R E S E A R C H T R E N D S 科研動態(tài)

澤泉快訊 50

對鮮食葡萄和釀酒葡萄起源長達數(shù)百年的爭議；

4、構建幾乎覆蓋所有栽培葡萄遺傳資源高精度親緣關系譜系圖，可以實現(xiàn)葡萄品種的定向育種和設計育種；

5、發(fā)現(xiàn)了大量的葡萄人工馴化形狀控制基因，特別是找到了釀酒葡萄和鮮食葡萄人工馴化的差異基因，為葡萄功

能基因組學研究和育種提供素材；

6、在此研究基礎上，結合人類活動、歷史氣候變遷等因素，繪制了葡萄起源和人工馴化、改良的全景圖。

上述研究解決了葡萄研究領域的諸多爭議，我國是世界鮮食葡萄的重要產(chǎn)區(qū)，云南是我國重要的早熟鮮食葡萄產(chǎn)

區(qū)，但葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展卻因“種業(yè)”問題受制于人。立足該成果對葡萄的經(jīng)濟性狀控制基因的全面解析，可建立葡萄

基因組輔助育種技術，在短期內突破葡萄種業(yè)難題，為我國葡萄產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展保駕護航。

綜上所述，該研究通過大量測序、全基因組關聯(lián)分析等技術手段解釋了葡萄的馴化起源，對葡萄育種有著里程碑

式的意義。

Dong Y, Duan S, Xia Q,?et al.?Dual domestications and origin of traits in grapevine evolution[J].?Science,?2023, 379(6635): 892-901.

Allaby RG.?Two domestications for grapes[J].?Science,?2023, 379(6635): 880-881.

參考文獻

栽培葡萄起源、馴化、擴散全景圖

R E S E A R C H T R E N D S 科研動態(tài)

澤泉快訊 50

對鮮食葡萄和釀酒葡萄起源長達數(shù)百年的爭議；

4、構建幾乎覆蓋所有栽培葡萄遺傳資源高精度親緣關系譜系圖，可以實現(xiàn)葡萄品種的定向育種和設計育種；

5、發(fā)現(xiàn)了大量的葡萄人工馴化形狀控制基因，特別是找到了釀酒葡萄和鮮食葡萄人工馴化的差異基因，為葡萄功

能基因組學研究和育種提供素材；

6、在此研究基礎上，結合人類活動、歷史氣候變遷等因素，繪制了葡萄起源和人工馴化、改良的全景圖。

上述研究解決了葡萄研究領域的諸多爭議，我國是世界鮮食葡萄的重要產(chǎn)區(qū)，云南是我國重要的早熟鮮食葡萄產(chǎn)

區(qū)，但葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展卻因“種業(yè)”問題受制于人。立足該成果對葡萄的經(jīng)濟性狀控制基因的全面解析，可建立葡萄

基因組輔助育種技術，在短期內突破葡萄種業(yè)難題，為我國葡萄產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展保駕護航。

綜上所述，該研究通過大量測序、全基因組關聯(lián)分析等技術手段解釋了葡萄的馴化起源，對葡萄育種有著里程碑

式的意義。

Dong Y, Duan S, Xia Q,?et al.?Dual domestications and origin of traits in grapevine evolution[J].?Science,?2023, 379(6635): 892-901.

Allaby RG.?Two domestications for grapes[J].?Science,?2023, 379(6635): 880-881.

參考文獻

栽培葡萄起源、馴化、擴散全景圖

科研動態(tài) R E S E A RCH T R E NDS

51 澤泉快訊

隨著根系研究的不斷深入，現(xiàn)已認識到不能簡單使用一維的葉片經(jīng)濟譜來描述/推測根系經(jīng)濟譜。近年來，普遍接

受根系經(jīng)濟譜（根系經(jīng)濟空間）存在正交的保守維度（conservation gradient）和合作維度（collaborative gradient），眾多研究也試圖將觀測的根系功能屬性納入此概念框架。

相比葉片生理功能屬性，根系生理功能屬性研究相對滯后。就植物吸收磷而言，植物可采取多種策略適應低磷生

境，比如，根系可合成和釋放胞外磷酸酶，催化磷酸酯釋放無機磷，進而提高植物磷獲?。豢赏ㄟ^共生真菌從土壤

中吸收磷。因此，菌根真菌侵染率和根系磷酸酶活性間是否存在內在的聯(lián)系和權衡？值得關注。

最近，西北工業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院郝占慶教授團隊，以秦嶺南坡皇冠森林動態(tài)樣地的21種共存物種（16 AM物種

+5 ECM物種）為研究對象，探究了根系磷酸酶活性在根序級間的變化規(guī)律及其與根系功能屬性（形態(tài)類和化學組

成類根系功能屬性共計10個）、葉片和土壤養(yǎng)分含量的相關關系。結果發(fā)現(xiàn)，1）吸收根不同根序級間的根系磷酸

酶活性不存在明顯的變異規(guī)律，表明根系磷酸酶活性在系統(tǒng)發(fā)育上相對保守；2）根系磷酸酶活性與競爭型功能屬

性（SRL和N）間顯著正相關，表明動態(tài)樣地中的共存物種的根系磷酸酶活性可能是競爭型功能屬性；3）根系磷酸

酶活性、菌根真菌侵染率、根直徑、比根長和根氮濃度間存在緊密相關，表明共存物種的磷獲取策略間存在權衡

關系。基于上述發(fā)現(xiàn)認為，多樣的磷獲取策略可用于探究森林物種共存機制。

該項研究結果以“Root phosphatase activity is a competitive trait affiliated with the conservation gradient in

root economic space”為題發(fā)表于Forest Ecosystems。

文/高巧

根系磷酸酶

是一種競爭型根系功能屬性

圖1 根系功能屬性相關性的概念框架（Bergmann?et al., 2020） 圖2 植物經(jīng)濟譜的整合概念框架（Weigelt?et al., 2021）

科研動態(tài) R E S E A RCH T R E NDS

51 澤泉快訊

隨著根系研究的不斷深入，現(xiàn)已認識到不能簡單使用一維的葉片經(jīng)濟譜來描述/推測根系經(jīng)濟譜。近年來，普遍接

受根系經(jīng)濟譜（根系經(jīng)濟空間）存在正交的保守維度（conservation gradient）和合作維度（collaborative gradient），眾多研究也試圖將觀測的根系功能屬性納入此概念框架。

相比葉片生理功能屬性，根系生理功能屬性研究相對滯后。就植物吸收磷而言，植物可采取多種策略適應低磷生

境，比如，根系可合成和釋放胞外磷酸酶，催化磷酸酯釋放無機磷，進而提高植物磷獲??；可通過共生真菌從土壤

中吸收磷。因此，菌根真菌侵染率和根系磷酸酶活性間是否存在內在的聯(lián)系和權衡？值得關注。

最近，西北工業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院郝占慶教授團隊，以秦嶺南坡皇冠森林動態(tài)樣地的21種共存物種（16 AM物種

+5 ECM物種）為研究對象，探究了根系磷酸酶活性在根序級間的變化規(guī)律及其與根系功能屬性（形態(tài)類和化學組

成類根系功能屬性共計10個）、葉片和土壤養(yǎng)分含量的相關關系。結果發(fā)現(xiàn)，1）吸收根不同根序級間的根系磷酸

酶活性不存在明顯的變異規(guī)律，表明根系磷酸酶活性在系統(tǒng)發(fā)育上相對保守；2）根系磷酸酶活性與競爭型功能屬

性（SRL和N）間顯著正相關，表明動態(tài)樣地中的共存物種的根系磷酸酶活性可能是競爭型功能屬性；3）根系磷酸

酶活性、菌根真菌侵染率、根直徑、比根長和根氮濃度間存在緊密相關，表明共存物種的磷獲取策略間存在權衡

關系?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)認為，多樣的磷獲取策略可用于探究森林物種共存機制。

該項研究結果以“Root phosphatase activity is a competitive trait affiliated with the conservation gradient in

root economic space”為題發(fā)表于Forest Ecosystems。

文/高巧

根系磷酸酶

是一種競爭型根系功能屬性

圖1 根系功能屬性相關性的概念框架（Bergmann?et al., 2020） 圖2 植物經(jīng)濟譜的整合概念框架（Weigelt?et al., 2021）

R E S E A R C H T R E N D S 科研動態(tài)

澤泉快訊 52

圖3 前3級根的磷酸酶活性（a）和植物系統(tǒng)發(fā)育對10個植物功能屬性的影響（b）

R E S E A R C H T R E N D S 科研動態(tài)

澤泉快訊 52

圖3 前3級根的磷酸酶活性（a）和植物系統(tǒng)發(fā)育對10個植物功能屬性的影響（b）

科研動態(tài) R E S E A RCH T R E NDS

53 澤泉快訊

圖4 21個共存物種的10個根系功能屬性在（a）系統(tǒng)獨立對比水平和（b）物種水平的配對相關矩陣

圖5 21種共生物種根系磷獲取策略間的權衡

Bi BY, Yin QL, Hao ZQ.?Root phosphatase activity is a competitive trait affiliated with the conservation gradient in root economic

space[J].?Forest Ecosystems,?2023, 10: 100111.?

參考文獻

科研動態(tài) R E S E A RCH T R E NDS

53 澤泉快訊

圖4 21個共存物種的10個根系功能屬性在（a）系統(tǒng)獨立對比水平和（b）物種水平的配對相關矩陣

圖5 21種共生物種根系磷獲取策略間的權衡

Bi BY, Yin QL, Hao ZQ.?Root phosphatase activity is a competitive trait affiliated with the conservation gradient in root economic

space[J].?Forest Ecosystems,?2023, 10: 100111.?

參考文獻

I N D U S T R Y DY N A M I C S 行業(yè)動態(tài)

澤泉快訊 54

洛桑研究所的公園草地實驗

SM150T 傳感器安裝深度 20cm

洛桑研究所是全球運營時間悠長的農(nóng)業(yè)研究機構。他們的

“公園草地實驗”開始于 1856 年，并仍在發(fā)展壯大。該實驗

研究不同類型的礦物肥料和有機肥料對用于收割干草的混

播草坪的產(chǎn)出、植物成分和質量的影響。

最近，該研究團隊一直渴望通過監(jiān)測對比田中的土壤含水量

來展示實驗對土壤水文的影響。為此，他們總共選擇了 12 塊

經(jīng)過處理的田塊，這些田塊施用了一系列無機化肥和有機化

肥，其中四塊進行了石灰處理（以保持特定的土壤 pH值）。

在 12 塊田中，每塊田里均水平安裝三臺 Delta‐T 的 SM150T

土壤濕度傳感器，安裝深度為 20 cm，電纜通過導管連回三

臺 GP2 數(shù)據(jù)記錄儀。

傳感器于 2020 年 2 月完成安裝，記錄儀即刻起每分鐘詢問

一次傳感器，并每小時記錄一次平均、最高和最低土壤含水

量，再上傳至Delta‐T的線上數(shù)據(jù)平臺：DeltaLINK‐Cloud。

通過這種方法，洛桑研究所的團隊可以隨時在智能移動設備

上遠程查看實時測量結果。該數(shù)據(jù)與任意子田里的每臺

SM150T 傳感器的結果良好吻合。

該團隊使用了由 Delta‐T 的儀器收集的數(shù)據(jù)，探索土壤含水

量和土壤化學/微生物特性之間的關系。

文/郭峰

Delta-T 土壤濕度傳感器

七個簡要的應用案例

洛桑研究所：應用于重大長期實驗中的 SM150T 傳感器

I N D U S T R Y DY N A M I C S 行業(yè)動態(tài)

澤泉快訊 54

洛桑研究所的公園草地實驗

SM150T 傳感器安裝深度 20cm

洛桑研究所是全球運營時間悠長的農(nóng)業(yè)研究機構。他們的

“公園草地實驗”開始于 1856 年，并仍在發(fā)展壯大。該實驗

研究不同類型的礦物肥料和有機肥料對用于收割干草的混

播草坪的產(chǎn)出、植物成分和質量的影響。

最近，該研究團隊一直渴望通過監(jiān)測對比田中的土壤含水量

來展示實驗對土壤水文的影響。為此，他們總共選擇了 12 塊

經(jīng)過處理的田塊，這些田塊施用了一系列無機化肥和有機化

肥，其中四塊進行了石灰處理（以保持特定的土壤 pH值）。

在 12 塊田中，每塊田里均水平安裝三臺 Delta‐T 的 SM150T

土壤濕度傳感器，安裝深度為 20 cm，電纜通過導管連回三

臺 GP2 數(shù)據(jù)記錄儀。

傳感器于 2020 年 2 月完成安裝，記錄儀即刻起每分鐘詢問

一次傳感器，并每小時記錄一次平均、最高和最低土壤含水

量，再上傳至Delta‐T的線上數(shù)據(jù)平臺：DeltaLINK‐Cloud。

通過這種方法，洛桑研究所的團隊可以隨時在智能移動設備

上遠程查看實時測量結果。該數(shù)據(jù)與任意子田里的每臺

SM150T 傳感器的結果良好吻合。

該團隊使用了由 Delta‐T 的儀器收集的數(shù)據(jù)，探索土壤含水

量和土壤化學/微生物特性之間的關系。

文/郭峰

Delta-T 土壤濕度傳感器

七個簡要的應用案例

洛桑研究所：應用于重大長期實驗中的 SM150T 傳感器

臺種植草莓的商業(yè)農(nóng)場之一（20 世紀 90 年代末）。

自 2008 年以來，他們一直使用 Delta‐T WET 套件（包括 WET‐2 傳感器和HH2 讀取裝置）監(jiān)控生長條件，每周可獲

取數(shù)千次讀數(shù)。

農(nóng)場經(jīng)理 Nick Deppe 監(jiān)管整片農(nóng)場內 WET 傳感器的使用情況，并解釋了如何以及為何使用該設備：“WET 傳感

器可快速且輕松地測量基質的濕度和電導率。這些變量是確保我們的水果始終足夠健康的關鍵要素。我每周與一

位農(nóng)學家會面一次，我們?yōu)槊糠N水果基質設置 7 天的濕度百分比水平和電導率百分比水平目標。然后，我會制作一

張表格，可以將當前水平填入表格（每天），并與商定的目標水平做出比較。這個方法可以讓我們持續(xù)監(jiān)測濕度和電

導率情況，達到我們的目標值，并且在很短的時間內解決任何不足 — 這對樹莓等水果來說十分關鍵，因為樹莓在

次優(yōu)生長條件下幾小時就會變質。”

臺種植草莓的商業(yè)農(nóng)場之一（20 世紀 90 年代末）。

自 2008 年以來，他們一直使用 Delta‐T WET 套件（包括 WET‐2 傳感器和HH2 讀取裝置）監(jiān)控生長條件，每周可獲

取數(shù)千次讀數(shù)。

農(nóng)場經(jīng)理 Nick Deppe 監(jiān)管整片農(nóng)場內 WET 傳感器的使用情況，并解釋了如何以及為何使用該設備：“WET 傳感

器可快速且輕松地測量基質的濕度和電導率。這些變量是確保我們的水果始終足夠健康的關鍵要素。我每周與一

位農(nóng)學家會面一次，我們?yōu)槊糠N水果基質設置 7 天的濕度百分比水平和電導率百分比水平目標。然后，我會制作一

張表格，可以將當前水平填入表格（每天），并與商定的目標水平做出比較。這個方法可以讓我們持續(xù)監(jiān)測濕度和電

導率情況，達到我們的目標值，并且在很短的時間內解決任何不足 — 這對樹莓等水果來說十分關鍵，因為樹莓在

次優(yōu)生長條件下幾小時就會變質?！?/p>

臺種植草莓的商業(yè)農(nóng)場之一（20 世紀 90 年代末）。

自 2008 年以來，他們一直使用 Delta‐T WET 套件（包括 WET‐2 傳感器和HH2 讀取裝置）監(jiān)控生長條件，每周可獲

取數(shù)千次讀數(shù)。

農(nóng)場經(jīng)理 Nick Deppe 監(jiān)管整片農(nóng)場內 WET 傳感器的使用情況，并解釋了如何以及為何使用該設備：“WET 傳感

器可快速且輕松地測量基質的濕度和電導率。這些變量是確保我們的水果始終足夠健康的關鍵要素。我每周與一

位農(nóng)學家會面一次，我們?yōu)槊糠N水果基質設置 7 天的濕度百分比水平和電導率百分比水平目標。然后，我會制作一

張表格，可以將當前水平填入表格（每天），并與商定的目標水平做出比較。這個方法可以讓我們持續(xù)監(jiān)測濕度和電

導率情況，達到我們的目標值，并且在很短的時間內解決任何不足 — 這對樹莓等水果來說十分關鍵，因為樹莓在

次優(yōu)生長條件下幾小時就會變質?！?/p>

臺種植草莓的商業(yè)農(nóng)場之一（20 世紀 90 年代末）。

自 2008 年以來，他們一直使用 Delta‐T WET 套件（包括 WET‐2 傳感器和HH2 讀取裝置）監(jiān)控生長條件，每周可獲

取數(shù)千次讀數(shù)。

農(nóng)場經(jīng)理 Nick Deppe 監(jiān)管整片農(nóng)場內 WET 傳感器的使用情況，并解釋了如何以及為何使用該設備：“WET 傳感

器可快速且輕松地測量基質的濕度和電導率。這些變量是確保我們的水果始終足夠健康的關鍵要素。我每周與一

位農(nóng)學家會面一次，我們?yōu)槊糠N水果基質設置 7 天的濕度百分比水平和電導率百分比水平目標。然后，我會制作一

張表格，可以將當前水平填入表格（每天），并與商定的目標水平做出比較。這個方法可以讓我們持續(xù)監(jiān)測濕度和電

導率情況，達到我們的目標值，并且在很短的時間內解決任何不足 — 這對樹莓等水果來說十分關鍵，因為樹莓在

次優(yōu)生長條件下幾小時就會變質?！?/p>

臺種植草莓的商業(yè)農(nóng)場之一（20 世紀 90 年代末）。

自 2008 年以來，他們一直使用 Delta‐T WET 套件（包括 WET‐2 傳感器和HH2 讀取裝置）監(jiān)控生長條件，每周可獲

取數(shù)千次讀數(shù)。

農(nóng)場經(jīng)理 Nick Deppe 監(jiān)管整片農(nóng)場內 WET 傳感器的使用情況，并解釋了如何以及為何使用該設備：“WET 傳感

