植物表型叶绿素荧光成像模块在植物病理病害中的应用

植物病理学是研究植物病害的病原、发生、发展以及防治的一门应用学科。它以植物病害为研究对象，探讨发病的原因，或在解剖学、生理学或生物化学上，探讨感染和症状出现的过程。为了确立防病和治病的方法，还研究形成病原的环境条件、病原体传染途径以及病害的诊断法等，另外还研究防病的药剂对病原体或植物体的药理作用，以及包括所有与植物病害有关的广阔领域。
 

WIWAM植物表型成像系统整合了LED植物智能培养、自动化控制系统、叶绿素荧光成像模块、植物热成像模块、植物近红外成像模块、植物高光谱模块、植物多光谱模块、植物CT断层扫描模块、等多项先进技术，以较优化的方式实现大量植物样品——从拟南芥、玉米到各种其它植物的生理生态与形态结构成像分析，用于高通量植物表型成像分析测量、植物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、植物病理学、性状识别及植物生理生态分析研究等。
 

当一株健全的植物受到干扰，导致器官和组织的生理机制局部的或系统的反常植物自身表现了病状（symptom），并能从患病部位提取出的物质具有相应病原物的病征（sigh），就是发生了植物病害。干扰植物正常生理机制的因素，主要是外来的，内在的因子导致遗传性病害；外来的因子有的是非生物性的，有的是生物性的。因此，根据诱发病害因子的本质，植物病害可分为非侵染性病害和侵染性病害两大类。
 

非侵染病害

植物在长期的进化历程中，逐渐适应了各种不断变化的环境，产生了较强的适应能力。但对各类环境因素的适应能力有一定限度，如果植物所处的环境中某些物理如光照、水分、温度或化学因素如营养元素失调再货生存环境发生恶化，连续不断影响植物，其强度又较过植物忍耐限度，就会对植物的生长发育产生不利影响，扰乱正常生理和代谢活动，甚至对植物造成严重伤害，使植物在生理和外观上表现异常，产生病变。
 

侵染病害

侵染性病害是植物病原物在外界条件影响下相互斗争并导致植物生病的病害具有感染性。常见的植物病原体有真菌如黑粉病、锈病、白粉病等；卵菌如腐霉、霜霉等；原核生物以细菌为主如土壤杆菌、支原体、衣原体等；病毒如马铃薯Y病毒、黄征病毒、烟草花叶病毒等；高等植物如菟丝子、列当独脚金等；原生动物如线虫。其中以细菌、真菌、病毒、支原体和线虫诱发的病害较普遍和严重，尤以真菌性病害为较，如水稻的瘟病、小麦锈病、棉花的萎蔫病等。各种病原体的生理、生态、增殖方法和生活史以及侵染寄主的方式、途径和时期各不相同。
 

WIWAM叶绿素荧光成像模块是革新性的植物叶绿素荧光成像系统，是专门针对整个植株成像的相机系统，成像方式为远程成像，高分辨率和高速成像。生成图像提供了光合作用性能信息。该模块有两种版本: 高分辨率版本和高速版本。同时配有分析软件，可为科学研究和工业应用提供少有的解决方案。所依据的原理是基于持续激发成像荧光计，用以测量Kautsky响应曲线。采用了高能红灯来使光合作用饱和，通过使用敏感相机，在不同时间点对相应曲线成像以测量F0和Fm。依赖于所拍摄图像的有效信号/噪音比，相机积分时间是从20µs-1ms。红光灯的典型照射强度是1000-5000µmol/(m2s)。
 

科研应用方向

植物生长、活力以及品质主要依赖于其水分吸收、营养、二氧化碳以及光合作用中光的作用。光合作用中，生成了糖和淀粉。光在此过程中作用非常关键，因光吸收累积了化学能，是植物生长的能量来源。胁迫条件，如干旱，恶劣温度、病害，害虫、除草剂以及营养缺乏会降低其生长速度。

光合作用

通过测量光合作用中的光吸收利用程度，植物的监控，活力以及品质可以数字表述：光合作用效率。该数字指示了多少百分百的光转化到生长当中。植物可达到83%的光合效率。只意味着达83%的叶绿素捕获光真正用于光合作用，用于糖和淀粉生产。当光合作用不起作用时，光合效率为零，没有光被吸收用于光合作用。

叶绿素荧光

植物体内的叶绿素在光照射时发出荧光。这意味着一旦植物被红光照射，植物发射出较深颜色的红彩色。 使用镜头中的光学滤波轮，可以拍摄荧光图片。采用特殊测量程序，可从这些荧光信号计算光合效率。
 

下图为利用WIWAM叶绿素荧光成像模块拍摄的高分辨率红掌图像。使用了CF图： F0 and Fm, 计算了Fv/Fm 图像。 使用的假彩表显示了光合效率。 黑色和红色显示光合效率低 ，黄色和绿色显示高光合效率 。在Fm图中，可实现大景深（30cm）。
 

