemnaTec公司表現(xiàn)出了卓悅地工作效率，整個(gè)工期不到6個(gè)月。同時(shí)，在節(jié)能上，該系統(tǒng)也有令人稱(chēng)贊的表現(xiàn)，節(jié)能效率達(dá)80%以上。

整株植物包含根系部分，都能進(jìn)行3D成像，通過(guò)改進(jìn)傳輸管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)的通量能提高35%，每天可獲得多達(dá)2000株植物的植物表型和生理數(shù)據(jù)，大大提高了LFL谷物育種的效率。

圖/LemnaTec

圖/LemnaTec

【原文刊載于《澤泉快訊》第6卷第1期】