器可快速且輕松地測量基質的濕度和電導率。這些變量是確保我們的水果始終足夠健康的關鍵要素。我每周與一

位農(nóng)學家會面一次，我們?yōu)槊糠N水果基質設置 7 天的濕度百分比水平和電導率百分比水平目標。然后，我會制作一

張表格，可以將當前水平填入表格（每天），并與商定的目標水平做出比較。這個方法可以讓我們持續(xù)監(jiān)測濕度和電

導率情況，達到我們的目標值，并且在很短的時間內解決任何不足 — 這對樹莓等水果來說十分關鍵，因為樹莓在

次優(yōu)生長條件下幾小時就會變質?！?/p>

行業(yè)動態(tài) INDUSTRY DYNAMICS

55 澤泉快訊

SBR 是土耳其主要的水果生產(chǎn)商，成立于 1990 年，在土耳

其的梅爾辛錫利夫凱地區(qū)經(jīng)營。這家公司使用尖端技術，專

攻漿果種植。SBR 擁有遼闊的種植園區(qū)，水培草莓溫室面積

達 400,000 平方米，剩下的 50,000 平方米的用于種植其它

漿果。

SBR 的員工自 2018 年以來一直使用 Delta‐T 的 WET 傳感器

（搭配手持式讀數(shù)儀使用），每天多次測量植物根系周圍的

土壤濕度和孔隙水 EC（電導率），從而幫助其管理水培草莓

種植。

SBR 的作物管理人員使用這些測量結果來微調施肥，從而使每種作物保持理想的水分和營養(yǎng)水平。

SBR 使用 WET 傳感器數(shù)據(jù)是為了降低不必要的用水（泵送）成本以及減少昂貴肥料的使用量、浪費和流失，同時

提升作物產(chǎn)量和水果品質。

SBR 的 Mehmet ?zmen 表示：“傳感器和讀數(shù)儀的便攜性使我們可以在檢查作物時隨身·攜帶它們，此外，它們還

可多次校準，這意味著無論生長介質如何，我們都始終可以獲得真實可信的讀數(shù)。我們每天多次獲取讀數(shù)，WET‐2

傳感器的電導率和濕度數(shù)據(jù)讓我們可以調整灌溉和施肥水平，從而達到理想的土壤和基質條件?！?/p>

土耳其SBR農(nóng)產(chǎn)品：使用WET-2多參數(shù)傳感器，優(yōu)化生長條

件、水果產(chǎn)量和水果品質

耶拿實驗由德國研究基金會 (DFG) 資助，是一個專注生物多

樣性的長期研究項目。該大型項目自 2002 年開展，現(xiàn)已吸

納超 100 位科學家。該研究旨在發(fā)現(xiàn)哪些機制會影響生態(tài)

系統(tǒng)的功能并使其穩(wěn)定。

該實驗在德國耶拿的一塊 10 公頃的土地上進行，包括約

600 塊人工拼接的草地。

所有田塊各不相同，有些單播，其他則混播最多 60 種青草、草本植物或豆科作物。有些田塊還做了遮蓋，用來模擬

干旱等極端氣候。

耶拿實驗的研究發(fā)現(xiàn)，植物物種豐富度提高后，植物產(chǎn)量也隨之增加。這意味著在多樣性更高的草地上會產(chǎn)生更

高的生物量。

耶拿實驗：在多次生物多樣性/生態(tài)系統(tǒng)功能研究實驗中使

用PR2剖面探頭

SBR 員工在梅爾辛錫利夫凱的園區(qū)內

通過便攜設備測量基底濕度、溫度和電導率

行業(yè)動態(tài) INDUSTRY DYNAMICS

55 澤泉快訊

SBR 是土耳其主要的水果生產(chǎn)商，成立于 1990 年，在土耳

其的梅爾辛錫利夫凱地區(qū)經(jīng)營。這家公司使用尖端技術，專

攻漿果種植。SBR 擁有遼闊的種植園區(qū)，水培草莓溫室面積

達 400,000 平方米，剩下的 50,000 平方米的用于種植其它

漿果。

SBR 的員工自 2018 年以來一直使用 Delta‐T 的 WET 傳感器

（搭配手持式讀數(shù)儀使用），每天多次測量植物根系周圍的

土壤濕度和孔隙水 EC（電導率），從而幫助其管理水培草莓

種植。

SBR 的作物管理人員使用這些測量結果來微調施肥，從而使每種作物保持理想的水分和營養(yǎng)水平。

SBR 使用 WET 傳感器數(shù)據(jù)是為了降低不必要的用水（泵送）成本以及減少昂貴肥料的使用量、浪費和流失，同時

提升作物產(chǎn)量和水果品質。

SBR 的 Mehmet ?zmen 表示：“傳感器和讀數(shù)儀的便攜性使我們可以在檢查作物時隨身·攜帶它們，此外，它們還

可多次校準，這意味著無論生長介質如何，我們都始終可以獲得真實可信的讀數(shù)。我們每天多次獲取讀數(shù)，WET‐2

傳感器的電導率和濕度數(shù)據(jù)讓我們可以調整灌溉和施肥水平，從而達到理想的土壤和基質條件。”

土耳其SBR農(nóng)產(chǎn)品：使用WET-2多參數(shù)傳感器，優(yōu)化生長條

件、水果產(chǎn)量和水果品質

耶拿實驗由德國研究基金會 (DFG) 資助，是一個專注生物多

樣性的長期研究項目。該大型項目自 2002 年開展，現(xiàn)已吸

納超 100 位科學家。該研究旨在發(fā)現(xiàn)哪些機制會影響生態(tài)

系統(tǒng)的功能并使其穩(wěn)定。

該實驗在德國耶拿的一塊 10 公頃的土地上進行，包括約

600 塊人工拼接的草地。

所有田塊各不相同，有些單播，其他則混播最多 60 種青草、草本植物或豆科作物。有些田塊還做了遮蓋，用來模擬

干旱等極端氣候。

耶拿實驗的研究發(fā)現(xiàn)，植物物種豐富度提高后，植物產(chǎn)量也隨之增加。這意味著在多樣性更高的草地上會產(chǎn)生更

高的生物量。

耶拿實驗：在多次生物多樣性/生態(tài)系統(tǒng)功能研究實驗中使

用PR2剖面探頭

SBR 員工在梅爾辛錫利夫凱的園區(qū)內

通過便攜設備測量基底濕度、溫度和電導率

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

I N D U S T R Y DY N A M I C S 行業(yè)動態(tài)

澤泉快訊 56

幾乎在整個項目的長期開展過程中，PR2 剖面探測儀一直都

是耶拿實驗傳感器網(wǎng)絡的重要部分。

耶拿實驗的科學協(xié)調人 Anne Ebeling 博士解釋道：“在我

們的研究中，土壤濕度是多個過程的重要參數(shù)，尤其是表層

土以下的土壤濕度。因此，我們多年來一直使用 PR2 剖面探

頭測量地下一米深度的濕度剖面。PR2 可測量耶拿園區(qū)內共

計 240 塊實驗田不同深度的土壤濕度。春天和夏天每周獲

取一次讀數(shù)，秋天和冬天則每兩周一次?！?/p>

位于耶拿的研究用地

包含 600 塊各不相同的人工拼接草地

Nick Deppe 介紹他的團隊如果使用 WET 傳感器

作為由創(chuàng)新英國 (Innovate UK) 資助的一個為期 18 個月的項

目的一部分，克蘭菲爾德大學的研究人員一直與英國和哥倫

比亞的合作伙伴合作，幫助提高馬格達萊納地區(qū)香蕉生產(chǎn)商

的生產(chǎn)力。

該項目的其中一個主要難題一直是收集本地相關的土壤、農(nóng)

業(yè)氣候和作物信息，用以支持開發(fā)強大的灌溉規(guī)劃工具，而

Delta‐T 的參與對這個環(huán)節(jié)尤為重要。

來自克蘭菲爾德大學克蘭菲爾德水文科學研究院的Jerr y

Knox 教授解釋了 Delta‐T 的設備和技術支持在項目中會起

到什么重要作用：“我們和 Delta‐T 一起在哥倫比亞圣瑪爾

塔區(qū)域內選出的幾個管理良好的種植園的不同深度下安裝

了兩排SM150T 土壤濕度傳感器。我們還安裝了一座 Delta‐T

WS‐GP2 自動氣象站，用以提供輸入數(shù)據(jù)來驅動我們的灌溉

模型—因為這片區(qū)域內的農(nóng)業(yè)氣候記錄有限。Delta‐T 套件

有一流的水平，自我們安裝好設備以來從未出錯。我們現(xiàn)在

計劃在項目結束后把 SM150T 傳感器留在原位，用以繼續(xù)加

深我們對香蕉作物下的土壤水分通量的了解?！?/p>

克蘭菲爾德大學：使用SM150T幫助哥倫比亞的小農(nóng)業(yè)經(jīng)營

者改善香蕉灌溉管理并提高產(chǎn)量

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

英國Clock House農(nóng)場：使用便攜式WET套件，幫助確保

大型漿果作物的理想健康狀態(tài)

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

I N D U S T R Y DY N A M I C S 行業(yè)動態(tài)

澤泉快訊 56

幾乎在整個項目的長期開展過程中，PR2 剖面探測儀一直都

是耶拿實驗傳感器網(wǎng)絡的重要部分。

耶拿實驗的科學協(xié)調人 Anne Ebeling 博士解釋道：“在我

們的研究中，土壤濕度是多個過程的重要參數(shù)，尤其是表層

土以下的土壤濕度。因此，我們多年來一直使用 PR2 剖面探

頭測量地下一米深度的濕度剖面。PR2 可測量耶拿園區(qū)內共

計 240 塊實驗田不同深度的土壤濕度。春天和夏天每周獲

取一次讀數(shù)，秋天和冬天則每兩周一次?！?/p>

位于耶拿的研究用地

包含 600 塊各不相同的人工拼接草地

Nick Deppe 介紹他的團隊如果使用 WET 傳感器

作為由創(chuàng)新英國 (Innovate UK) 資助的一個為期 18 個月的項

目的一部分，克蘭菲爾德大學的研究人員一直與英國和哥倫

比亞的合作伙伴合作，幫助提高馬格達萊納地區(qū)香蕉生產(chǎn)商

的生產(chǎn)力。

該項目的其中一個主要難題一直是收集本地相關的土壤、農(nóng)

業(yè)氣候和作物信息，用以支持開發(fā)強大的灌溉規(guī)劃工具，而

Delta‐T 的參與對這個環(huán)節(jié)尤為重要。

來自克蘭菲爾德大學克蘭菲爾德水文科學研究院的Jerr y

Knox 教授解釋了 Delta‐T 的設備和技術支持在項目中會起

到什么重要作用：“我們和 Delta‐T 一起在哥倫比亞圣瑪爾

塔區(qū)域內選出的幾個管理良好的種植園的不同深度下安裝

了兩排SM150T 土壤濕度傳感器。我們還安裝了一座 Delta‐T

WS‐GP2 自動氣象站，用以提供輸入數(shù)據(jù)來驅動我們的灌溉

模型—因為這片區(qū)域內的農(nóng)業(yè)氣候記錄有限。Delta‐T 套件

有一流的水平，自我們安裝好設備以來從未出錯。我們現(xiàn)在

計劃在項目結束后把 SM150T 傳感器留在原位，用以繼續(xù)加

深我們對香蕉作物下的土壤水分通量的了解?！?/p>

克蘭菲爾德大學：使用SM150T幫助哥倫比亞的小農(nóng)業(yè)經(jīng)營

者改善香蕉灌溉管理并提高產(chǎn)量

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

英國Clock House農(nóng)場：使用便攜式WET套件，幫助確保

大型漿果作物的理想健康狀態(tài)

行業(yè)動態(tài) INDUSTRY DYNAMICS

57 澤泉快訊

臺種植草莓的商業(yè)農(nóng)場之一（20 世紀 90 年代末）。

自 2008 年以來，他們一直使用 Delta‐T WET 套件（包括 WET‐2 傳感器和HH2 讀取裝置）監(jiān)控生長條件，每周可獲

取數(shù)千次讀數(shù)。

農(nóng)場經(jīng)理 Nick Deppe 監(jiān)管整片農(nóng)場內 WET 傳感器的使用情況，并解釋了如何以及為何使用該設備：“WET 傳感

器可快速且輕松地測量基質的濕度和電導率。這些變量是確保我們的水果始終足夠健康的關鍵要素。我每周與一

位農(nóng)學家會面一次，我們?yōu)槊糠N水果基質設置 7 天的濕度百分比水平和電導率百分比水平目標。然后，我會制作一

張表格，可以將當前水平填入表格（每天），并與商定的目標水平做出比較。這個方法可以讓我們持續(xù)監(jiān)測濕度和電

導率情況，達到我們的目標值，并且在很短的時間內解決任何不足 — 這對樹莓等水果來說十分關鍵，因為樹莓在

次優(yōu)生長條件下幾小時就會變質?！?/p>

Margaret Bradshaw 博士 (MBE)

David Oatway 博士

蒂斯河谷獨特的稀有特殊植物群正處于危機之中。近來的調

查表明，自 20 世紀 70 年代以來，植物物種的平均衰退率超

過 50%，28 個物種目前瀕危（部分原因是入侵性莎草和燈

芯草的大量入侵）。

96 歲的 Margaret Bradshaw 博士（大英帝國員佐勛章獲得

者 ，MBE）是著名的植物學家，專門從事植物保護工作。她創(chuàng)

辦的慈善組織“蒂斯河谷特殊植物群研究與保護信托基金”

旨在扭轉這種衰退。

David Oatway 博士最近與該信托基金簽約，以更好了解在

這具有特殊科學意義的重要基地中發(fā)揮作用的生態(tài)過程。

Widdybank Fell 是蒂斯河谷中最重要的珍稀植物產(chǎn)地之

一。此處的水文條件被認為是導致一些不受歡迎的植物群

破壞性涌入的關鍵因素。據(jù)認為，出現(xiàn)這種情況的原因是通

過淤泥流出的水流減少（草地越長越密的結果），導致地表

水酸度增加，而這種條件更適合破壞性“涌入”植物的生

長。

在 2021 年，一條自然閉合的古老排水溝被重新挖開，用以增

加淤泥流水（這是一個特定于具體場地的非常規(guī)實驗過

程）。手工挖掘這條排水溝時發(fā)現(xiàn)，冰磧層上有一層 10‐12

cm 的原始腐殖質層，而原始腐殖質也被認為有利于喜酸植

物的生長，而喜酸植物會搶占極地植物、高山植物和山地植

蒂斯河谷特殊植物群研究與保護信托基金：使用WET150

土壤傳感器進行瀕危植物物種恢復研究

臺種植草莓的商業(yè)農(nóng)場之一（20 世紀 90 年代末）。

自 2008 年以來，他們一直使用 Delta‐T WET 套件（包括 WET‐2 傳感器和HH2 讀取裝置）監(jiān)控生長條件，每周可獲

取數(shù)千次讀數(shù)。

農(nóng)場經(jīng)理 Nick Deppe 監(jiān)管整片農(nóng)場內 WET 傳感器的使用情況，并解釋了如何以及為何使用該設備：“WET 傳感

器可快速且輕松地測量基質的濕度和電導率。這些變量是確保我們的水果始終足夠健康的關鍵要素。我每周與一

位農(nóng)學家會面一次，我們?yōu)槊糠N水果基質設置 7 天的濕度百分比水平和電導率百分比水平目標。然后，我會制作一

張表格，可以將當前水平填入表格（每天），并與商定的目標水平做出比較。這個方法可以讓我們持續(xù)監(jiān)測濕度和電

導率情況，達到我們的目標值，并且在很短的時間內解決任何不足 — 這對樹莓等水果來說十分關鍵，因為樹莓在

次優(yōu)生長條件下幾小時就會變質?！?/p>

行業(yè)動態(tài) INDUSTRY DYNAMICS

57 澤泉快訊

臺種植草莓的商業(yè)農(nóng)場之一（20 世紀 90 年代末）。

自 2008 年以來，他們一直使用 Delta‐T WET 套件（包括 WET‐2 傳感器和HH2 讀取裝置）監(jiān)控生長條件，每周可獲

取數(shù)千次讀數(shù)。

農(nóng)場經(jīng)理 Nick Deppe 監(jiān)管整片農(nóng)場內 WET 傳感器的使用情況，并解釋了如何以及為何使用該設備：“WET 傳感

器可快速且輕松地測量基質的濕度和電導率。這些變量是確保我們的水果始終足夠健康的關鍵要素。我每周與一

位農(nóng)學家會面一次，我們?yōu)槊糠N水果基質設置 7 天的濕度百分比水平和電導率百分比水平目標。然后，我會制作一

張表格，可以將當前水平填入表格（每天），并與商定的目標水平做出比較。這個方法可以讓我們持續(xù)監(jiān)測濕度和電

導率情況，達到我們的目標值，并且在很短的時間內解決任何不足 — 這對樹莓等水果來說十分關鍵，因為樹莓在

次優(yōu)生長條件下幾小時就會變質?！?/p>

Margaret Bradshaw 博士 (MBE)

David Oatway 博士

蒂斯河谷獨特的稀有特殊植物群正處于危機之中。近來的調

查表明，自 20 世紀 70 年代以來，植物物種的平均衰退率超

過 50%，28 個物種目前瀕危（部分原因是入侵性莎草和燈

芯草的大量入侵）。

96 歲的 Margaret Bradshaw 博士（大英帝國員佐勛章獲得

者 ，MBE）是著名的植物學家，專門從事植物保護工作。她創(chuàng)

辦的慈善組織“蒂斯河谷特殊植物群研究與保護信托基金”

旨在扭轉這種衰退。

David Oatway 博士最近與該信托基金簽約，以更好了解在

這具有特殊科學意義的重要基地中發(fā)揮作用的生態(tài)過程。

Widdybank Fell 是蒂斯河谷中最重要的珍稀植物產(chǎn)地之

一。此處的水文條件被認為是導致一些不受歡迎的植物群

破壞性涌入的關鍵因素。據(jù)認為，出現(xiàn)這種情況的原因是通

過淤泥流出的水流減少（草地越長越密的結果），導致地表

水酸度增加，而這種條件更適合破壞性“涌入”植物的生

長。

在 2021 年，一條自然閉合的古老排水溝被重新挖開，用以增

加淤泥流水（這是一個特定于具體場地的非常規(guī)實驗過

程）。手工挖掘這條排水溝時發(fā)現(xiàn)，冰磧層上有一層 10‐12

cm 的原始腐殖質層，而原始腐殖質也被認為有利于喜酸植

物的生長，而喜酸植物會搶占極地植物、高山植物和山地植

蒂斯河谷特殊植物群研究與保護信托基金：使用WET150

土壤傳感器進行瀕危植物物種恢復研究

I N D U S T R Y DY N A M I C S 行業(yè)動態(tài)

澤泉快訊 58

物的生存空間，使其更加稀少。

Oatway 博士進一步解釋道：“我正在使用 WET150 傳感器檢查新挖開的排水溝表面和地下的土壤含水量的差

異，以及更普遍的鈣質淤泥中的含水量，從而了解這些差異是否與植被組成的變化有關。我也在研究 pH 水平，因

為我們懷疑流經(jīng)淤泥時間越長的水流酸度會越高，從而影響某些植物的生長?！?/p>

David 從在 Widdybank Fell 使用 WET150 傳感器和套件的過程中獲得了積極的結果。他說：“我從這個項目開始

就很清楚，我需要一臺特別善于在高濕度水平下作出良好區(qū)分的土壤傳感器。在現(xiàn)場全面測試了 WET150 之后，

我想說，在記錄潮濕的鈣質淤泥環(huán)境中的含水率這一方面，它非常有效。我了解現(xiàn)場的地貌，我敢說利用 WET150

的輸出數(shù)據(jù)創(chuàng)建的可視化數(shù)據(jù)資料真的非常讓人振奮?！?/p>

位于肯特郡的 NIAB EMR 的節(jié)水技術 (WET) 中心是一片遼闊的研究和示范園區(qū)，具有用于軟果行業(yè)的創(chuàng)新種植技

術和智能灌溉系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品。

自 2017 年 WET 中心成立以來，Delta‐T 一直是其行業(yè)合作伙伴，并為其研究項目和（商用）灌溉系統(tǒng)提供土壤傳

感器和數(shù)據(jù)記錄儀。

WET 中心開發(fā)的灌溉技術不斷發(fā)展，并取得了越來越引人注目的成果。2020 年，一級草莓的產(chǎn)量當量高達 72 噸/

公頃（明顯高于前一年）。對比歷史產(chǎn)量，2011‐2013 年行業(yè)平均可銷售草莓產(chǎn)量為 45 噸/公頃。

WET 中心的智能灌溉系統(tǒng)同時大幅提升了用水效率，種植一噸水果的用水量為 37.5 m3

‐ 44 m3

。相比之下，

2011‐2013 年行業(yè)平均用水量在 49 m3

‐ 108 m3 之間。以上數(shù)據(jù)明確展示了技術進步改善了這些關鍵指標。

英國東茂林研究所：使用 SM150T 和 ML3 ThetaProbe 土壤傳感器，幫NIAB EMR 的 WET 中心打破產(chǎn)量記錄

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

I N D U S T R Y DY N A M I C S 行業(yè)動態(tài)