拟南芥

高分辨叶绿素荧光成像版本可用于高通量测量。1秒内对四株大型拟南芥进行拍摄。 图像分辨率为1.4Mp,将图片分到4个区，每幅图像大小为 0.35 Mp 。每小时较大处理通量可达14400株。
 

小麦白粉病感染

下图为高分辨率小麦白粉病感染图

潜伏时间为 11 天。左图，很难看出白粉病与叶片间的影响 (仅叶间有棕点）。计算的Fv/Fm 图显示叶尖大面积感染区  (红点)。叶片下端感染 Fv/Fm图 (右侧), 人眼无法分辨。
 

WIWAM叶绿素荧光成像模块应用案例
防御素对真菌作用模式
 

以百万像素分辨率对Photosystem II进行全植物成像

该叶绿素荧光成像模块以百万像素分辨率测量荧光图像，提供光系统II的Kautsky诱导曲线的0、I和P。荧光参数按像素计算并显示为图像。使用与荧光图像相同的光学布局和光学滤光片轮捕获多光谱图像。这将生成叶绿素指数（与叶绿素含量相关）、花青素指数（与花青素含量相关）、NDVI（归一化差异植被指数）、NIR和颜色的图像。
 

新型橄榄树防御素对近缘子囊真菌病原菌的抗真菌活性和作用模式
 

抗菌肽在植物的天然免疫中起着关键作用。防御素是富含半胱氨酸的抗真菌肽，具有多种作用方式。在野生和栽培的多年生橄榄树木犀的基因组序列中发现了一个新的木犀科特异性防御素基因家族。OefDef1。1是该防御素家族的一员，在体外可有效抑制子囊菌病原菌灰霉病菌和三种镰刀菌的生长。OefDef1.1快速渗透灰双歧杆菌分生孢子和生殖细胞的质膜。有趣的是，它只在胚芽中诱导活性氧物种并转移到细胞质中，而不在分生孢子中。在含有高浓度Na1+的培养基中，OefDef1.1的抗真菌活性显著降低。令人惊讶的是，嵌合的OefDef1.1含有截形苜蓿防御素γ-核心基序肽MtDef4具有耐Na1+的抗真菌活性。在磷脂-蛋白质重叠分析中，嵌合肽与其磷脂酰肌醇伙伴的结合比OefDef1.1更强。OefDef1.1在抑制烟草和莴苣叶表面灰霉病方面也比OefDef1.1更有效。在生长培养基中添加或不添加提升浓度的Na1+，四种子囊菌病原体对OefDef1.1的反应存在显著差异。密切相关的子囊菌病原体对这种防御素的不同反应对植物的工程抗病性具有重要意义。
 

关键词：防御素，抗真菌，作用方式，橄榄树，真菌病原体 
 

利用禾谷镰刀菌感染的小麦穗筛选竞争性生防细菌的一种新的植物内富集方法

这项工作介绍了一种在小麦中发现新的抗赤霉病细菌生防剂的替代工作流程。与隔离物收集的大规模测试不同，我们从不同的接种物开始，在灌浆期从田间种植的小麦穗中提取微生物组。在感染禾谷镰刀菌PH1的分离小麦穗上，产生了四个不同的微生物群落，这些微生物群落暴露在3个14天的非培养实验富集物中。我们发现，一个细菌群落在3个周期后减少了感染症状，随后选择该细菌群落通过限制稀释来分离细菌。所有94个分离株均在体外和植物试验中进行了测试，并选择了14个分离株在分离的小麦穗上进行了进一步测试。结果似乎表明，我们的富集方法导致细菌在FHB控制方面具有不同的作用模式。波斯欧文氏菌（Erwinia persicina）分离物C3的疾病严重程度（Fv/Fm）显著降低，波斯欧文氏菌（Erwinia persicina）C3和假单胞菌(Pseudomonassp.)B3的真菌生物量（cGFP）显著降低。然而，这两种治疗的真菌毒素分析显示，DON水平没有降低。尽管如此，安那提泛球菌(Pantoea ananatis)H3和H11以及波斯欧文氏杆菌(Erwinia persicina)H2能够将DON浓度降低50%以上，尽管这些影响在统计学上并不显著。最后，波斯欧文氏菌(Erwinia persicina)H2也显示出DON对植物毒性较小的DON-3G的显著更高的糖基化。据报道，通过富集循环分离的细菌属在开放栖息地发育的微生物群落中占主导地位，这表明分离的细菌可以降低禾谷镰刀菌在穗叶层上的感染压力。

