植物病害表型组学分析（二）
自然界中的植物都会面临各种病害的侵染。病害防治更是农业生产中的重中之重。科学家们一直致力于用各种技术研究植物病害的发病机制和防治方法。在近年的新研究中，新兴的组学研究技术逐渐成为病害研究的热点。在各种组学技术中，从直观、无损、快速、简便以及农业应用推广上考虑，植物表型成像分析技术无疑是选择之一。
传统表型概念里以形态学指标为主。而现代植物表型成像分析技术已经不局限于形态学，其主要应用的成像技术如下，它们在植物病害研究分别反映植物的不同表型变化与生理过程：
技术类别 | 表型与生理过程 | 病害研究用途 | 常用参数指标 |
叶绿素荧光成像技术 | 植物光合能力、光合电子传递链、光系统热耗散等光合生理过程 | 评估病害对光合系统损伤程度与机制；由于光系统对胁迫的敏感性，是病害早期预警的技术之一 | 大光化学效率Fv/Fm、实际光化学效率QY、非光化学淬灭系数NPQ、荧光衰减率“活力指数”Rfd等 |
UV-MCF紫外激发多光谱荧光成像技术 | 植物在病斑及周边区域合成大量黄酮、多酚类次生代谢物，以防御病害的扩散 | 通过测量次生代谢物荧光，评估病害的发生程度与植物防御机制的激活 | 次生代谢物荧光F440、F520；叶绿素荧光F690、F740 |
形态成像分析技术 | 株高、株宽、叶面积、生物量、生长动态、色彩变化等形态的影响 | 评估不同条件下对植物形态的影响乃至增产效应 | 株高、叶面积及病斑面积、数字生物量等 |
多/高光谱（反射光谱）成像分析技术 | 通过反射光谱的变化定量反映植物活力、色素组成、光合作用、生化组成、氮素营养、水分含量等表型生理，对病害的影响进行间接测量。 | 病害对从健康程度、色素组成、营养状况等方面的影响，同时也配合叶绿素荧光成像技术对病害抗性进行进一步验证。 | 归一化植被指数NDVI、光化学反射指数PRI、花青素反射指数ARI、胡萝卜素反射指数CRI等 |
红外热成像技术 | 获得植物表面温度分布图及温度数据 | 通过叶片温度反映由于病害导致的叶片气孔导度变化、代谢紊乱等 | 平均温度、温度范围、水胁迫指数I |
植物病害的病原体有细菌、真菌。而植物种类又有模式植物、谷物、蔬菜、水果等。植物表型成像分析技术能够应对这些不同的研究需求吗？我们从具体的文献案例里查找答案。上一期我们介绍了抗病毒基因、蔬菜水果的叶片细菌病害相关研究案例，本期则主要介绍蔬菜、水果叶片与根系细菌、真菌病害；水稻细菌病害；病毒病害高通量表型分析等研究案例。
一、蔬菜、水果叶片与根系细菌、真菌病害表型分析
西班牙国家研究委员会（CSIC）综合利用植物表型成像技术对病害进行的相关研究已经持续了近10年。研究人员利用FluorCam叶绿素荧光成像技术、FluorCam UV-MCF多光谱荧光成像技术、热成像技术从时间和空间尺度上分别反映病原体感染对光合作用、次级代谢、气孔导度的影响。研究方向涉及多种细菌、真菌和蔬菜、水果，下面列举部分研究成果：
细菌性软腐病菌Dickeya dadantii是农业上的重要病害。这种病菌会先围绕一个萎黄环出现多个坏死斑点，进而整个感染区域坏死并逐渐扩展到周围的组织中。研究人员使用这三种技术对甜瓜叶感染Dickeya dadantii进行了成像测量，同时通过机器学习来处理这些成像技术获得的数据，建立数学算法来分类叶片感染区域，从而快速识别病害的发生。
相同的仪器技术也可用于研究真菌引起的植物叶片病害，比如由真菌Podosphaera fusc感染引起的白粉病。通过对感染白粉病的西葫芦叶片进行FluorCam UV-MCF多光谱荧光和热成像分析，发现UV-MCF多光谱荧光参数F520/F680对于识别白粉病特别灵敏。而热成像与F440成像结果则表明，白粉病对叶片气孔关闭与次生代谢物合成的影响也是非常显著的。