澤泉快訊 58

物的生存空間，使其更加稀少。

Oatway 博士進一步解釋道：“我正在使用 WET150 傳感器檢查新挖開的排水溝表面和地下的土壤含水量的差

異，以及更普遍的鈣質淤泥中的含水量，從而了解這些差異是否與植被組成的變化有關。我也在研究 pH 水平，因

為我們懷疑流經(jīng)淤泥時間越長的水流酸度會越高，從而影響某些植物的生長?！?/p>

David 從在 Widdybank Fell 使用 WET150 傳感器和套件的過程中獲得了積極的結果。他說：“我從這個項目開始

就很清楚，我需要一臺特別善于在高濕度水平下作出良好區(qū)分的土壤傳感器。在現(xiàn)場全面測試了 WET150 之后，

我想說，在記錄潮濕的鈣質淤泥環(huán)境中的含水率這一方面，它非常有效。我了解現(xiàn)場的地貌，我敢說利用 WET150

的輸出數(shù)據(jù)創(chuàng)建的可視化數(shù)據(jù)資料真的非常讓人振奮。”

位于肯特郡的 NIAB EMR 的節(jié)水技術 (WET) 中心是一片遼闊的研究和示范園區(qū)，具有用于軟果行業(yè)的創(chuàng)新種植技

術和智能灌溉系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品。

自 2017 年 WET 中心成立以來，Delta‐T 一直是其行業(yè)合作伙伴，并為其研究項目和（商用）灌溉系統(tǒng)提供土壤傳

感器和數(shù)據(jù)記錄儀。

WET 中心開發(fā)的灌溉技術不斷發(fā)展，并取得了越來越引人注目的成果。2020 年，一級草莓的產(chǎn)量當量高達 72 噸/

公頃（明顯高于前一年）。對比歷史產(chǎn)量，2011‐2013 年行業(yè)平均可銷售草莓產(chǎn)量為 45 噸/公頃。

WET 中心的智能灌溉系統(tǒng)同時大幅提升了用水效率，種植一噸水果的用水量為 37.5 m3

‐ 44 m3

。相比之下，

2011‐2013 年行業(yè)平均用水量在 49 m3

‐ 108 m3 之間。以上數(shù)據(jù)明確展示了技術進步改善了這些關鍵指標。

英國東茂林研究所：使用 SM150T 和 ML3 ThetaProbe 土壤傳感器，幫NIAB EMR 的 WET 中心打破產(chǎn)量記錄

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

Clock House 農(nóng)場坐落在梅德斯通以南幾英里的肯特郡起

伏的山丘上。該農(nóng)場十分廣闊，占地面積達250 英畝，種植了

多種水果，包括草莓、覆盆子和黑莓。

Clock House 農(nóng)場是著名的園藝創(chuàng)新農(nóng)場，也是較早采用架

行業(yè)動態(tài) INDUSTRY DYNAMICS

59 澤泉快訊

用于實現(xiàn)這些重大成果的尖端技術圍繞 NIAB EMR 團隊的重要研究不斷發(fā)展，該團隊由 Mark Else 博士領導，他

們使用多種 Delta‐T 的儀器，包括 QS5 PAR 量子傳感器、SM150T 和 ML3 ThetaProbe 土壤傳感器、GP1 數(shù)據(jù)記錄

儀和 GP2 高級數(shù)據(jù)記錄儀和控制器。

該團隊在小型塑料棚中進行了控制生長環(huán)境的初步研究（目的是提高水果品質/產(chǎn)量和減少水資源浪費）。然而，

WET 中心讓研究者們有機會展示他們的技術在“現(xiàn)實世界”環(huán)境中同樣有效，現(xiàn)實世界即指擁有實驗臺配置的典

型大型商業(yè)農(nóng)場的塑料大棚條件。

NIAB EMR 團隊的研究重點是使用自動化灌溉控制系統(tǒng)，盡量減少人為干預。可編程的 GP2 數(shù)據(jù)記錄儀可以讓

NIAB EMR 團隊針對單獨的實驗灌溉管理制度設置不同的控制算法，并且測量和比較每種方法的效果。

這種試驗方法可以讓他們準確確定關鍵的植物逆境反應點，并確定在草莓植株在整個生命周期中生長基質的理想

含水量水平。使用智能灌溉技術還可以幫助該團隊確定實現(xiàn)草莓植株理想品質和產(chǎn)量所需的最低用水量。

隨著水資源日益稀缺，以及集約型園藝種植系統(tǒng)可能將更多地設立在城市地區(qū)，而非常嚴格的防止水資源浪費的

協(xié)議（和立法）可能也將在城市地區(qū)成為常態(tài)，必須盡量減少浪費。

越來越多的大型商業(yè)種植園區(qū)采用 WET 中心所使用的灌溉技術。2018 年對這樣一家英國基地的研究清晰顯示了

使用由 NIAB EMR 研究團隊設計、以 Delta‐T 的設備（SM150T 傳感器和 GP2 數(shù)據(jù)記錄儀）和 Netafim UK 的設備

（灌溉系統(tǒng)）為基礎的緊密灌溉套件的好處。

這家種植園區(qū)提供的數(shù)據(jù)（如下）證明了通過自動化灌溉系統(tǒng)（由 SM150T 數(shù)據(jù)驅動）與通過傳統(tǒng)的手動方法來控

制基質濕度水平之間的區(qū)別。自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了嚴格控制和高度一致的“鋸齒狀”模式（紅線），與手動控制相比，

產(chǎn)量提高了 7%。手動方法也明顯地造成了更多基質過濕或過干的情況（藍線）。

I N D U S T R Y DY N A M I C S 行業(yè)動態(tài)

澤泉快訊 60

德國WALZ公司分別于2023年5月30日和6月1日舉辦了兩場雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100線上研討會。圍繞

\"P700測量的基本原理，近紅外檢測波長的選擇\"、\"Pm和其他P700 氧化還原相關的參數(shù)\"、\"DUAL-PAM-100 軟件

的幾個常用功能\"、\"P700測量的應用\"等主題，WALZ資深光合熒光技術專家Gert Schansker博士分享了雙通道葉

綠素熒光儀DUAL-PAM-100原理，參數(shù)，測量功能相關的內容。

這是一次充分了解DUAL-PAM-100功能及掌握光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)光合活性同步測量的上佳機會。澤

泉科技對6月1日的研討會進行了全程直播，受到光合熒光研究領域眾多老師的歡迎，吸引近200人次的觀看。

文/鄭寶剛

雙通道葉綠素熒光儀DUAL-PAM-100

線上研討會成功舉辦

行業(yè)動態(tài) INDUSTRY DYNAMICS

61 澤泉快訊

Gert Schansker博士畢業(yè)于荷蘭瓦赫寧根大學，獲得植物生理學和生物物理學博士學位。主要研究方向為光合機

構的光脅迫反應，提出光系統(tǒng)II受體側碳酸氫鹽的不可逆損失是光系統(tǒng)II活性降低的主要發(fā)生機制。他在研究中應

用的主要非侵入性技術之一是葉綠素a熒光與光聲信號的同步測量技術。之后在歐盟的資助下，前往希臘雅典

Demokritos研究所從事博士后研究，使用EPR技術研究一氧化氮（NO）與光系統(tǒng)II錳簇S態(tài)的相互作用。他利用一

系列單周轉飽和閃光及葉綠素熒光Fo信號與S態(tài)相關的周期-4振幅研究了S態(tài)與S態(tài)衰變對NO的響應，闡明了實

驗中觀測到的NO誘導的多線態(tài)EPR信號可能就是S-2態(tài)的表征。后來在瑞士日內瓦Reto Strasser博士的實驗室工

作期間，研究了光暗轉換過程中820 nm吸收信號與葉綠素a熒光動力學之間的關系，系統(tǒng)研究了多種植物在各種

脅迫條件下的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（O-I1-I2-P或O-J-I-P瞬變），為此類測量提供了幾乎完整的描述。

在匈牙利結束了光適應和一種蝦青素過量導致煙草突變的研究之后，自2018年開始，Gert Schansker博士作為德

國WALZ公司的應用科學家，負責Multi-Color-PAM和Dual-KLAS-NIR相關理論和應用的研究工作。

Gert Schansker博士介紹

如需本次在線研討會的報告內容

請識別以下二維碼，提交資料索取，謝謝！

澤泉科技視頻號上傳了本次研討會的直播回放

請識別下方二維碼觀看

行業(yè)動態(tài) INDUSTRY DYNAMICS

61 澤泉快訊

Gert Schansker博士畢業(yè)于荷蘭瓦赫寧根大學，獲得植物生理學和生物物理學博士學位。主要研究方向為光合機

構的光脅迫反應，提出光系統(tǒng)II受體側碳酸氫鹽的不可逆損失是光系統(tǒng)II活性降低的主要發(fā)生機制。他在研究中應

用的主要非侵入性技術之一是葉綠素a熒光與光聲信號的同步測量技術。之后在歐盟的資助下，前往希臘雅典

Demokritos研究所從事博士后研究，使用EPR技術研究一氧化氮（NO）與光系統(tǒng)II錳簇S態(tài)的相互作用。他利用一

系列單周轉飽和閃光及葉綠素熒光Fo信號與S態(tài)相關的周期-4振幅研究了S態(tài)與S態(tài)衰變對NO的響應，闡明了實

驗中觀測到的NO誘導的多線態(tài)EPR信號可能就是S-2態(tài)的表征。后來在瑞士日內瓦Reto Strasser博士的實驗室工

作期間，研究了光暗轉換過程中820 nm吸收信號與葉綠素a熒光動力學之間的關系，系統(tǒng)研究了多種植物在各種

脅迫條件下的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（O-I1-I2-P或O-J-I-P瞬變），為此類測量提供了幾乎完整的描述。

在匈牙利結束了光適應和一種蝦青素過量導致煙草突變的研究之后，自2018年開始，Gert Schansker博士作為德

國WALZ公司的應用科學家，負責Multi-Color-PAM和Dual-KLAS-NIR相關理論和應用的研究工作。

Gert Schansker博士介紹

如需本次在線研討會的報告內容

請識別以下二維碼，提交資料索取，謝謝！

澤泉科技視頻號上傳了本次研討會的直播回放

請識別下方二維碼觀看

I N D U S T R Y DY N A M I C S 行業(yè)動態(tài)

澤泉快訊 62

3415Z

對波長的響應比

3415ZX

產(chǎn)品特點

主要技術參數(shù)

位于美國伊利諾伊州奧羅拉的Spectrum公司，一直致力于環(huán)境、

土壤、植物測量類儀器的研發(fā)和生產(chǎn)，主要面向農(nóng)業(yè)、園藝、農(nóng)

場、高爾夫球場的監(jiān)測和管理市場。近期經(jīng)過研發(fā)團隊的不懈努

力和廣大客戶的試用優(yōu)化，推出3415Z、3415ZX光合有效輻射

計。主要應用于生態(tài)、農(nóng)業(yè)、園藝、園林、溫室栽培、生態(tài)、氣象以

及更廣泛的領域。

測量波長范圍：400±10nm

~700nm±10nm

測量范圍：0~5000 μmol/m2

/s

顯示分辨率：0.01μmol/m2

/s

(0~99.99),

0.1μmol/m2

/s

(100~999)

精度 ：±5%讀數(shù)

重復性：±1 μmol/m2

/s

視場角：180°

工作溫度：0~50℃

工作濕度：< 80%

尺寸：150 x 65 x 24mm

（LxW xH）

固定孔：三腳架支架孔

重量：100g

供電：2節(jié)AAA電池

文/韓濤

美國Spectrum公司發(fā)布新品

3415Z、3415ZX光合有效輻射計

穩(wěn)定測量，單位為μmol/m2

/s

Hold保持模式可在黑暗的地方將數(shù)據(jù)維持不變并稍后查看

手動記錄最多可存儲99個數(shù)據(jù)點，并可回看

低電量提示；自動關機功能

顯示多位點的最大值，最小值和平均值

適合所有光源400-700nm的準確測量，包括LED燈

具有復位和歸零功能

3415Z 3415ZX

√ √

√ √

√ √

√ X

√ √

√ √

I N D U S T R Y DY N A M I C S 行業(yè)動態(tài)

澤泉快訊 62

3415Z

對波長的響應比

3415ZX

產(chǎn)品特點

主要技術參數(shù)

位于美國伊利諾伊州奧羅拉的Spectrum公司，一直致力于環(huán)境、

土壤、植物測量類儀器的研發(fā)和生產(chǎn)，主要面向農(nóng)業(yè)、園藝、農(nóng)

場、高爾夫球場的監(jiān)測和管理市場。近期經(jīng)過研發(fā)團隊的不懈努

力和廣大客戶的試用優(yōu)化，推出3415Z、3415ZX光合有效輻射

計。主要應用于生態(tài)、農(nóng)業(yè)、園藝、園林、溫室栽培、生態(tài)、氣象以

及更廣泛的領域。

測量波長范圍：400±10nm

~700nm±10nm

測量范圍：0~5000 μmol/m2

/s

顯示分辨率：0.01μmol/m2

/s

(0~99.99),

0.1μmol/m2

/s

(100~999)

精度 ：±5%讀數(shù)

重復性：±1 μmol/m2

/s

視場角：180°

工作溫度：0~50℃

工作濕度：< 80%

尺寸：150 x 65 x 24mm

（LxW xH）

固定孔：三腳架支架孔

重量：100g

供電：2節(jié)AAA電池

文/韓濤

美國Spectrum公司發(fā)布新品

3415Z、3415ZX光合有效輻射計

穩(wěn)定測量，單位為μmol/m2

/s

Hold保持模式可在黑暗的地方將數(shù)據(jù)維持不變并稍后查看

手動記錄最多可存儲99個數(shù)據(jù)點，并可回看

低電量提示；自動關機功能

顯示多位點的最大值，最小值和平均值

適合所有光源400-700nm的準確測量，包括LED燈

具有復位和歸零功能

3415Z 3415ZX

√ √

√ √

√ √

√ X

√ √

√ √

技術文章 T ECHNIC AL ART ICLE

63 澤泉快訊

地球表面約71%被水覆蓋，世界上約15%的物種生活在海洋中。3月22日，世界水日，政府間氣候變化專門委員會

（IPCC）發(fā)布了一份報告，該報告給出了一個“最后警告”，即世界正在達到我們可以適應的極限。報告的重要部分

一方面涉及嚴重的淡水短缺，另一方面涉及海平面上升。IPCC還警告說，除非采取嚴厲行動限制溫室氣體，否則最

快到2030年，高達90%的熱帶珊瑚礁將消失。世界各地的科學家正在努力闡釋珊瑚礁環(huán)境的復雜性，以及氣候變

化的各個方面如何影響珊瑚礁環(huán)境。在這樣做的過程中，他們使用了CISME——一種由北卡羅來納大學威爾明頓

分校與Qubit Systems聯(lián)合開發(fā)的潛水員部署系統(tǒng)，用于測量珊瑚的光合作用、呼吸作用和（去）鈣化。繼續(xù)閱讀，

了解更多關于此項研究的信息。

John Bruno's laboratory?（約翰·布魯諾實驗室）的研究人員一直在使用CISME研究加拉帕戈斯群島珊瑚礁和附近

群落的呼吸和光合作用，以確定海洋溫度和pH值的變化如何通過對初級生產(chǎn)力的影響影響群落結構和種群動態(tài)。

布魯諾實驗室的研究已經(jīng)在PBS上進行了專題報道。這項至關重要的工作將為參與珊瑚礁保護的機構提供緩解氣

候變化影響的最佳戰(zhàn)略，并為政府制定保護政策提供數(shù)據(jù)。

Dr. Karen Neely一直在使用CISME研究石珊瑚組織損失?。⊿CTLD）對珊瑚礁的威脅。SCTLD于2014年在邁阿密

附近首次被發(fā)現(xiàn)，影響著佛羅里達群島60多種珊瑚中的20多種，死亡率在66%至100%之間。Neely博士一直在對

受影響的珊瑚進行阿莫西林治療，以避免她所說的“一場巨大的災難”。她的工作曾出現(xiàn)在PBS新聞小時和abc新

聞上。有關她的工作以及CISME如何用于評估SCTLD影響的珊瑚的報道，請點擊此處。

Dellisanti博士是CISME的原始用戶之一。他最近發(fā)表的研究涉及一項為期兩年的現(xiàn)場監(jiān)測調查，描述了珊瑚如何

表現(xiàn)出代謝可塑性和韌性，以應對當?shù)販囟?、鹽度和光照的變化。CISME與脈沖振幅調制（PAM）熒光測量法和數(shù)

字技術相結合，研究水質參數(shù)的季節(jié)性以及這些參數(shù)如何影響珊瑚健康。夏季的高溫降低了珊瑚的能量生產(chǎn)力，

文/王陽陽

珊瑚原位呼吸代謝測量儀CISME

珊瑚礁研究最新進展

技術文章 T ECHNIC AL ART ICL E

63 澤泉快訊

地球表面約71%被水覆蓋，世界上約15%的物種生活在海洋中。3月22日，世界水日，政府間氣候變化專門委員會

（IPCC）發(fā)布了一份報告，該報告給出了一個“最后警告”，即世界正在達到我們可以適應的極限。報告的重要部分

一方面涉及嚴重的淡水短缺，另一方面涉及海平面上升。IPCC還警告說，除非采取嚴厲行動限制溫室氣體，否則最

快到2030年，高達90%的熱帶珊瑚礁將消失。世界各地的科學家正在努力闡釋珊瑚礁環(huán)境的復雜性，以及氣候變

化的各個方面如何影響珊瑚礁環(huán)境。在這樣做的過程中，他們使用了CISME——一種由北卡羅來納大學威爾明頓

分校與Qubit Systems聯(lián)合開發(fā)的潛水員部署系統(tǒng)，用于測量珊瑚的光合作用、呼吸作用和（去）鈣化。繼續(xù)閱讀，

了解更多關于此項研究的信息。

John Bruno's laboratory?（約翰·布魯諾實驗室）的研究人員一直在使用CISME研究加拉帕戈斯群島珊瑚礁和附近

群落的呼吸和光合作用，以確定海洋溫度和pH值的變化如何通過對初級生產(chǎn)力的影響影響群落結構和種群動態(tài)。

布魯諾實驗室的研究已經(jīng)在PBS上進行了專題報道。這項至關重要的工作將為參與珊瑚礁保護的機構提供緩解氣

候變化影響的最佳戰(zhàn)略，并為政府制定保護政策提供數(shù)據(jù)。

Dr. Karen Neely一直在使用CISME研究石珊瑚組織損失?。⊿CTLD）對珊瑚礁的威脅。SCTLD于2014年在邁阿密

附近首次被發(fā)現(xiàn)，影響著佛羅里達群島60多種珊瑚中的20多種，死亡率在66%至100%之間。Neely博士一直在對

受影響的珊瑚進行阿莫西林治療，以避免她所說的“一場巨大的災難”。她的工作曾出現(xiàn)在PBS新聞小時和abc新

聞上。有關她的工作以及CISME如何用于評估SCTLD影響的珊瑚的報道，請點擊此處。

Dellisanti博士是CISME的原始用戶之一。他最近發(fā)表的研究涉及一項為期兩年的現(xiàn)場監(jiān)測調查，描述了珊瑚如何

表現(xiàn)出代謝可塑性和韌性，以應對當?shù)販囟?、鹽度和光照的變化。CISME與脈沖振幅調制（PAM）熒光測量法和數(shù)

字技術相結合，研究水質參數(shù)的季節(jié)性以及這些參數(shù)如何影響珊瑚健康。夏季的高溫降低了珊瑚的能量生產(chǎn)力，

文/王陽陽

珊瑚原位呼吸代謝測量儀CISME

珊瑚礁研究最新進展

T E C H N I C A L A R T I C L E 技術文章

澤泉快訊 64

肉質扁腦珊瑚生產(chǎn)力和鈣化的季節(jié)驅動因素

Dr. Walter Dellisanti, City University, Hong Kong,?PRC

適用于枝狀珊瑚的CISME最新開發(fā)進展

掃碼觀看視頻

與冬季相比降低了44%。鹽度（25-38 ppt）和pH（7.65-8.44）的波動與降雨和鈣化率降低有關。春季的條件有利

于珊瑚的新陳代謝和鈣化（相對于夏季增加了20%）。這些現(xiàn)場觀測為珊瑚在不斷變化的環(huán)境條件下的反應機制

提供了見解，并有助于預測全球氣候變化未來情景下的珊瑚健康狀況。

CISME系統(tǒng)測量珊瑚無損原位孵化過程中的氧通量和pH值變化，其中樣本室中的水流和光照

水平由用戶控制。呼吸速率和光合作用速率來自DO2和pH的光學測量。此外，還使用樣品回

路收集水樣，該水樣可滴定總堿度（TA），從而計算鈣化率。樣本回路也可用于進行實驗，用戶

在實驗中引入可能影響珊瑚新陳代謝的物質（如用于海洋酸化研究的酸化海水）。識別下方二

位觀看CISME視頻。

我們很高興能夠與阿卜杜拉國王科技大學的研究人員合作，實現(xiàn)CIMSE的新功能。

其中包括一個“孵育室”，用于容納珊瑚礁或實驗室珊瑚苗圃中的分支珊瑚樣本。此

外，我們的小孵育室可以選擇LED波長，還可以使用Diving-PAM系統(tǒng)的光纖同時進

行葉綠素熒光測量。

布放于加拉帕戈斯群島珊瑚礁的CISME

Dr. John Bruno, UNC Chapel Hill

CISME應用于石珊瑚組織損失病研究

Dr. Karen Neely, NOVA Southeastern University, Florida

Dellisanti W, Chung JTH, Yiu SKF,?et al.?Seasonal drivers of productivity and calcification in the coral Platygyra carnosa in a

subtropical reef.?Frontiers in Marine Science, 2023,?10: 994591.?https://doi.org/10.3389/fmars.2023.994591

Romano de Orte M.?et al.?Unexpected role of communities colonizing dead coral substrate in the calcification of coral reefs.?