关键词：小麦；禾谷镰刀菌；生物防治；病理生物群落；独立培养；微生物组工程；连续通过；实验富集；叶层
 

WIWAM叶绿素荧光成像模块是革新性的植物叶绿素荧光成像系统，是专门针对整个植株成像的相机系统，成像方式为远程成像，高分辨率和高速成像。生成图像提供了光合作用性能信息。该模块有两种版本: 高分辨率版本和高速版本。同时配有分析软件，可为科学研究和工业应用提供少有的解决方案。所依据的原理是基于持续激发成像荧光计，用以测量Kautsky响应曲线。采用了高能红灯来使光合作用饱和，通过使用敏感相机，在不同时间点对相应曲线成像以测量F0和Fm。依赖于所拍摄图像的有效信号/噪音比，相机积分时间是从20µs-1ms。红光灯的典型照射强度是1000-5000µmol/(m2s)。
 

高通量版叶绿素荧光成像系统的应用

高通量版叶绿素荧光成像系统可用于高度可控环境中进行高清多光谱成像。6Mp-16 bit相机安装在直角坐标型机器人系统上，用于监控大量幼苗以小植株（15cm）生物胁迫效应(例如，真菌病害 ) 和生物胁迫(如干旱)。基于高度自动化sensor-to-plant原理，疾病扩散或胁迫因子效应可在植物生长时进行追踪。另外，系统可进行小植株如浮萍Lemna minor或生长在多孔板中的部分进行成像。
 

系统还整合了RGB成像、叶绿素荧光、花青素、NIR以及GFP/RFP成像，系统可以多种方式对生物、非生物胁迫进行成像。另外，可咨询在LAMP组织（或紧密协作单位）内的有图像处理经验的研究者，通过这些图像科学计算相关测量参数，从而获取现象可视化植物的解读。系统安装在高度可控的环境中，可控环境参数包括温度、相对湿度以及照明光光谱特征(可达1000 8molm-2 s-1)。系统专门定制了自动浇水系统，用于植物浇水，同时可执行多个浇水方案。

真菌基因组编辑

进行表型组学以及基因编辑技术的组合研究：研究者可进行植物病害修饰或标记和有益菌研究，帮助我们以前所未有的分辨率揭示植物与微生物互作。基于同源重组技术和较先进基于Crispr技术的转化平台可在几种真菌上进行，如镰刀菌、曲霉以及枯菌。
 

生物分析和生物报告植物

例如该系统可高通量进扫描新型生物活性分子或具有除草剂或生物刺激素作用的新农业化学品。使用生物报告有机物如啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae，带人雌激素受体，浮萍Lemna minor以及拟南芥（Arabidopsis thaliana）
 

叶绿素荧光成像模块其它应用
 

硼酸和苯硼酸防治番茄早疫病
 

摘要

在当代农业中，找到一个合适的替代品来替代现有为数不多的抗真菌药物是一项至关重要的任务。因此，在全球范围内进行了深入的研究，以发现能够抑制对目前使用的抗真菌药物具有耐药性的病原体的环境友好且高效的药物。在这里，我们测试了硼酸（BA）及其衍生物苯硼酸（PBA）在控制致病真菌链格孢菌侵染番茄植株早期枯萎病症状中的活性。通过跟踪受试植物叶片上病变的外观和强度，以及测量反映植物健康的四个选定生理因素，我们已经证明BA和PBA对真菌感染都有预防作用。可通过减少早疫病症状的数量和严重程度以及防止真菌接种后发生的生理特性恶化来做到这一点。苯硼酸在抑制交替链球菌感染方面更有效。因此，我们得出结论，BA，甚至PBA，可以作为防治番茄早疫病的药剂，因为它们既有效又环保。

关键词：植物病害；抗菌作用；预防；抗真菌活性；可持续管理

轮状镰刀菌与黄曲霉的植物体内外相互作用

受夏季气温升高和热浪发生率升高的驱动，仅次于轮状镰刀菌，欧洲玉米中黄曲霉的发病率预计会增加。在目前的研究中，研究人员调查了这两个物种之间的相互作用。黄曲霉/轮状芽孢杆菌菌落生长在在单一培养基、双重培养基和混合培养基中。黄曲霉和轮状假丝酵母菌与其他物种在双重或混合培养中的生长速度明显低于在单一培养中的生长速度。在大多数情况下，双重或混合接种对真菌毒素产生负面影响。在植物体内，双重接种导致黄曲霉的病变减少，而黄曲霉的存在对黄曲霉的病变大小和毒素产生无影响。混合接种导致的病变比单一黄曲霉接种大112%，比单一轮状芽孢杆菌接种小9%。伏马菌素水平比单次接种高17%。在轮状芽孢杆菌接种前两天出现黄曲霉的情况下，轮状芽孢杆菌的病变大小比单次轮状芽孢杆菌接种小55%，伏马菌素的产生几乎被完全抑制。黄曲霉和轮状假丝酵母菌之间的相互作用是高度动态的，取决于实验条件、测量的变量以及它们在两个接种点、同时在一个接种点或一个物种在另一个接种点的现有病变中的定殖方式。