Limnology and Oceanography?March 17, 2021 https://doi.org/10.1002/lno.11722

Dellisanti?et al.?A Diver-Portable Respirometry System for in-situ Short-Term Measurements of Coral Metabolic Health and Rates of

Calcification.?Front. Mar. Sci., 12 November 2020 https://doi.org/10.3389/fmars.2020.571451

參考文獻

珊瑚原位呼吸代謝測量儀CISME

T E C H N I C A L A R T I C L E 技術文章

澤泉快訊 64

肉質扁腦珊瑚生產(chǎn)力和鈣化的季節(jié)驅動因素

Dr. Walter Dellisanti, City University, Hong Kong,?PRC

適用于枝狀珊瑚的CISME最新開發(fā)進展

掃碼觀看視頻

與冬季相比降低了44%。鹽度（25-38 ppt）和pH（7.65-8.44）的波動與降雨和鈣化率降低有關。春季的條件有利

于珊瑚的新陳代謝和鈣化（相對于夏季增加了20%）。這些現(xiàn)場觀測為珊瑚在不斷變化的環(huán)境條件下的反應機制

提供了見解，并有助于預測全球氣候變化未來情景下的珊瑚健康狀況。

CISME系統(tǒng)測量珊瑚無損原位孵化過程中的氧通量和pH值變化，其中樣本室中的水流和光照

水平由用戶控制。呼吸速率和光合作用速率來自DO2和pH的光學測量。此外，還使用樣品回

路收集水樣，該水樣可滴定總堿度（TA），從而計算鈣化率。樣本回路也可用于進行實驗，用戶

在實驗中引入可能影響珊瑚新陳代謝的物質（如用于海洋酸化研究的酸化海水）。識別下方二

位觀看CISME視頻。

我們很高興能夠與阿卜杜拉國王科技大學的研究人員合作，實現(xiàn)CIMSE的新功能。

其中包括一個“孵育室”，用于容納珊瑚礁或實驗室珊瑚苗圃中的分支珊瑚樣本。此

外，我們的小孵育室可以選擇LED波長，還可以使用Diving-PAM系統(tǒng)的光纖同時進

行葉綠素熒光測量。

布放于加拉帕戈斯群島珊瑚礁的CISME

Dr. John Bruno, UNC Chapel Hill

CISME應用于石珊瑚組織損失病研究

Dr. Karen Neely, NOVA Southeastern University, Florida

Dellisanti W, Chung JTH, Yiu SKF,?et al.?Seasonal drivers of productivity and calcification in the coral Platygyra carnosa in a

subtropical reef.?Frontiers in Marine Science, 2023,?10: 994591.?https://doi.org/10.3389/fmars.2023.994591

Romano de Orte M.?et al.?Unexpected role of communities colonizing dead coral substrate in the calcification of coral reefs.?

Limnology and Oceanography?March 17, 2021 https://doi.org/10.1002/lno.11722

Dellisanti?et al.?A Diver-Portable Respirometry System for in-situ Short-Term Measurements of Coral Metabolic Health and Rates of

Calcification.?Front. Mar. Sci., 12 November 2020 https://doi.org/10.3389/fmars.2020.571451

參考文獻

珊瑚原位呼吸代謝測量儀CISME

2023年6月

第2期

第16卷

上海農(nóng)科院-AgriPheno長三角表型技術示范中心

2023年6月

第16卷 第 2 期

《AgriPheno 快訊》編委會

電 話：021-3255 5118

傳 真：021-3255 5117

地 址：上海金沙江路1038號華東師大科技園2號樓8樓

E-Mail：newsletter@zealquest.com

03

企業(yè)新聞 CORPORATE NEWS

AgriPheno訂閱號推送文章匯編

（2023年4-6月）

03

主 編：徐靜萍

責任編輯：王吉生

編 委 會：茍水燕 郭 峰 鄭寶剛

編 委 會： 黃亞東 呂中賢 潘 婕

編 委 會： 史建國 沈天躍 王陽陽

編 委 會： 儲一青 趙志鴻

設 計：郭 琦

上海農(nóng)科院-AgriPheno長三角表型技術示范中心

2023年6月

第16卷 第 2 期

《AgriPheno 快訊》編委會

電 話：021-3255 5118

傳 真：021-3255 5117

地 址：上海金沙江路1038號華東師大科技園2號樓8樓

E-Mail：newsletter@zealquest.com

03

企業(yè)新聞 CORPORATE NEWS

AgriPheno訂閱號推送文章匯編

（2023年4-6月）

03

主 編：徐靜萍

責任編輯：王吉生

編 委 會：茍水燕 郭 峰 鄭寶剛

編 委 會： 黃亞東 呂中賢 潘 婕

編 委 會： 史建國 沈天躍 王陽陽

編 委 會： 儲一青 趙志鴻

設 計：郭 琦

上海農(nóng)科院-AgriPheno長三角表型技術示范中心

注：本期刊為公司內部刊物，不做任何商業(yè)用途

02 AgriPhenoTM 快訊

07

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

Nature Genetics新發(fā)現(xiàn)

新型激酶融合蛋白為小麥抗病貢獻

力量豐富小麥育種的抗病基因庫

Nature Plants:大麻素生物合成的

平行進化翻開大麻素研究新篇章

Nature:中國科研團隊通過基因編

輯獲得具有廣譜抗病性且穩(wěn)產(chǎn)的水

稻株系

PBJ：作物通用型、高效可視化單

倍體鑒別系統(tǒng)——RUBY

07

11

13

20

Plant Soil:草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能

屬性及其生態(tài)系統(tǒng)功能沿干旱梯度

的變化規(guī)律

PNAS:雜草可通過群體中已存在的

遺傳變異獲得除草劑抗性我們該如

何可持續(xù)的使用除草劑？

基于圖像的水稻全生育期表型數(shù)據(jù)

獲取與解析策略

25

27

32

注：本期刊為公司內部刊物，不做任何商業(yè)用途

02 AgriPhenoTM 快訊

07

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

Nature Genetics新發(fā)現(xiàn)

新型激酶融合蛋白為小麥抗病貢獻

力量豐富小麥育種的抗病基因庫

Nature Plants:大麻素生物合成的

平行進化翻開大麻素研究新篇章

Nature:中國科研團隊通過基因編

輯獲得具有廣譜抗病性且穩(wěn)產(chǎn)的水

稻株系

PBJ：作物通用型、高效可視化單

倍體鑒別系統(tǒng)——RUBY

07

11

13

20

Plant Soil:草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能

屬性及其生態(tài)系統(tǒng)功能沿干旱梯度

的變化規(guī)律

PNAS:雜草可通過群體中已存在的

遺傳變異獲得除草劑抗性我們該如

何可持續(xù)的使用除草劑？

基于圖像的水稻全生育期表型數(shù)據(jù)

獲取與解析策略

25

27

32

企業(yè)新聞 C O R P O R AT E NEW S

03 AgriPhenoTM 快訊

AgriPheno訂閱號專注于持續(xù)更新植物生理生態(tài)、植物表型組學和基因組學、基因分型、智能化育種及應用、激

光雷達探測技術及數(shù)據(jù)分析等領域，國內外最新資訊、戰(zhàn)略與政策導讀。本文節(jié)選了2023年4-6月推送的代表性

文章，以供大家參閱。

根系磷酸酶是一種競爭型根系功能屬性

最近，西北工業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院郝占慶教授團

隊，以秦嶺南坡皇冠森林動態(tài)樣地的21種共存物種

為研究對象，探究了根系磷酸酶活性在根序級間的

變化規(guī)律及其與根系功能屬性、葉片和土壤養(yǎng)分含

量的相關關系。

Plant Soil：草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能屬性及其生態(tài)系

統(tǒng)功能沿干旱梯度的變化規(guī)律

本研究聚焦溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能屬性和生態(tài)

系統(tǒng)功能沿干旱梯度的變化規(guī)律，基于文獻調研，

挖掘了與干旱梯度上植被突變相關的地下器官效應

屬性。研究結果表明，地下功能屬性有助于認識環(huán)

境變化下生態(tài)系統(tǒng)功能的轉變機制。

我國西南喀斯特地區(qū)兩種植被類型的細根周轉速

率、活生物量和死生物量的空間變異規(guī)律

本研究以喀斯特灌叢和森林為研究對象，在上、

中、下三個坡位建立觀測樣地，采用連續(xù)土鉆法和

內生長土芯法測定兩種植被的細根周轉速率、生產(chǎn)

力、活生物量、死生物量、活生物量/死生物量比，

同時測定細根碳氮含量、土壤總氮、可利用氮、總

磷、可利用磷。結果表明，坡位顯著影響細根生產(chǎn)

力和活生物量，植被類型顯著影響活生物量/死生物

量比；細根養(yǎng)分含量和細根養(yǎng)分含量與土壤養(yǎng)分含

量的交互效應可用于解釋細根周轉速率及其相關功

能屬性的空間變異規(guī)律。

文/王吉生

AgriPheno訂閱號推送文章匯編

（2023年4-6月）

植物根系研究

基于圖像的水稻全生育期表型數(shù)據(jù)獲取與解析策略

2023年6月，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究

所作物表型組學研究中心和華中農(nóng)業(yè)大學楊萬能

團隊在Plant Phenomics雜志上聯(lián)合發(fā)表了題為

“A Strategy for the Acquisition and Analysis of

Image-Based Phenome in Rice during the Whole

Growth Period”的研究論文。該文通過高通量可

見光成像平臺對水稻全生育期圖像進行獲取，提出

一種基于圖像的水稻全生育期時空表型組獲取及解

析策略，并對獲取得到的時空多維度表型性狀信息

進行解讀分析，挖掘表型和基因型之間的關聯(lián)。

Phenomenon：植物離體培養(yǎng)表型的原位監(jiān)測系統(tǒng)

本研究設計了一種低成本自動化表型系統(tǒng)(名為

Phenomenon), 該系統(tǒng)適用于在多層培養(yǎng)架中直接

獲取無菌狀態(tài)下植物離體培養(yǎng)物的表型數(shù)據(jù)。

Corn360：一種便攜式低成本的玉米籽粒高通量分

析方法

本研究展示了一種名為Corn360的便攜式、使用簡

單、低成本的全景成像捕捉系統(tǒng)，使用免費軟件進

行圖像分析，以表征玉米穗的總粒數(shù)和不同模式的

粒數(shù)。

植物表型研究方法/方案

企業(yè)新聞 C O R P O R AT E NEW S

03 AgriPhenoTM 快訊

AgriPheno訂閱號專注于持續(xù)更新植物生理生態(tài)、植物表型組學和基因組學、基因分型、智能化育種及應用、激

光雷達探測技術及數(shù)據(jù)分析等領域，國內外最新資訊、戰(zhàn)略與政策導讀。本文節(jié)選了2023年4-6月推送的代表性

文章，以供大家參閱。

根系磷酸酶是一種競爭型根系功能屬性

最近，西北工業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院郝占慶教授團

隊，以秦嶺南坡皇冠森林動態(tài)樣地的21種共存物種

為研究對象，探究了根系磷酸酶活性在根序級間的

變化規(guī)律及其與根系功能屬性、葉片和土壤養(yǎng)分含

量的相關關系。

Plant Soil：草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能屬性及其生態(tài)系

統(tǒng)功能沿干旱梯度的變化規(guī)律

本研究聚焦溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能屬性和生態(tài)

系統(tǒng)功能沿干旱梯度的變化規(guī)律，基于文獻調研，

挖掘了與干旱梯度上植被突變相關的地下器官效應

屬性。研究結果表明，地下功能屬性有助于認識環(huán)

境變化下生態(tài)系統(tǒng)功能的轉變機制。

我國西南喀斯特地區(qū)兩種植被類型的細根周轉速

率、活生物量和死生物量的空間變異規(guī)律

本研究以喀斯特灌叢和森林為研究對象，在上、

中、下三個坡位建立觀測樣地，采用連續(xù)土鉆法和

內生長土芯法測定兩種植被的細根周轉速率、生產(chǎn)

力、活生物量、死生物量、活生物量/死生物量比，

同時測定細根碳氮含量、土壤總氮、可利用氮、總

磷、可利用磷。結果表明，坡位顯著影響細根生產(chǎn)

力和活生物量，植被類型顯著影響活生物量/死生物

量比；細根養(yǎng)分含量和細根養(yǎng)分含量與土壤養(yǎng)分含

量的交互效應可用于解釋細根周轉速率及其相關功

能屬性的空間變異規(guī)律。

文/王吉生

AgriPheno訂閱號推送文章匯編

（2023年4-6月）

植物根系研究

基于圖像的水稻全生育期表型數(shù)據(jù)獲取與解析策略

2023年6月，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究

所作物表型組學研究中心和華中農(nóng)業(yè)大學楊萬能

團隊在Plant Phenomics雜志上聯(lián)合發(fā)表了題為

“A Strategy for the Acquisition and Analysis of

Image-Based Phenome in Rice during the Whole

Growth Period”的研究論文。該文通過高通量可

見光成像平臺對水稻全生育期圖像進行獲取，提出

一種基于圖像的水稻全生育期時空表型組獲取及解

析策略，并對獲取得到的時空多維度表型性狀信息

進行解讀分析，挖掘表型和基因型之間的關聯(lián)。

Phenomenon：植物離體培養(yǎng)表型的原位監(jiān)測系統(tǒng)

本研究設計了一種低成本自動化表型系統(tǒng)(名為

Phenomenon), 該系統(tǒng)適用于在多層培養(yǎng)架中直接

獲取無菌狀態(tài)下植物離體培養(yǎng)物的表型數(shù)據(jù)。

Corn360：一種便攜式低成本的玉米籽粒高通量分

析方法

本研究展示了一種名為Corn360的便攜式、使用簡

單、低成本的全景成像捕捉系統(tǒng)，使用免費軟件進

行圖像分析，以表征玉米穗的總粒數(shù)和不同模式的

粒數(shù)。

植物表型研究方法/方案

C O R P O R AT E N E W S 企業(yè)新聞

AgriPhenoTM 快訊 04

PBJ：作物通用型、高效可視化單倍體鑒別系統(tǒng)—

RUBY

本文介紹了研究團隊首次將甜菜紅素標記，用于玉

米和番茄單倍體的高效鑒別，為玉米和番茄單倍體

生產(chǎn)提供了有力工具，為跨作物單倍體鑒別體系創(chuàng)

建提供了重要借鑒。

Nature Plants：大麻素生物合成的平行進化，翻

開大麻素研究新篇章

本文介紹了研究團隊在菊科植物蠟菊(Helichrysum

umbraculigerum)中發(fā)現(xiàn)了大麻素生物合成的獨立

進化的證據(jù)，蠟菊可產(chǎn)生大麻型大麻素（例如，

4.3%的大麻酚酸）。這一發(fā)現(xiàn)提供了一套可供選擇

的酶系統(tǒng)，這將拓展合成生物學的工具箱，供研究

人員操縱大麻素生物合成途徑用于藥物發(fā)現(xiàn)。

新觀點/新技術 Plant Commun.: CRISPR/Cas9介導的水稻

OsHPPD基因3'-UTR編輯創(chuàng)制水稻除草劑抗性新種

質

本研究利用CRISPR/Cas9和CRISPR/Cas12a基因編輯

系統(tǒng)對水稻HPPD抑制劑抗性基因OsHPPD的3’-UTR

進行基因編輯，創(chuàng)造了水稻HPPD抑制性除草劑抗性

新種質材料，且未產(chǎn)生其他農(nóng)藝性狀的不利影響。

PNAS：雜草可通過群體中已存在的遺傳變異獲得

除草劑抗性，我們該如何可持續(xù)的使用除草劑？

本研究通過組裝大穗看麥娘( Alopecurus myosuroides )高質量參考基因組、分析已知抗除草劑等位基

因變異以前向時間算法模擬發(fā)現(xiàn)TSR可能主要是由群

體中已存在遺傳變異引起的，而新的突變只起次要

作用，此外TSR的出現(xiàn)很可能早于除草劑的應用。這

對于雜草防治和除草劑的可持續(xù)利用具有積極的指

導意義。

C O R P O R AT E N E W S 企業(yè)新聞

AgriPhenoTM 快訊 04

PBJ：作物通用型、高效可視化單倍體鑒別系統(tǒng)—

RUBY

本文介紹了研究團隊首次將甜菜紅素標記，用于玉

米和番茄單倍體的高效鑒別，為玉米和番茄單倍體

生產(chǎn)提供了有力工具，為跨作物單倍體鑒別體系創(chuàng)

建提供了重要借鑒。

Nature Plants：大麻素生物合成的平行進化，翻

開大麻素研究新篇章

本文介紹了研究團隊在菊科植物蠟菊(Helichrysum

umbraculigerum)中發(fā)現(xiàn)了大麻素生物合成的獨立

進化的證據(jù)，蠟菊可產(chǎn)生大麻型大麻素（例如，

4.3%的大麻酚酸）。這一發(fā)現(xiàn)提供了一套可供選擇

的酶系統(tǒng)，這將拓展合成生物學的工具箱，供研究

人員操縱大麻素生物合成途徑用于藥物發(fā)現(xiàn)。

新觀點/新技術 Plant Commun.: CRISPR/Cas9介導的水稻

OsHPPD基因3'-UTR編輯創(chuàng)制水稻除草劑抗性新種

質

本研究利用CRISPR/Cas9和CRISPR/Cas12a基因編輯

系統(tǒng)對水稻HPPD抑制劑抗性基因OsHPPD的3’-UTR

進行基因編輯，創(chuàng)造了水稻HPPD抑制性除草劑抗性

新種質材料，且未產(chǎn)生其他農(nóng)藝性狀的不利影響。

PNAS：雜草可通過群體中已存在的遺傳變異獲得

除草劑抗性，我們該如何可持續(xù)的使用除草劑？

本研究通過組裝大穗看麥娘( Alopecurus myosuroides )高質量參考基因組、分析已知抗除草劑等位基

因變異以前向時間算法模擬發(fā)現(xiàn)TSR可能主要是由群

體中已存在遺傳變異引起的，而新的突變只起次要

作用，此外TSR的出現(xiàn)很可能早于除草劑的應用。這

對于雜草防治和除草劑的可持續(xù)利用具有積極的指

導意義。

企業(yè)新聞 C O R P O R AT E NEW S

05 AgriPhenoTM 快訊

Nature│中國科研團隊通過基因編輯獲得具有廣譜

抗病性且穩(wěn)產(chǎn)的水稻株系

2023年6月14日，Nature發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學李國

田教授團隊牽頭完成的題為“Genome editing of

a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen

resistance”的研究論文，該團隊通過篩選病變模

擬突變體(LMM)克隆到了“RBL1”廣譜抗病基因，

此突變體具有廣譜抗病性但會造成嚴重減產(chǎn)。

Plant Communications：防范轉基因花粉擴

撒——花粉自清除CRISPR/Cas系統(tǒng)(PSEC)的開發(fā)

本研究中研究團隊開發(fā)了一種花粉自清除CRISPR/-

Cas (PSEC)靶向多個生長調節(jié)因子-GRF，通過引入

花粉特異表達的能量耗竭元件，成功實現(xiàn)了含有

PSEC元件的單倍體花粉不育，導致玉米植株世代穩(wěn)

定維持PSEC元件半合子雜合體，PSEC僅能通過雌

性配子體向下一代遺傳。

PBJ：玉米廣譜抗性新基因ZmNANMT，豐富了玉

米遺傳育種的抗病基因庫

本文介紹了研究團隊發(fā)現(xiàn)玉米中一個新的感病基因

ZmNANMT，通過基因編輯ZmNANMT提高了玉米

對多種病害的廣譜抗性，并且不影響玉米其他重要

農(nóng)藝性狀。

Nature Genetics新發(fā)現(xiàn)：新型激酶融合蛋白為小

麥抗病貢獻力量，豐富小麥育種抗病基因庫

生物技術/育種技術 與作物野生近緣種相比，馴化和作物改良大大降低

了遺傳多樣性。本研究中，研究團隊的工作證明了

作物野生近緣種作為多樣化非經(jīng)典R基因庫的來源對

于抗性育種和全球糧食安全的重要性。

PBJ：大豆新型多效性基因TOE4b，調控光周期介

導的開花和單株產(chǎn)量

本研究中，研究團隊利用全基因組關聯(lián)分 析

（GWAS）的方法鑒定到了一個調節(jié)大豆光周期介

導的開花的主效基因TOE4b，該基因屬于AP2/ERF

家族，TOE4b通過與FT2a和FT5a的啟動子的結合來

抑制開花。

新基因：水稻穗型調控和稻曲病抗性相關新基因

SPR9，在未來育種應用中潛力巨大

本研究基于突變體圖位克隆了一個調控水稻花序

展開的新基因SPR9，該基因編碼一個60S核糖體蛋

白，同時影響水稻稻曲病抗性。該基因在水稻抗稻

曲病和穗型改良育種方面有很好應用前景。

PNAS新發(fā)現(xiàn)：中國科學家發(fā)現(xiàn)大豆新型光信號調

控因子GmEID1，在大豆的生態(tài)區(qū)適應性和產(chǎn)量改

良方面潛力巨大

本文介紹了研究團隊發(fā)現(xiàn)大豆GmEID1蛋白作為連

接E3/E4感知的光信號和生物鐘夜間復合物（EC）

的橋梁，參與調控大豆開花抑制因子E1基因表達。

此外，研究發(fā)現(xiàn)GmEID1可作為調節(jié)大豆開花時間

的目標位點，在通過基因編輯和常規(guī)育種改良大豆

的生態(tài)區(qū)適應性和產(chǎn)量方面有很大的潛力。

企業(yè)新聞 C O R P O R AT E NEW S

05 AgriPhenoTM 快訊

Nature│中國科研團隊通過基因編輯獲得具有廣譜

抗病性且穩(wěn)產(chǎn)的水稻株系

2023年6月14日，Nature發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學李國

田教授團隊牽頭完成的題為“Genome editing of

a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen

resistance”的研究論文，該團隊通過篩選病變模

擬突變體(LMM)克隆到了“RBL1”廣譜抗病基因，

此突變體具有廣譜抗病性但會造成嚴重減產(chǎn)。

Plant Communications：防范轉基因花粉擴

撒——花粉自清除CRISPR/Cas系統(tǒng)(PSEC)的開發(fā)

本研究中研究團隊開發(fā)了一種花粉自清除CRISPR/-

Cas (PSEC)靶向多個生長調節(jié)因子-GRF，通過引入

花粉特異表達的能量耗竭元件，成功實現(xiàn)了含有

PSEC元件的單倍體花粉不育，導致玉米植株世代穩(wěn)

定維持PSEC元件半合子雜合體，PSEC僅能通過雌

性配子體向下一代遺傳。

PBJ：玉米廣譜抗性新基因ZmNANMT，豐富了玉

米遺傳育種的抗病基因庫

本文介紹了研究團隊發(fā)現(xiàn)玉米中一個新的感病基因

ZmNANMT，通過基因編輯ZmNANMT提高了玉米

對多種病害的廣譜抗性，并且不影響玉米其他重要

農(nóng)藝性狀。

Nature Genetics新發(fā)現(xiàn)：新型激酶融合蛋白為小

麥抗病貢獻力量，豐富小麥育種抗病基因庫

生物技術/育種技術 與作物野生近緣種相比，馴化和作物改良大大降低

了遺傳多樣性。本研究中，研究團隊的工作證明了

作物野生近緣種作為多樣化非經(jīng)典R基因庫的來源對

于抗性育種和全球糧食安全的重要性。

PBJ：大豆新型多效性基因TOE4b，調控光周期介

導的開花和單株產(chǎn)量

本研究中，研究團隊利用全基因組關聯(lián)分 析

（GWAS）的方法鑒定到了一個調節(jié)大豆光周期介

導的開花的主效基因TOE4b，該基因屬于AP2/ERF

家族，TOE4b通過與FT2a和FT5a的啟動子的結合來

抑制開花。

新基因：水稻穗型調控和稻曲病抗性相關新基因

SPR9，在未來育種應用中潛力巨大

本研究基于突變體圖位克隆了一個調控水稻花序

展開的新基因SPR9，該基因編碼一個60S核糖體蛋

白，同時影響水稻稻曲病抗性。該基因在水稻抗稻

曲病和穗型改良育種方面有很好應用前景。

PNAS新發(fā)現(xiàn)：中國科學家發(fā)現(xiàn)大豆新型光信號調

控因子GmEID1，在大豆的生態(tài)區(qū)適應性和產(chǎn)量改

良方面潛力巨大

本文介紹了研究團隊發(fā)現(xiàn)大豆GmEID1蛋白作為連

接E3/E4感知的光信號和生物鐘夜間復合物（EC）

的橋梁，參與調控大豆開花抑制因子E1基因表達。

此外，研究發(fā)現(xiàn)GmEID1可作為調節(jié)大豆開花時間

的目標位點，在通過基因編輯和常規(guī)育種改良大豆

的生態(tài)區(qū)適應性和產(chǎn)量方面有很大的潛力。

C O R P O R AT E N E W S 企業(yè)新聞

AgriPhenoTM 快訊 06

Cell Reports：CND1在維持植物核和葉綠體基因組

穩(wěn)定性中的雙重作用

該研究發(fā)現(xiàn)了植物葉綠體和細胞核基因組穩(wěn)態(tài)的雙

重調控蛋白CND1，揭示了葉綠體和細胞核基因組穩(wěn)

態(tài)維持的協(xié)同調控新機制。

光調控淺光休眠煙草種子萌發(fā)及萌發(fā)后發(fā)育的系統(tǒng)

分析

本文以淺光休眠煙草種子為材料，比較了光照和黑

暗下萌發(fā)種子的表型，并通過整合轉錄組學和蛋白

質組學數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地分析了淺光休眠煙草種子萌發(fā)

及萌發(fā)后發(fā)育過程中光調控機制及其調控網(wǎng)絡。

“泰褲辣”！WALZ發(fā)布多款PAM的新版軟件！

2023年4月底，德國WALZ公司在其官網(wǎng)Download

頁面更新了多款PAM的新版軟件，涉及了大部分現(xiàn)

在在售調制葉綠素熒光儀型號。下面小編將帶領大

家簡要盤點，方便各位老師和同學快速Get PAM軟

件升級。

植物生理生態(tài)研究 廣州中醫(yī)藥大學藥用植物生理生態(tài)研究所發(fā)現(xiàn)光系

統(tǒng)修復因子HHL1參與非光化學淬滅調控

2023年4月5日，廣州中醫(yī)藥大學藥用植物生理

生態(tài)研究所王宏斌/靳紅磊教授團隊在Journal of

Biological Chemistry在線發(fā)表了題為 “HHL1 and

SOQ1 synergistically regulate non-photochemical

quenching in Arabidopsis”的研究論文，該研究

揭示了光系統(tǒng)修復因子（HYPERSENSITIVE TO HIGH

LIGHT, HHL1）參與NPQ介導的光保護調控機制。

Nature Plants：Sigma因子SIG5整合擬南芥響應

低溫和晝夜節(jié)律信號

Dora L. Cano-Ramirez等人發(fā)表在Nature Plants上

的最新研究成果確定了SIG5在植物對低溫條件的響

應中的新作用。研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中，控制葉綠

體轉錄的核編碼sigma因子（SIG5）有助于適應低

溫條件。

感謝各位老師、同學的關注、推薦與積極轉發(fā)，Agripheno將不忘初心，堅持把國內外最新資訊、戰(zhàn)略與政策導

讀分享給大家，以支持到大家的研究工作。作為開放公眾平臺，我們歡迎大家撰寫各自已發(fā)表文章的介紹投稿，

分享最新研究成果。此外，如您有最新的業(yè)內信息需要推送，我們也樂意效勞。

掃描以下二維碼，即可閱讀以上推文

C O R P O R AT E N E W S 企業(yè)新聞

AgriPhenoTM 快訊 06

Cell Reports：CND1在維持植物核和葉綠體基因組

穩(wěn)定性中的雙重作用

該研究發(fā)現(xiàn)了植物葉綠體和細胞核基因組穩(wěn)態(tài)的雙

重調控蛋白CND1，揭示了葉綠體和細胞核基因組穩(wěn)

態(tài)維持的協(xié)同調控新機制。

光調控淺光休眠煙草種子萌發(fā)及萌發(fā)后發(fā)育的系統(tǒng)

分析

本文以淺光休眠煙草種子為材料，比較了光照和黑

暗下萌發(fā)種子的表型，并通過整合轉錄組學和蛋白

質組學數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地分析了淺光休眠煙草種子萌發(fā)

及萌發(fā)后發(fā)育過程中光調控機制及其調控網(wǎng)絡。

“泰褲辣”！WALZ發(fā)布多款PAM的新版軟件！

2023年4月底，德國WALZ公司在其官網(wǎng)Download

頁面更新了多款PAM的新版軟件，涉及了大部分現(xiàn)

在在售調制葉綠素熒光儀型號。下面小編將帶領大

家簡要盤點，方便各位老師和同學快速Get PAM軟

件升級。

植物生理生態(tài)研究 廣州中醫(yī)藥大學藥用植物生理生態(tài)研究所發(fā)現(xiàn)光系

統(tǒng)修復因子HHL1參與非光化學淬滅調控

2023年4月5日，廣州中醫(yī)藥大學藥用植物生理

生態(tài)研究所王宏斌/靳紅磊教授團隊在Journal of

Biological Chemistry在線發(fā)表了題為 “HHL1 and

SOQ1 synergistically regulate non-photochemical

quenching in Arabidopsis”的研究論文，該研究

揭示了光系統(tǒng)修復因子（HYPERSENSITIVE TO HIGH

LIGHT, HHL1）參與NPQ介導的光保護調控機制。

Nature Plants：Sigma因子SIG5整合擬南芥響應

低溫和晝夜節(jié)律信號

Dora L. Cano-Ramirez等人發(fā)表在Nature Plants上

的最新研究成果確定了SIG5在植物對低溫條件的響

應中的新作用。研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中，控制葉綠

體轉錄的核編碼sigma因子（SIG5）有助于適應低

溫條件。

感謝各位老師、同學的關注、推薦與積極轉發(fā)，Agripheno將不忘初心，堅持把國內外最新資訊、戰(zhàn)略與政策導

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科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

07 AgriPhenoTM 快訊

植物是全世界食物、衣物和住所的主要來源。在不斷變化的氣候和日益減少的外部投入（如水、化肥和可耕地）

下養(yǎng)活日益增長的世界人口是人類面臨的最緊迫挑戰(zhàn)之一。小麥是一種主要的糧食作物，提供人類飲食中20%以

上的熱量和蛋白質，以及維生素、膳食纖維和植物化學物質。病原菌和害蟲每年造成面包小麥20%的全球產(chǎn)量損

失。為了實施有效的基因和生物技術方法來減少疾病造成的損失，科學家需要對植物如何限制病原體有一個基本

的了解。然而，小麥族（包括小麥、大麥和黑麥）的抗病基因（R基因）的克隆仍然具有挑戰(zhàn)性，因為它們的基

因組龐大且重復性豐富。近年來，基于基因組學的基因克隆技術的發(fā)展促進了小麥非經(jīng)典R基因家族的發(fā)現(xiàn)。

植物已經(jīng)進化出一種先天免疫系統(tǒng)，該系統(tǒng)由種系編碼的免疫受體組成，可以識別所有病原體類別。植物免疫受

體在結構上與動物免疫受體相似，包括模式識別受體以及細胞內核苷酸結合的富含亮氨酸重復序列（NLR）受體

植物模式識別受體是受體樣激酶（RLKs）或受體樣蛋白，可以識別保守的病原體或損傷相關的分子模式。NLR受

體識別在感染過程中輸送到植物細胞中的各種病原體效應蛋白。在過去的30年里，這兩種類型的免疫受體都得到

了深入的研究，從而對植物免疫信號有了詳細的了解。然而，相比之下，非經(jīng)典R基因的作用相對未被探索，其

中一些基因具有持久的抗性。

近日，阿卜杜拉國王科技大學的兩個研究團隊在《Nature Genetics》背靠背在線發(fā)表了題為“An unusual

tandem kinase fusion protein confers leaf rust resistance in wheat”和“The wheat stem rust resistance

gene Sr43 encodes an unusual protein kinase”的研究論文，介紹了兩團隊首次鑒定到兩個具有新結構域的小

麥抗病基因，這兩個新基因的結構域均來自小麥野生近緣種，是激酶與其他結構域的融合體——激酶融合蛋白

（KFPs）。兩項研究描述了激酶融合蛋白（KFPs）如何調節(jié)小麥病原菌感知和詭計，KFPs作為新型植物免疫調

節(jié)因子，豐富了小麥抗性基因庫，為小麥分子育種提供更多的基因資源。

Nature Genetics新發(fā)現(xiàn)

新型激酶融合蛋白為小麥抗病貢獻力量

豐富小麥育種的抗病基因庫

圖1?植物天然免疫受體和激酶融合蛋白（KFPs）的結構域

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

07 AgriPhenoTM 快訊

植物是全世界食物、衣物和住所的主要來源。在不斷變化的氣候和日益減少的外部投入（如水、化肥和可耕地）

下養(yǎng)活日益增長的世界人口是人類面臨的最緊迫挑戰(zhàn)之一。小麥是一種主要的糧食作物，提供人類飲食中20%以

上的熱量和蛋白質，以及維生素、膳食纖維和植物化學物質。病原菌和害蟲每年造成面包小麥20%的全球產(chǎn)量損

失。為了實施有效的基因和生物技術方法來減少疾病造成的損失，科學家需要對植物如何限制病原體有一個基本

的了解。然而，小麥族（包括小麥、大麥和黑麥）的抗病基因（R基因）的克隆仍然具有挑戰(zhàn)性，因為它們的基

因組龐大且重復性豐富。近年來，基于基因組學的基因克隆技術的發(fā)展促進了小麥非經(jīng)典R基因家族的發(fā)現(xiàn)。

植物已經(jīng)進化出一種先天免疫系統(tǒng)，該系統(tǒng)由種系編碼的免疫受體組成，可以識別所有病原體類別。植物免疫受

體在結構上與動物免疫受體相似，包括模式識別受體以及細胞內核苷酸結合的富含亮氨酸重復序列（NLR）受體

植物模式識別受體是受體樣激酶（RLKs）或受體樣蛋白，可以識別保守的病原體或損傷相關的分子模式。NLR受

體識別在感染過程中輸送到植物細胞中的各種病原體效應蛋白。在過去的30年里，這兩種類型的免疫受體都得到

了深入的研究，從而對植物免疫信號有了詳細的了解。然而，相比之下，非經(jīng)典R基因的作用相對未被探索，其

中一些基因具有持久的抗性。

近日，阿卜杜拉國王科技大學的兩個研究團隊在《Nature Genetics》背靠背在線發(fā)表了題為“An unusual

tandem kinase fusion protein confers leaf rust resistance in wheat”和“The wheat stem rust resistance

gene Sr43 encodes an unusual protein kinase”的研究論文，介紹了兩團隊首次鑒定到兩個具有新結構域的小

麥抗病基因，這兩個新基因的結構域均來自小麥野生近緣種，是激酶與其他結構域的融合體——激酶融合蛋白

（KFPs）。兩項研究描述了激酶融合蛋白（KFPs）如何調節(jié)小麥病原菌感知和詭計，KFPs作為新型植物免疫調

節(jié)因子，豐富了小麥抗性基因庫，為小麥分子育種提供更多的基因資源。

Nature Genetics新發(fā)現(xiàn)

新型激酶融合蛋白為小麥抗病貢獻力量

豐富小麥育種的抗病基因庫

圖1?植物天然免疫受體和激酶融合蛋白（KFPs）的結構域

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 08

小麥葉銹病抗病位點Lr9位于小麥6B染色體長臂的末端，該片段是由小麥研究先驅Ernest Sears在1950年代采用

種間雜交與X射線輻照相結合的方法從小傘山羊草導入普通小麥的染色體易位片段。這種輻射導致的非同源染色

體易位會出現(xiàn)嚴重的重組抑制，無法通過傳統(tǒng)的圖位克隆策略克隆易位片段上的Lr9基因。對此，首個研究團隊

開發(fā)了一種基于EMS突變體轉錄組測序的基因克隆技術（簡稱MutIsoSeq），這種技術綜合運用了EMS誘變及突

變體篩選、野生型材料PacBio三代全長轉錄組測序、突變體二代轉錄組測序及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，能夠將目標基

因的轉錄本跟表型直接關聯(lián)。利用MutIsoSeq技術，研究團隊實現(xiàn)了完全不依賴于重組和遺傳定位的Lr9的克隆

（圖2）。

第二研究團隊則成功克隆了小麥莖銹病抗性基因Sr43，編碼了一種激酶融合蛋白，其激酶結構域可能來源于早期

的異位重組事件；Sr43介導的抗性具有物種特異性和溫度敏感性，其轉基因表達可對不同莖銹病病原體分離株具

有高水平的抗性。研究團團隊成功克隆到從長穗偃麥草轉移到面包小麥中的莖銹病抗性基因Sr43。經(jīng)鑒定，Sr43

為一種激酶融合蛋白，融合了一個蛋白激酶結構域和兩個未知結構域DUF（圖3）。

圖2?Lr9和Lr58編碼一個不典型的串聯(lián)激酶融合蛋白

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 08

小麥葉銹病抗病位點Lr9位于小麥6B染色體長臂的末端，該片段是由小麥研究先驅Ernest Sears在1950年代采用

種間雜交與X射線輻照相結合的方法從小傘山羊草導入普通小麥的染色體易位片段。這種輻射導致的非同源染色

體易位會出現(xiàn)嚴重的重組抑制，無法通過傳統(tǒng)的圖位克隆策略克隆易位片段上的Lr9基因。對此，首個研究團隊

開發(fā)了一種基于EMS突變體轉錄組測序的基因克隆技術（簡稱MutIsoSeq），這種技術綜合運用了EMS誘變及突

變體篩選、野生型材料PacBio三代全長轉錄組測序、突變體二代轉錄組測序及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，能夠將目標基

因的轉錄本跟表型直接關聯(lián)。利用MutIsoSeq技術，研究團隊實現(xiàn)了完全不依賴于重組和遺傳定位的Lr9的克隆

（圖2）。

第二研究團隊則成功克隆了小麥莖銹病抗性基因Sr43，編碼了一種激酶融合蛋白，其激酶結構域可能來源于早期

的異位重組事件；Sr43介導的抗性具有物種特異性和溫度敏感性，其轉基因表達可對不同莖銹病病原體分離株具

有高水平的抗性。研究團團隊成功克隆到從長穗偃麥草轉移到面包小麥中的莖銹病抗性基因Sr43。經(jīng)鑒定，Sr43

為一種激酶融合蛋白，融合了一個蛋白激酶結構域和兩個未知結構域DUF（圖3）。

圖2?Lr9和Lr58編碼一個不典型的串聯(lián)激酶融合蛋白

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

09 AgriPhenoTM 快訊

研究團隊通過基因互補實驗證實了Sr43的抗病功能（圖4）。此外，Sr43介導的抗性具有物種特異性和溫度敏感

性。通過同源序列分析，該團隊發(fā)現(xiàn)Sr43基因可能通過異位重組事件將激酶結構域募集到DUF，從而形成了蛋白

激酶結構域加兩個DUF的獨特的激酶融合蛋白（kinase fusion protein，KFP）。類似的KFP還有Pm4、Snn3、

Sm1、Tsn1、Yr36、Rpg5和Lr9，且大部分都表現(xiàn)出物種特異性的抗性。

圖3?Sr43編碼融合兩個DUF結構域的蛋白激酶

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

09 AgriPhenoTM 快訊

研究團隊通過基因互補實驗證實了Sr43的抗病功能（圖4）。此外，Sr43介導的抗性具有物種特異性和溫度敏感

性。通過同源序列分析，該團隊發(fā)現(xiàn)Sr43基因可能通過異位重組事件將激酶結構域募集到DUF，從而形成了蛋白

激酶結構域加兩個DUF的獨特的激酶融合蛋白（kinase fusion protein，KFP）。類似的KFP還有Pm4、Snn3、

Sm1、Tsn1、Yr36、Rpg5和Lr9，且大部分都表現(xiàn)出物種特異性的抗性。

圖3?Sr43編碼融合兩個DUF結構域的蛋白激酶

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 10

綜上所述，與作物野生近緣種相比，馴化和作物改良大大降低了遺傳多樣性。兩個研究團隊的工作證明了作物野

生近緣種作為多樣化非經(jīng)典R基因庫的來源對于抗性育種和全球糧食安全的重要性。KFPs作為植物免疫新型調節(jié)

因子會逐漸得到更多研究者的重視。

圖4?Sr43的功能驗證及其小種特異性和溫度敏感性

Wang, Y., Abrouk, M., Gourdoupis, S.?et al.?An unusual tandem kinase fusion protein confers leaf rust resistance in wheat[J].?Nature

Genetics,?2023.?https://doi.org/10.1038/s41588-023-01401-2.

Yu, G., Matny, O., Gourdoupis, S.?et al.?The wheat stem rust resistance gene Sr43 encodes an unusual protein kinase[J].?Nature

Genetics,?2023. https://doi.org/10.1038/s41588-023-01402-1.

參考文獻

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 10

綜上所述，與作物野生近緣種相比，馴化和作物改良大大降低了遺傳多樣性。兩個研究團隊的工作證明了作物野

生近緣種作為多樣化非經(jīng)典R基因庫的來源對于抗性育種和全球糧食安全的重要性。KFPs作為植物免疫新型調節(jié)

因子會逐漸得到更多研究者的重視。

圖4?Sr43的功能驗證及其小種特異性和溫度敏感性

Wang, Y., Abrouk, M., Gourdoupis, S.?et al.?An unusual tandem kinase fusion protein confers leaf rust resistance in wheat[J].?Nature

Genetics,?2023.?https://doi.org/10.1038/s41588-023-01401-2.

Yu, G., Matny, O., Gourdoupis, S.?et al.?The wheat stem rust resistance gene Sr43 encodes an unusual protein kinase[J].?Nature

Genetics,?2023. https://doi.org/10.1038/s41588-023-01402-1.

參考文獻

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

11 AgriPhenoTM 快訊

據(jù)預測，對人體內源性大麻素的調控將對幾乎所有的人類疾病具有治療潛力。新型大麻素的高需求刺激了對未利

用資源和高效合成技術的開發(fā)。目前，只有種類有限的被子植物被發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生大麻素。

近日，以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所、印度浦那國家化學實驗室、印度加濟阿巴德科學與創(chuàng)新研究學院等

的聯(lián)合研究團隊在《Nature Plants》在線發(fā)表了題為“Parallel evolution of cannabinoid biosynthesis”的研

究論文，介紹了研究團隊在菊科植物蠟菊(Helichrysum umbraculigerum)中發(fā)現(xiàn)了大麻素生物合成的獨立進化

的證據(jù)，蠟菊可產(chǎn)生大麻型大麻素（例如，4.3%的大麻酚酸）。這一發(fā)現(xiàn)提供了一套可供選擇的酶系統(tǒng)，這將

拓展合成生物學的工具箱，供研究人員操縱大麻素生物合成途徑用于藥物發(fā)現(xiàn)。

幾乎所有的陸地生態(tài)系統(tǒng)都依賴于植物生命的多樣性。區(qū)分植物與其他生物并促成植物多樣性的一個關鍵因素

是，植物是非凡的化學家。長期以來，植物生物學家一直想知道為什么植物會制造各種各樣的的化合物，以及為

什么化合物的化學特征在所有分類水平上有很大的不同？從進化的角度來看，植物科群中相同或相似代謝物的分

散分布提出了一些關鍵問題。也就是說，導致這些代謝物生物合成的途徑是否是祖先起源的并且已經(jīng)在系譜中多

次丟失，或者其生物合成途徑是否是趨同進化的產(chǎn)物？這意味著特定的化合物類別已經(jīng)成為解決數(shù)千年來對不同

的植物家族構成進化選擇壓力的方案。

大麻素是一組天然存在的化合物，由于其潛在的治療作用而獲得了極大的關注，尤其是其對疼痛管理、焦慮和炎

癥的治療作用。數(shù)十年來，大麻素的出現(xiàn)一直是個謎，只有少數(shù)幾個物種能夠產(chǎn)生這些有價值的大麻素化合物。

長期以來，人們一直認為大麻是大麻素的主要來源，而本研究結果顯示，趨同進化導致了大麻素的獨立出現(xiàn)。在

蠟菊（圖1）中出現(xiàn)了大麻素，蠟菊是一種原產(chǎn)于南部非洲的開花植物。這種大麻素生物合成的趨同現(xiàn)象可以理

解為這些植物應對食草動物和環(huán)境壓力的共同防御需求。

大麻（Cannabis sativa）是一種能產(chǎn)生包括四氫大麻酚（THC）和大麻二酚（CBD）等多種大麻素的著名植物。

THC是主要的精神活性化合物，負責產(chǎn)生與大麻有關的\"興奮\"。而CBD則具有多種治療作用，包括抗炎、鎮(zhèn)痛和

抗焦慮等。另一方面，蠟菊也被稱為 \"Keeribos\"，盡管與大麻的關系很遠，但也產(chǎn)生包括大麻酚（CBG）和大麻

酚酸（CBGA）等大麻素。這兩種植物都采用腺體毛狀體來儲存生物活性化合物，但蠟菊的大部分活性化合物都

在葉子上，而大麻的最高積累量主要在花中。蠟菊（屬于菊目）和大麻（屬于薔薇目）之間共享的最后共同祖先

發(fā)生在超過1.1億年前。鑒于菊目和薔薇目中有大量不含大麻素的植物種類，這引出了關于大麻素生物合成進化的

重要問題。

Nature Plants

大麻素生物合成的平行進化

翻開大麻素研究新篇章

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

11 AgriPhenoTM 快訊

據(jù)預測，對人體內源性大麻素的調控將對幾乎所有的人類疾病具有治療潛力。新型大麻素的高需求刺激了對未利

用資源和高效合成技術的開發(fā)。目前，只有種類有限的被子植物被發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生大麻素。

近日，以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所、印度浦那國家化學實驗室、印度加濟阿巴德科學與創(chuàng)新研究學院等

的聯(lián)合研究團隊在《Nature Plants》在線發(fā)表了題為“Parallel evolution of cannabinoid biosynthesis”的研

究論文，介紹了研究團隊在菊科植物蠟菊(Helichrysum umbraculigerum)中發(fā)現(xiàn)了大麻素生物合成的獨立進化

的證據(jù)，蠟菊可產(chǎn)生大麻型大麻素（例如，4.3%的大麻酚酸）。這一發(fā)現(xiàn)提供了一套可供選擇的酶系統(tǒng)，這將

拓展合成生物學的工具箱，供研究人員操縱大麻素生物合成途徑用于藥物發(fā)現(xiàn)。

幾乎所有的陸地生態(tài)系統(tǒng)都依賴于植物生命的多樣性。區(qū)分植物與其他生物并促成植物多樣性的一個關鍵因素

是，植物是非凡的化學家。長期以來，植物生物學家一直想知道為什么植物會制造各種各樣的的化合物，以及為

什么化合物的化學特征在所有分類水平上有很大的不同？從進化的角度來看，植物科群中相同或相似代謝物的分

散分布提出了一些關鍵問題。也就是說，導致這些代謝物生物合成的途徑是否是祖先起源的并且已經(jīng)在系譜中多

次丟失，或者其生物合成途徑是否是趨同進化的產(chǎn)物？這意味著特定的化合物類別已經(jīng)成為解決數(shù)千年來對不同

的植物家族構成進化選擇壓力的方案。

大麻素是一組天然存在的化合物，由于其潛在的治療作用而獲得了極大的關注，尤其是其對疼痛管理、焦慮和炎

癥的治療作用。數(shù)十年來，大麻素的出現(xiàn)一直是個謎，只有少數(shù)幾個物種能夠產(chǎn)生這些有價值的大麻素化合物。

長期以來，人們一直認為大麻是大麻素的主要來源，而本研究結果顯示，趨同進化導致了大麻素的獨立出現(xiàn)。在

蠟菊（圖1）中出現(xiàn)了大麻素，蠟菊是一種原產(chǎn)于南部非洲的開花植物。這種大麻素生物合成的趨同現(xiàn)象可以理

解為這些植物應對食草動物和環(huán)境壓力的共同防御需求。

大麻（Cannabis sativa）是一種能產(chǎn)生包括四氫大麻酚（THC）和大麻二酚（CBD）等多種大麻素的著名植物。

THC是主要的精神活性化合物，負責產(chǎn)生與大麻有關的\"興奮\"。而CBD則具有多種治療作用，包括抗炎、鎮(zhèn)痛和

抗焦慮等。另一方面，蠟菊也被稱為 \"Keeribos\"，盡管與大麻的關系很遠，但也產(chǎn)生包括大麻酚（CBG）和大麻

酚酸（CBGA）等大麻素。這兩種植物都采用腺體毛狀體來儲存生物活性化合物，但蠟菊的大部分活性化合物都

在葉子上，而大麻的最高積累量主要在花中。蠟菊（屬于菊目）和大麻（屬于薔薇目）之間共享的最后共同祖先

發(fā)生在超過1.1億年前。鑒于菊目和薔薇目中有大量不含大麻素的植物種類，這引出了關于大麻素生物合成進化的

重要問題。

Nature Plants

大麻素生物合成的平行進化

翻開大麻素研究新篇章

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 12

兩種植物物種中大麻素的生物合成涉及相

似的生化步驟，盡管每個步驟中涉及的特

定酶通常是重復進化的產(chǎn)物（在不同時間

從相似的酶家族成員募集）。在這兩種植

物中，大麻素的生物合成始于?；o酶A硫

代酯7的產(chǎn)生。雖然酰基活化酶（AAE）的

超家族參與兩個物種的大麻素合成通路，

且大麻和蠟菊共享相同進化樹的AAE用于

合成小酰基輔酶a，但HuCoAT6對蠟菊具有

特異性。HuCoAT6屬于長鏈?；o酶a合成

酶的單獨進化枝，為該途徑的獨立進化提

供證據(jù)。

大麻素生物合成途徑的下一步是通過橄欖

酸合成酶（OLS）形成橄欖酸（OA）。在

大麻中，有兩種酶需要相互作用才能形成

OA，即聚酮化合物合酶CsOLS和輔助蛋白（CsOAC）分別偶聯(lián)以進行縮合和環(huán)化反應。本研究測試了蠟菊中的幾

種聚酮化合物合酶，并且用一個品種制備了中間體橄欖醇。研究團隊找不到能夠產(chǎn)生OA同源OAC候選物的任何組

合。很明顯，在蠟菊中含有尚未發(fā)現(xiàn)的OAC或無關的新功能化環(huán)化酶。

接下來，OA通過CBG合成酶轉化為大麻酚酸（CBGA）。CBGA是其他幾種大麻素的前體，包括大麻中的THC和

CBD以及蠟菊中的CBG。再一次，蠟菊中的異戊二烯基轉移酶與CBG合酶進行類似的生化反應，這二者不是直系

同源的，很可能是獨立進化的產(chǎn)物。有趣的是，雖然大麻通過一系列酶促反應產(chǎn)生THC和CBD，而蠟菊產(chǎn)生CBG

作為其主要大麻素。

雖然在本研究中兩個物種之間大麻素生物合成途徑的趨同是顯而易見的，但研究團隊也提供了兩個植物家族之間

大麻素存在不同的證據(jù)。具體而言，研究團隊發(fā)現(xiàn)了許多修飾蠟菊基本CBG結構的修飾酶，這些修飾酶功能包括

糖基化和?；?，可能影響CBG的儲存、穩(wěn)定性和運輸。這些不同為植物利用化學小分子的進化演變來解決施加

在兩種植物科群上的不同生態(tài)壓力提供了證據(jù)。

數(shù)百年來，人類一直在利用多種多樣的植物源代謝物來實現(xiàn)藥用、工業(yè)和美容的需求。鑒于這些植源性化合物

只有一小部分被人類詳細分析和研究，可能仍有數(shù)千種化合物能從植物中被發(fā)現(xiàn)。提高人類對植物如何生產(chǎn)大

量生物活性化合物的理解，會增加化學家和植物科學家可用的合成生物學工具，以提高這些有價值的天然產(chǎn)物

的產(chǎn)量，或開發(fā)和修改這些化合物以擴大其效力或生理效果。

圖4?Sr43的功能驗證及其小種特異性和溫度敏感性

Berman P, de Haro L A, Jozwiak A,?et al.?Parallel evolution of cannabinoid biosynthesis[J].?Nature Plants,?2023: 1-15.

參考文獻

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 12

兩種植物物種中大麻素的生物合成涉及相

似的生化步驟，盡管每個步驟中涉及的特

定酶通常是重復進化的產(chǎn)物（在不同時間

從相似的酶家族成員募集）。在這兩種植

物中，大麻素的生物合成始于?；o酶A硫

代酯7的產(chǎn)生。雖然?；罨福ˋAE）的

超家族參與兩個物種的大麻素合成通路，

且大麻和蠟菊共享相同進化樹的AAE用于

合成小?；o酶a，但HuCoAT6對蠟菊具有

特異性。HuCoAT6屬于長鏈?；o酶a合成

酶的單獨進化枝，為該途徑的獨立進化提

供證據(jù)。

大麻素生物合成途徑的下一步是通過橄欖

酸合成酶（OLS）形成橄欖酸（OA）。在

大麻中，有兩種酶需要相互作用才能形成

OA，即聚酮化合物合酶CsOLS和輔助蛋白（CsOAC）分別偶聯(lián)以進行縮合和環(huán)化反應。本研究測試了蠟菊中的幾

種聚酮化合物合酶，并且用一個品種制備了中間體橄欖醇。研究團隊找不到能夠產(chǎn)生OA同源OAC候選物的任何組

合。很明顯，在蠟菊中含有尚未發(fā)現(xiàn)的OAC或無關的新功能化環(huán)化酶。

接下來，OA通過CBG合成酶轉化為大麻酚酸（CBGA）。CBGA是其他幾種大麻素的前體，包括大麻中的THC和

CBD以及蠟菊中的CBG。再一次，蠟菊中的異戊二烯基轉移酶與CBG合酶進行類似的生化反應，這二者不是直系

同源的，很可能是獨立進化的產(chǎn)物。有趣的是，雖然大麻通過一系列酶促反應產(chǎn)生THC和CBD，而蠟菊產(chǎn)生CBG

作為其主要大麻素。

雖然在本研究中兩個物種之間大麻素生物合成途徑的趨同是顯而易見的，但研究團隊也提供了兩個植物家族之間

大麻素存在不同的證據(jù)。具體而言，研究團隊發(fā)現(xiàn)了許多修飾蠟菊基本CBG結構的修飾酶，這些修飾酶功能包括

糖基化和?；?，可能影響CBG的儲存、穩(wěn)定性和運輸。這些不同為植物利用化學小分子的進化演變來解決施加

在兩種植物科群上的不同生態(tài)壓力提供了證據(jù)。

數(shù)百年來，人類一直在利用多種多樣的植物源代謝物來實現(xiàn)藥用、工業(yè)和美容的需求。鑒于這些植源性化合物

只有一小部分被人類詳細分析和研究，可能仍有數(shù)千種化合物能從植物中被發(fā)現(xiàn)。提高人類對植物如何生產(chǎn)大

量生物活性化合物的理解，會增加化學家和植物科學家可用的合成生物學工具，以提高這些有價值的天然產(chǎn)物

的產(chǎn)量，或開發(fā)和修改這些化合物以擴大其效力或生理效果。

圖4?Sr43的功能驗證及其小種特異性和溫度敏感性

Berman P, de Haro L A, Jozwiak A,?et al.?Parallel evolution of cannabinoid biosynthesis[J].?Nature Plants,?2023: 1-15.

參考文獻

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

13 AgriPhenoTM 快訊

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，是一半人口的主食，生產(chǎn)上常受到稻瘟病、紋枯病等多種病害威脅。由稻

瘟病菌引起的稻瘟病每年造成的產(chǎn)量損失可以養(yǎng)活6000多萬人。水稻適用于基因編輯技術，培育抗病特別是廣譜

抗病水稻品種，是實現(xiàn)作物病害綠色防控的有效措施。

2023年6月14日，Nature發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學李國田教授團隊牽頭完成的題為“Genome editing of a rice

CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance”的研究論文，該團隊通過篩選病變模擬突變體(LMM)

克隆到了“RBL1”廣譜抗病基因，此突變體具有廣譜抗病性但會造成嚴重減產(chǎn)。通過靶向基因編輯RBL1，獲得

了rbl1Δ12突變體，并經(jīng)多年田間試驗評估，該突變體具有廣譜抗病性，但不會降低產(chǎn)量。

研究團隊首先從KitaaKe水稻1500多份已全基因組測序的快中子誘變系中，篩選到了稻瘟菌抗性增強的名為rbl1的

LMM，但該突變體具有低育性（圖1a-f）。接種稻瘟菌后，與KitaaKe相比，真菌菌絲在rbl1中的傳播受到限制，

rbl1表現(xiàn)出ROS的顯著上調、水楊酸的積累和植物防御相關基因的激活（補充圖2）。對rbl1植株的分離群體進行

遺傳分析和測序，在RBL1基因中發(fā)現(xiàn)了一個29個堿基對(bp)的缺失(LOC_Os01g55360)（圖1j）。蛋白序列分析和

遺傳互補實驗證實RBL1是致病基因（圖1k-p）。此外通過組織定量實驗和GUS染色分析可知，RBL1在所有組織中

轉錄，在葉片中含量最高，且其表達受到稻瘟菌感染的誘導。

文/杜曉菲

Nature

中國科研團隊通過基因編輯

獲得具有廣譜抗病性且穩(wěn)產(chǎn)的水稻株系

圖1?植物天然免疫受體和激酶融合蛋白（KFPs）的結構域

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

13 AgriPhenoTM 快訊

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，是一半人口的主食，生產(chǎn)上常受到稻瘟病、紋枯病等多種病害威脅。由稻

瘟病菌引起的稻瘟病每年造成的產(chǎn)量損失可以養(yǎng)活6000多萬人。水稻適用于基因編輯技術，培育抗病特別是廣譜

抗病水稻品種，是實現(xiàn)作物病害綠色防控的有效措施。

2023年6月14日，Nature發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學李國田教授團隊牽頭完成的題為“Genome editing of a rice

CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance”的研究論文，該團隊通過篩選病變模擬突變體(LMM)

克隆到了“RBL1”廣譜抗病基因，此突變體具有廣譜抗病性但會造成嚴重減產(chǎn)。通過靶向基因編輯RBL1，獲得

了rbl1Δ12突變體，并經(jīng)多年田間試驗評估，該突變體具有廣譜抗病性，但不會降低產(chǎn)量。

研究團隊首先從KitaaKe水稻1500多份已全基因組測序的快中子誘變系中，篩選到了稻瘟菌抗性增強的名為rbl1的

LMM，但該突變體具有低育性（圖1a-f）。接種稻瘟菌后，與KitaaKe相比，真菌菌絲在rbl1中的傳播受到限制，

rbl1表現(xiàn)出ROS的顯著上調、水楊酸的積累和植物防御相關基因的激活（補充圖2）。對rbl1植株的分離群體進行

遺傳分析和測序，在RBL1基因中發(fā)現(xiàn)了一個29個堿基對(bp)的缺失(LOC_Os01g55360)（圖1j）。蛋白序列分析和

遺傳互補實驗證實RBL1是致病基因（圖1k-p）。此外通過組織定量實驗和GUS染色分析可知，RBL1在所有組織中

轉錄，在葉片中含量最高，且其表達受到稻瘟菌感染的誘導。

文/杜曉菲

Nature

中國科研團隊通過基因編輯

獲得具有廣譜抗病性且穩(wěn)產(chǎn)的水稻株系

圖1?植物天然免疫受體和激酶融合蛋白（KFPs）的結構域

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 14

為鑒定RBL1的生物學功能，通過酵母實驗和脂質組學分析，RBL1作為一

種完整的膜蛋白，具有CDP-DAG合成酶的功能（圖2 a-c）。利用脂質組

學技術在rbl1和KitaaKe水稻中測定CDS1相關的植物甘油酯代謝途徑上

的脂類，相對KitaaKe，rbl1水稻中磷脂酸（PA）和DAG的含量升高，磷

脂酰肌醇（PI）和磷脂酰甘油（PG）的水平顯著降低（圖2d）。且磷脂

酰肌醇的減少是磷脂改變最顯著的結果（圖2e）。

圖1?植物天然免疫受體和激酶融合蛋白（KFPs）的結構域

補充圖1 與胞苷二磷酸-甘油二酯合成酶1（CDS1）相關的植物甘油脂代謝途徑

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 14

為鑒定RBL1的生物學功能，通過酵母實驗和脂質組學分析，RBL1作為一

種完整的膜蛋白，具有CDP-DAG合成酶的功能（圖2 a-c）。利用脂質組

學技術在rbl1和KitaaKe水稻中測定CDS1相關的植物甘油酯代謝途徑上

的脂類，相對KitaaKe，rbl1水稻中磷脂酸（PA）和DAG的含量升高，磷

脂酰肌醇（PI）和磷脂酰甘油（PG）的水平顯著降低（圖2d）。且磷脂

酰肌醇的減少是磷脂改變最顯著的結果（圖2e）。

圖1?植物天然免疫受體和激酶融合蛋白（KFPs）的結構域

補充圖1 與胞苷二磷酸-甘油二酯合成酶1（CDS1）相關的植物甘油脂代謝途徑

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

15 AgriPhenoTM 快訊

補充圖5 外源添加磷脂酰肌醇延緩了rbl1的病斑形成

圖2-1 ?RBL1作為CDP - DAG合成酶發(fā)揮功能，rbl1中磷脂酰肌醇水平升高能更好地平衡抗性和生物量

為了測試外源性補充磷脂是否可以挽救LMM表型，我們進行了化學互補試驗，觀察到外源添加磷脂酰肌醇的培養(yǎng)

基，推遲了rbl1的病斑形成，而磷脂酸加速了的病斑形成(補充圖5a - d)。將呼吸爆發(fā)氧化酶同源蛋白( RBOH ) 抑

制劑二亞苯基碘化銨應用于rbl1，可以緩解LMM表型(補充圖5e)。

為了測試增加磷脂酰肌醇的含量是否可以挽救LMM表型，研究團隊在rbl1中過表達水稻PIS1（OsPIS1）。與rbl1

相比，OsPIS1：：rbl1系中的病斑比例減少（圖）。2f-i），病程相關（PR）基因的表達量和稻瘟菌抗性降低，

但高于KitaaKe（圖2f-j）。同時OsPIS1::rbl1植株的磷脂酰肌醇含量恢復到KitaaKe的80%，PtdInsP和PtdInsP2的

含量完全恢復（圖2k）。同樣在rbl1中過表達了磷脂酸磷酸水解酶編碼基因OsPAH2(圖2i)。OsPAH2::rbl1系中磷

脂酸含量恢復，PR基因的表達水平僅略有下降，病斑比例和稻瘟菌抗性沒有改變(圖2m-o)。這表明rbl1中磷脂酸

水平的升高僅以有限的方式有助于增強免疫力。因此該團隊隨后的研究重點放在磷脂酰肌醇衍生物上。

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

15 AgriPhenoTM 快訊

補充圖5 外源添加磷脂酰肌醇延緩了rbl1的病斑形成

圖2-1 ?RBL1作為CDP - DAG合成酶發(fā)揮功能，rbl1中磷脂酰肌醇水平升高能更好地平衡抗性和生物量

為了測試外源性補充磷脂是否可以挽救LMM表型，我們進行了化學互補試驗，觀察到外源添加磷脂酰肌醇的培養(yǎng)

基，推遲了rbl1的病斑形成，而磷脂酸加速了的病斑形成(補充圖5a - d)。將呼吸爆發(fā)氧化酶同源蛋白( RBOH ) 抑

制劑二亞苯基碘化銨應用于rbl1，可以緩解LMM表型(補充圖5e)。

為了測試增加磷脂酰肌醇的含量是否可以挽救LMM表型，研究團隊在rbl1中過表達水稻PIS1（OsPIS1）。與rbl1

相比，OsPIS1：：rbl1系中的病斑比例減少（圖）。2f-i），病程相關（PR）基因的表達量和稻瘟菌抗性降低，

但高于KitaaKe（圖2f-j）。同時OsPIS1::rbl1植株的磷脂酰肌醇含量恢復到KitaaKe的80%，PtdInsP和PtdInsP2的

含量完全恢復（圖2k）。同樣在rbl1中過表達了磷脂酸磷酸水解酶編碼基因OsPAH2(圖2i)。OsPAH2::rbl1系中磷

脂酸含量恢復，PR基因的表達水平僅略有下降，病斑比例和稻瘟菌抗性沒有改變(圖2m-o)。這表明rbl1中磷脂酸

水平的升高僅以有限的方式有助于增強免疫力。因此該團隊隨后的研究重點放在磷脂酰肌醇衍生物上。

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 16

脂質印跡結果顯示在rbl1植物中膜PtdIns(4,5)P2減少（圖3a，b），為進一步分析真菌侵染過程中PtdIns(4,5)P2

在原位的時空變化，研究團隊構建了表達PtdIns(4,5)P2生物傳感器的穩(wěn)定轉基因水稻品系。在Kitaake中沿質膜

均勻分布，但在rbl1中，PtdIns(4,5)P2在質膜上的信號微弱，并存在于未知囊泡中（圖3c），蛋白印跡Western

blotting結果和熒光信號顯著降低(圖3d,e)。在稻瘟菌侵染后，PtdIns(4,5)P2迅速響應并聚集在侵入型菌絲尖端并

侵襲外菌絲膜(EIHM)上（圖3g,h），富集在BIC感染特異性結構中（圖3i），但在rbl1中的細胞質未觀察到，BIC

形成率僅7.1%，遠低于Kitaake的93.3%。綜合來看PtdIns（4,5）P2在真菌和水稻的相互作用中發(fā)揮重要作用。

圖2-2 ?RBL1作為CDP - DAG合成酶發(fā)揮功能，rbl1中磷脂酰肌醇水平升高能更好地平衡抗性和生物量

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 16

脂質印跡結果顯示在rbl1植物中膜PtdIns(4,5)P2減少（圖3a，b），為進一步分析真菌侵染過程中PtdIns(4,5)P2

在原位的時空變化，研究團隊構建了表達PtdIns(4,5)P2生物傳感器的穩(wěn)定轉基因水稻品系。在Kitaake中沿質膜

均勻分布，但在rbl1中，PtdIns(4,5)P2在質膜上的信號微弱，并存在于未知囊泡中（圖3c），蛋白印跡Western

blotting結果和熒光信號顯著降低(圖3d,e)。在稻瘟菌侵染后，PtdIns(4,5)P2迅速響應并聚集在侵入型菌絲尖端并

侵襲外菌絲膜(EIHM)上（圖3g,h），富集在BIC感染特異性結構中（圖3i），但在rbl1中的細胞質未觀察到，BIC

形成率僅7.1%，遠低于Kitaake的93.3%。綜合來看PtdIns（4,5）P2在真菌和水稻的相互作用中發(fā)揮重要作用。

圖2-2 ?RBL1作為CDP - DAG合成酶發(fā)揮功能，rbl1中磷脂酰肌醇水平升高能更好地平衡抗性和生物量

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

17 AgriPhenoTM 快訊

rbl1株系具有廣譜抗病性，但產(chǎn)量降低了約20倍，為了平衡抗病性和產(chǎn)量，通過多重基因組編輯來構建和篩選編

輯株系，發(fā)現(xiàn)12個堿基缺失的rbl1Δ12株系，表現(xiàn)出微小超敏反應樣病變，且產(chǎn)生正常的種子（圖4c，d），對

10個稻瘟菌、5個Xoo菌株和2個稻曲病菌的菌株具有抗性（圖4 e-j）。相應地，與Kitaake相比，rbl1Δ12感染稻

曲病菌的穎花中真菌毒素水平降低了66.2 % (圖4i )。通過無轉基因種子進行大田試驗，在不同地區(qū)低稻瘟菌的水

稻產(chǎn)區(qū)種植，評估了多個關鍵農(nóng)藝性狀，株高、單株分蘗數(shù)、結實率、千粒重和籽粒產(chǎn)量。除株高外，rbl1Δ12

和Kitaake的所有測量性狀無明顯差異。綜上所述，Kitaake水稻的RBL1Δ12等位基因具有強大的廣譜抗病性，而

不會降低產(chǎn)量。

圖3 ?rbl1植株中富集在侵染特異性結構中Ptd Ins ( 4,5)P2減少

圖4-1 ?rbl1Δ12具有廣譜抗病性，且在田間試驗中沒有觀察到產(chǎn)量損失

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

17 AgriPhenoTM 快訊

rbl1株系具有廣譜抗病性，但產(chǎn)量降低了約20倍，為了平衡抗病性和產(chǎn)量，通過多重基因組編輯來構建和篩選編

輯株系，發(fā)現(xiàn)12個堿基缺失的rbl1Δ12株系，表現(xiàn)出微小超敏反應樣病變，且產(chǎn)生正常的種子（圖4c，d），對

10個稻瘟菌、5個Xoo菌株和2個稻曲病菌的菌株具有抗性（圖4 e-j）。相應地，與Kitaake相比，rbl1Δ12感染稻

曲病菌的穎花中真菌毒素水平降低了66.2 % (圖4i )。通過無轉基因種子進行大田試驗，在不同地區(qū)低稻瘟菌的水

稻產(chǎn)區(qū)種植，評估了多個關鍵農(nóng)藝性狀，株高、單株分蘗數(shù)、結實率、千粒重和籽粒產(chǎn)量。除株高外，rbl1Δ12

和Kitaake的所有測量性狀無明顯差異。綜上所述，Kitaake水稻的RBL1Δ12等位基因具有強大的廣譜抗病性，而

不會降低產(chǎn)量。

圖3 ?rbl1植株中富集在侵染特異性結構中Ptd Ins ( 4,5)P2減少

圖4-1 ?rbl1Δ12具有廣譜抗病性，且在田間試驗中沒有觀察到產(chǎn)量損失

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 18

rbl1Δ12

中缺失的4個氨基酸具有保守性，ROS水平響應幾丁質與其他水稻類似，此外RBL1基因表達水平顯著降低

（補充圖7b-d）。RBL1可回補rbl1Δ12

，但rbl1Δ12

不能回補rbl1（補充圖7j-i），與rbl1Δ12

與Kitaake雜交的F2群體

中稻瘟病菌抗性表現(xiàn)也證實了互補結果，說明RBL1位點以反向劑量調節(jié)來促進免疫力（補充圖7m-o）。此外研

究團隊在兩個水稻品種“日本晴”和“中華11號”中生成了RBL1編輯的株系，稻瘟病菌抗性增強，生長正常，

類似于rbl1Δ12

(補充圖9)。

圖4-2 ?rbl1Δ12具有廣譜抗病性，且在田間試驗中沒有觀察到產(chǎn)量損失

補充圖7-1 ?rbl1Δ12株系及等位基因的鑒定

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 18

rbl1Δ12

中缺失的4個氨基酸具有保守性，ROS水平響應幾丁質與其他水稻類似，此外RBL1基因表達水平顯著降低

（補充圖7b-d）。RBL1可回補rbl1Δ12

，但rbl1Δ12

不能回補rbl1（補充圖7j-i），與rbl1Δ12

與Kitaake雜交的F2群體

中稻瘟病菌抗性表現(xiàn)也證實了互補結果，說明RBL1位點以反向劑量調節(jié)來促進免疫力（補充圖7m-o）。此外研

究團隊在兩個水稻品種“日本晴”和“中華11號”中生成了RBL1編輯的株系，稻瘟病菌抗性增強，生長正常，

類似于rbl1Δ12

(補充圖9)。

圖4-2 ?rbl1Δ12具有廣譜抗病性，且在田間試驗中沒有觀察到產(chǎn)量損失

補充圖7-1 ?rbl1Δ12株系及等位基因的鑒定

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

19 AgriPhenoTM 快訊

本研究結果揭示了磷脂代謝與抗病性的關系，獲得了具有廣譜抗病性但不降低產(chǎn)量的株系，表明了微調參與感染

特異性結構形成的宿主因子是平衡免疫力和產(chǎn)量的策略，為作物抗病研究方向做出重要參考，應加大基因編輯技

術對負調節(jié)因子的改造利用，且對不同的LMM基因和作物具有重要的參考價值。

華中農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)微生物資源發(fā)掘與利用全國重點實驗室、湖北洪山實驗室李國田教授和加州大學戴維斯分校/

勞倫斯伯克利國家實驗室Pamela C. Ronald院士為該論文共同通訊作者。李國田教授團隊博士研究生沙干、孫鵬

為本論文共同第一作者。西北農(nóng)林科技大學康振生院士、法國波爾多大學Yohann Boutté教授、作物遺傳改良全

國重點實驗室郭亮教授、李強教授和謝卡斌教授、江西省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所黃仁良副研究員、農(nóng)業(yè)微生物資

源發(fā)掘與利用全國重點實驗室鄭露副教授、深圳華大生命科學研究院丘璨瑜副研究員、山東省農(nóng)科院徐建第研究

員、澳大利亞阿德萊德大學Jenny Mortimer教授等國內外科研機構研究人員參與了合作研究。

補充圖7 ?rbl1Δ12株系及等位基因的鑒定

Sha, G., Sun, P., Kong, X.,?et al.?Genome editing of a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance[J].?Nature,?2023, 618,

1017–1023.

參考文獻

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

19 AgriPhenoTM 快訊

本研究結果揭示了磷脂代謝與抗病性的關系，獲得了具有廣譜抗病性但不降低產(chǎn)量的株系，表明了微調參與感染

特異性結構形成的宿主因子是平衡免疫力和產(chǎn)量的策略，為作物抗病研究方向做出重要參考，應加大基因編輯技

術對負調節(jié)因子的改造利用，且對不同的LMM基因和作物具有重要的參考價值。

華中農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)微生物資源發(fā)掘與利用全國重點實驗室、湖北洪山實驗室李國田教授和加州大學戴維斯分校/

勞倫斯伯克利國家實驗室Pamela C. Ronald院士為該論文共同通訊作者。李國田教授團隊博士研究生沙干、孫鵬

為本論文共同第一作者。西北農(nóng)林科技大學康振生院士、法國波爾多大學Yohann Boutté教授、作物遺傳改良全

國重點實驗室郭亮教授、李強教授和謝卡斌教授、江西省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所黃仁良副研究員、農(nóng)業(yè)微生物資

源發(fā)掘與利用全國重點實驗室鄭露副教授、深圳華大生命科學研究院丘璨瑜副研究員、山東省農(nóng)科院徐建第研究

員、澳大利亞阿德萊德大學Jenny Mortimer教授等國內外科研機構研究人員參與了合作研究。

補充圖7 ?rbl1Δ12株系及等位基因的鑒定

Sha, G., Sun, P., Kong, X.,?et al.?Genome editing of a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance[J].?Nature,?2023, 618,

1017–1023.

參考文獻

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 20

單倍體育種技術能顯著縮短純系獲得的時間，已成為玉米現(xiàn)代作物育種關鍵共性技術。基于研究團隊前期在玉

米中克隆的關鍵誘導基因ZmPLA1和ZmDMP，已成功將玉米單倍體誘導體系拓展至水稻、小麥、谷子、番茄、

苜蓿、油菜、煙草、馬鈴薯、西瓜等作物中。

通過雙單倍體（Doubled Haploid，DH）育種技術的運用，純系只需1-2個世代即可產(chǎn)生，顯著縮短育種周期，

大大加快了育種進程。DH系生產(chǎn)包括3個環(huán)節(jié)，即單倍體誘導、單倍體加倍和DH系繁殖與鑒定，每個環(huán)節(jié)都對純

系的生產(chǎn)效率至關重要。由于多數(shù)物種中誘導后所獲得的單倍體只占后代的2%左右，因此需要一套高效鑒別體系

以實現(xiàn)單倍體的快速挑選?，F(xiàn)有的單倍體鑒別體系中，R1-nj、RFP和eGFP標記雖已被成功應用于玉米、番茄等作

物的單倍體鑒別，但R1-nj目前僅限在玉米中使用且易受種質背景的影響，RFP和eGFP則依賴特定的設備。因此，

目前仍缺乏一種高效、可視化的單倍體鑒別標記。甜菜紅素是以酪氨酸為底物經(jīng)CYP76AD1、DODA、GT三種酶

催化合成的產(chǎn)物，甜菜紅素合成系統(tǒng)RUBY則將這三種酶的合成偶聯(lián)到一個開放的閱讀框中。酪氨酸在植物細胞內

廣泛存在，理論上RUBY能在植物的任何組織中表達，是理想的單倍體鑒別標記。

近日，中國農(nóng)業(yè)大學國家玉米改良中心的研究團隊在《Plant Biotechnology Journal》在線發(fā)表了題為“The?

RUBY reporter enables efficient haploid identification in maize and tomato”的研究論文，介紹了研究團隊首

次將甜菜紅素標記，用于玉米和番茄單倍體的高效鑒別，為玉米和番茄單倍體生產(chǎn)提供了有力工具，為跨作物

單倍體鑒別體系創(chuàng)建提供了重要借鑒。

PBJ：

作物通用型、高效可視化單倍體鑒別系統(tǒng)

RUBY

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 20

單倍體育種技術能顯著縮短純系獲得的時間，已成為玉米現(xiàn)代作物育種關鍵共性技術?；谘芯繄F隊前期在玉

米中克隆的關鍵誘導基因ZmPLA1和ZmDMP，已成功將玉米單倍體誘導體系拓展至水稻、小麥、谷子、番茄、

苜蓿、油菜、煙草、馬鈴薯、西瓜等作物中。

通過雙單倍體（Doubled Haploid，DH）育種技術的運用，純系只需1-2個世代即可產(chǎn)生，顯著縮短育種周期，

大大加快了育種進程。DH系生產(chǎn)包括3個環(huán)節(jié)，即單倍體誘導、單倍體加倍和DH系繁殖與鑒定，每個環(huán)節(jié)都對純

系的生產(chǎn)效率至關重要。由于多數(shù)物種中誘導后所獲得的單倍體只占后代的2%左右，因此需要一套高效鑒別體系

以實現(xiàn)單倍體的快速挑選?，F(xiàn)有的單倍體鑒別體系中，R1-nj、RFP和eGFP標記雖已被成功應用于玉米、番茄等作

物的單倍體鑒別，但R1-nj目前僅限在玉米中使用且易受種質背景的影響，RFP和eGFP則依賴特定的設備。因此，

目前仍缺乏一種高效、可視化的單倍體鑒別標記。甜菜紅素是以酪氨酸為底物經(jīng)CYP76AD1、DODA、GT三種酶

催化合成的產(chǎn)物，甜菜紅素合成系統(tǒng)RUBY則將這三種酶的合成偶聯(lián)到一個開放的閱讀框中。酪氨酸在植物細胞內

廣泛存在，理論上RUBY能在植物的任何組織中表達，是理想的單倍體鑒別標記。

近日，中國農(nóng)業(yè)大學國家玉米改良中心的研究團隊在《Plant Biotechnology Journal》在線發(fā)表了題為“The?

RUBY reporter enables efficient haploid identification in maize and tomato”的研究論文，介紹了研究團隊首

次將甜菜紅素標記，用于玉米和番茄單倍體的高效鑒別，為玉米和番茄單倍體生產(chǎn)提供了有力工具，為跨作物

單倍體鑒別體系創(chuàng)建提供了重要借鑒。

PBJ：

作物通用型、高效可視化單倍體鑒別系統(tǒng)

RUBY

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

21 AgriPhenoTM 快訊

研究團隊將甜菜紅素合成系統(tǒng)RUBY導入玉米單倍體誘導系中，創(chuàng)制了在幼胚、幼芽、幼苗和成熟植株均能大量

積累甜菜紅素的RUBY誘導系（圖1）。為了在不同的生長階段實現(xiàn)甜菜紅素的積累，研究團隊選擇ZmUBI啟動

子來驅動RUBY在玉米中的表達（圖1a）。載體轉化后，得到了六個陽性轉基因事件。轉基因事件#1、#2和#3

的葉片、莖、籽粒均表現(xiàn)出正常的顏色，因此這些事件被棄選。轉基因事件#4和#5表現(xiàn)出紅綠條紋的葉片、綠

色的莖和深紅色的種子，轉基因事件#6在莖、葉和種子均顯出強烈的紅色素沉淀。將轉基因事件#5與單倍體誘

導系CHOI4雜交獲得F1種子攜帶RUBY標記，將F1種植并自交得到F2分離后代。在F2中，所有的植物都進行了基

因分型和自交，挑選出其中3個攜帶雜合的Zmpla1、Zmdmp和RUBY基因型的個體自交產(chǎn)生F3。通過檢測F3代

每個自交果穗上的籽粒，研究團隊確定了一個具有純合Zmpla1、Zmdmp和RUBY等位基因的個體作為RUBY單

倍體誘導系（也稱RUBY誘導系）（圖1b），其莖、葉、雄穗（圖1b）、授粉15天的籽粒胚（圖1c）、萌發(fā)的

根和芽（圖1d&e）、雌穗（圖1f）、幼苗（圖1g）均表現(xiàn)出深紅紫色，且成熟的籽粒胚中色素沉淀也要明顯高

于誘導系CHOI4（1h&i）。

為了評估RUBY標記在雜交誘導中的表現(xiàn)，研究團隊利用ZD958作為雌性親本與RUBY誘導系雜交，雜交種的籽粒

呈紅色（圖1h）。籽粒的垂直切面顯示，甜菜紅素主要在胚和糊粉層中積累，而在胚乳中比較少（圖1h）。在雜

交后代籽粒中，研究團隊還發(fā)現(xiàn)了具有紅色糊粉層和無色胚的籽粒，這些籽粒是單倍體（圖1h）。與來自ZD958

和CHOI4雜交誘導產(chǎn)生的單倍體籽粒相比，ZD958和RUBY雜交誘導產(chǎn)生的單倍體籽粒胚的色素沉淀要強得多（圖

1h&i）。

圖1 玉米RUBY單倍體誘導系的開發(fā)和特征

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

21 AgriPhenoTM 快訊

研究團隊將甜菜紅素合成系統(tǒng)RUBY導入玉米單倍體誘導系中，創(chuàng)制了在幼胚、幼芽、幼苗和成熟植株均能大量

積累甜菜紅素的RUBY誘導系（圖1）。為了在不同的生長階段實現(xiàn)甜菜紅素的積累，研究團隊選擇ZmUBI啟動

子來驅動RUBY在玉米中的表達（圖1a）。載體轉化后，得到了六個陽性轉基因事件。轉基因事件#1、#2和#3

的葉片、莖、籽粒均表現(xiàn)出正常的顏色，因此這些事件被棄選。轉基因事件#4和#5表現(xiàn)出紅綠條紋的葉片、綠

色的莖和深紅色的種子，轉基因事件#6在莖、葉和種子均顯出強烈的紅色素沉淀。將轉基因事件#5與單倍體誘

導系CHOI4雜交獲得F1種子攜帶RUBY標記，將F1種植并自交得到F2分離后代。在F2中，所有的植物都進行了基

因分型和自交，挑選出其中3個攜帶雜合的Zmpla1、Zmdmp和RUBY基因型的個體自交產(chǎn)生F3。通過檢測F3代

每個自交果穗上的籽粒，研究團隊確定了一個具有純合Zmpla1、Zmdmp和RUBY等位基因的個體作為RUBY單

倍體誘導系（也稱RUBY誘導系）（圖1b），其莖、葉、雄穗（圖1b）、授粉15天的籽粒胚（圖1c）、萌發(fā)的

根和芽（圖1d&e）、雌穗（圖1f）、幼苗（圖1g）均表現(xiàn)出深紅紫色，且成熟的籽粒胚中色素沉淀也要明顯高

于誘導系CHOI4（1h&i）。

為了評估RUBY標記在雜交誘導中的表現(xiàn)，研究團隊利用ZD958作為雌性親本與RUBY誘導系雜交，雜交種的籽粒

呈紅色（圖1h）。籽粒的垂直切面顯示，甜菜紅素主要在胚和糊粉層中積累，而在胚乳中比較少（圖1h）。在雜

交后代籽粒中，研究團隊還發(fā)現(xiàn)了具有紅色糊粉層和無色胚的籽粒，這些籽粒是單倍體（圖1h）。與來自ZD958

和CHOI4雜交誘導產(chǎn)生的單倍體籽粒相比，ZD958和RUBY雜交誘導產(chǎn)生的單倍體籽粒胚的色素沉淀要強得多（圖

1h&i）。

圖1 玉米RUBY單倍體誘導系的開發(fā)和特征

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 22

進一步的研究表明，RUBY在授粉后10天的雜交幼胚中便能顯色，且隨著授粉時間的增加，顏色逐漸加深；經(jīng)24

小時的體外培養(yǎng)后，甜菜紅素能進一步積累，可實現(xiàn)玉米單倍幼胚的鑒別，準確率高達100%（圖2）。

許多熱帶和溫帶的玉米種質都攜帶

R1-nj的抑制因子，如C1-l阻礙花青

素的積累，導致弱色或無色的籽粒

胚的表型。為了測試RUBY在這些

C1-l種質中的表現(xiàn)和穩(wěn)定性，研究

團隊將純合的RUBY單倍體誘導系、

CHOI4和MAGIC1，分別與攜帶C1-l

的自交系Zong31雜交。在授粉后

10天時，Zong31與RUBY誘導系雜

交產(chǎn)生的二倍體在0小時內表現(xiàn)淺

紅色，在體外培養(yǎng)24小時后顯示深

紅色（圖3a）。而來自Zong31與

CHOI4、Zong31與MAGIC1雜交產(chǎn)

生的二倍體沒有表現(xiàn)出可見的花青

素沉淀，即使在體外培養(yǎng)24小時后

也是如此（圖3a）。在授粉后16

天，來自Zong31與RUBY誘導系雜

交的二倍體籽粒胚顯示出深紅紫色，且比授粉后10天時更明顯（圖3a）。Zong31與CHOI4雜交產(chǎn)生的二倍體籽

粒胚仍然是無色的（圖3a），Zong31與MAGIC1雜交產(chǎn)生的二倍體籽粒胚則顯示出良好的色素表現(xiàn)，但花青素

在胚中分布不均（圖3a）。XY335、ZND632和ZND688與RUBY誘導系雜交產(chǎn)生的二倍體和單倍體的籽粒胚在授

粉后10天和16天時表現(xiàn)出不同的色素沉淀。這些結果表明，甜菜紅素可以克制色素抑制因子的影響，并在不同

種質中發(fā)揮作用。

圖2 利用未成熟的胚鑒定玉米RUBY誘導系產(chǎn)生的單倍體

圖3 RUBY在玉米不同種質中的功能

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 22

進一步的研究表明，RUBY在授粉后10天的雜交幼胚中便能顯色，且隨著授粉時間的增加，顏色逐漸加深；經(jīng)24

小時的體外培養(yǎng)后，甜菜紅素能進一步積累，可實現(xiàn)玉米單倍幼胚的鑒別，準確率高達100%（圖2）。

許多熱帶和溫帶的玉米種質都攜帶

R1-nj的抑制因子，如C1-l阻礙花青

素的積累，導致弱色或無色的籽粒

胚的表型。為了測試RUBY在這些

C1-l種質中的表現(xiàn)和穩(wěn)定性，研究

團隊將純合的RUBY單倍體誘導系、

CHOI4和MAGIC1，分別與攜帶C1-l

的自交系Zong31雜交。在授粉后

10天時，Zong31與RUBY誘導系雜

交產(chǎn)生的二倍體在0小時內表現(xiàn)淺

紅色，在體外培養(yǎng)24小時后顯示深

紅色（圖3a）。而來自Zong31與

CHOI4、Zong31與MAGIC1雜交產(chǎn)

生的二倍體沒有表現(xiàn)出可見的花青

素沉淀，即使在體外培養(yǎng)24小時后

也是如此（圖3a）。在授粉后16

天，來自Zong31與RUBY誘導系雜

交的二倍體籽粒胚顯示出深紅紫色，且比授粉后10天時更明顯（圖3a）。Zong31與CHOI4雜交產(chǎn)生的二倍體籽

粒胚仍然是無色的（圖3a），Zong31與MAGIC1雜交產(chǎn)生的二倍體籽粒胚則顯示出良好的色素表現(xiàn)，但花青素

在胚中分布不均（圖3a）。XY335、ZND632和ZND688與RUBY誘導系雜交產(chǎn)生的二倍體和單倍體的籽粒胚在授

粉后10天和16天時表現(xiàn)出不同的色素沉淀。這些結果表明，甜菜紅素可以克制色素抑制因子的影響，并在不同

種質中發(fā)揮作用。

圖2 利用未成熟的胚鑒定玉米RUBY誘導系產(chǎn)生的單倍體

圖3 RUBY在玉米不同種質中的功能

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

23 AgriPhenoTM 快訊

為探究RUBY在雙子葉作物中鑒別單倍體的效果，研究團隊創(chuàng)制了在種子、萌發(fā)的幼根和幼苗中穩(wěn)定表達甜菜紅

素的RUBY誘導系（圖4）。在番茄中，用CaMV 35S啟動子驅動RUBY的表達（圖4a）。轉化后，根據(jù)葉、莖、

種子、萌發(fā)的幼根和幼苗的顏色，將21個轉基因事件分為10個不同的類型，其中轉基因事件#12、#13、#20和

#21具有清晰的紅色根莖。其中轉基因事件#20和#21在所有的組織中都顯示出強烈的紅色色素沉淀，并且生長

遲緩；轉基因事件#12和#13在植物顏色和生長方面表現(xiàn)正常，并選擇并自交以獲得純合的RUBY誘導系。連續(xù)

自交選擇，最終轉基因后代#13-5-6被選為候選番茄RUBY誘導系（圖4b），其種子、萌發(fā)的幼根、下胚軸和子

葉均呈現(xiàn)深紅色（圖4g-j），且萌發(fā)的幼根的色素在生長過程中不斷加深（圖4h&i）。隨著植株的生長，只有

底部的葉片保持淺紅色，植株中部和頂部的葉片呈現(xiàn)綠色（圖4b&c）。RUBY誘導系的果實顏色與野生型植株

的顏色相似（圖4e&f），但是花瓣與野生型略有不同，其基部顯示為淺紅色（圖4d）。

圖4 番茄RUBY單倍體誘導系的開發(fā)和特征

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

23 AgriPhenoTM 快訊

為探究RUBY在雙子葉作物中鑒別單倍體的效果，研究團隊創(chuàng)制了在種子、萌發(fā)的幼根和幼苗中穩(wěn)定表達甜菜紅

素的RUBY誘導系（圖4）。在番茄中，用CaMV 35S啟動子驅動RUBY的表達（圖4a）。轉化后，根據(jù)葉、莖、

種子、萌發(fā)的幼根和幼苗的顏色，將21個轉基因事件分為10個不同的類型，其中轉基因事件#12、#13、#20和

#21具有清晰的紅色根莖。其中轉基因事件#20和#21在所有的組織中都顯示出強烈的紅色色素沉淀，并且生長

遲緩；轉基因事件#12和#13在植物顏色和生長方面表現(xiàn)正常，并選擇并自交以獲得純合的RUBY誘導系。連續(xù)

自交選擇，最終轉基因后代#13-5-6被選為候選番茄RUBY誘導系（圖4b），其種子、萌發(fā)的幼根、下胚軸和子

葉均呈現(xiàn)深紅色（圖4g-j），且萌發(fā)的幼根的色素在生長過程中不斷加深（圖4h&i）。隨著植株的生長，只有

底部的葉片保持淺紅色，植株中部和頂部的葉片呈現(xiàn)綠色（圖4b&c）。RUBY誘導系的果實顏色與野生型植株

的顏色相似（圖4e&f），但是花瓣與野生型略有不同，其基部顯示為淺紅色（圖4d）。

圖4 番茄RUBY單倍體誘導系的開發(fā)和特征

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 24

為了評估RUBY的HID性能，將RUBY誘導系與普通番茄雜交后，未萌發(fā)種子均呈現(xiàn)出紅色，種子萌發(fā)后，單倍體

幼根顏色正常，而二倍體幼根呈深紅色，兩者差異明顯（圖5），且隨著根系的生長，與野生型相比，紅色的幼

根顯示出更強的色素沉淀（圖5a）。通過幼根色素差異，可實現(xiàn)高效的番茄單倍體裸眼鑒別，具有紅色幼根的

種子是二倍體（圖5b），而具有白色幼根的種子是單倍體（圖5c）。隨后的分子標記分析證實，所有顏色判定

的單倍體都是母本基因型且所有顏色判定的二倍體都是雜合子（圖5d）。通過流式細胞儀分析，結果顯示所有

個體都是真正的單倍體和二倍體（圖5e&f）。綜上所述，在單倍體誘導劑中引入RUBY報告基因，可以實現(xiàn)番茄

的準確HID。

該研究首次利用甜菜紅素合成系統(tǒng)RUBY創(chuàng)制了玉米和番茄RUBY單倍體誘導系，分別實現(xiàn)了在玉米和番茄高效的

單倍體鑒別，為跨作物單倍體鑒別體系提供一種全新的方法和策略，有助于進一步推動作物育種共性關鍵技術的

發(fā)展與應用。

圖5 番茄RUBY誘導系產(chǎn)生的單倍體鑒定

Wang D, Zhong Y, Feng B,?et al.?The RUBY reporter enables efficient haploid identification in maize and tomato[J].?Plant Biotechnology

Journal,?2023.

參考文獻

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 24

為了評估RUBY的HID性能，將RUBY誘導系與普通番茄雜交后，未萌發(fā)種子均呈現(xiàn)出紅色，種子萌發(fā)后，單倍體

幼根顏色正常，而二倍體幼根呈深紅色，兩者差異明顯（圖5），且隨著根系的生長，與野生型相比，紅色的幼

根顯示出更強的色素沉淀（圖5a）。通過幼根色素差異，可實現(xiàn)高效的番茄單倍體裸眼鑒別，具有紅色幼根的

種子是二倍體（圖5b），而具有白色幼根的種子是單倍體（圖5c）。隨后的分子標記分析證實，所有顏色判定

的單倍體都是母本基因型且所有顏色判定的二倍體都是雜合子（圖5d）。通過流式細胞儀分析，結果顯示所有

個體都是真正的單倍體和二倍體（圖5e&f）。綜上所述，在單倍體誘導劑中引入RUBY報告基因，可以實現(xiàn)番茄

的準確HID。

該研究首次利用甜菜紅素合成系統(tǒng)RUBY創(chuàng)制了玉米和番茄RUBY單倍體誘導系，分別實現(xiàn)了在玉米和番茄高效的

單倍體鑒別，為跨作物單倍體鑒別體系提供一種全新的方法和策略，有助于進一步推動作物育種共性關鍵技術的

發(fā)展與應用。

圖5 番茄RUBY誘導系產(chǎn)生的單倍體鑒定

Wang D, Zhong Y, Feng B,?et al.?The RUBY reporter enables efficient haploid identification in maize and tomato[J].?Plant Biotechnology

Journal,?2023.

參考文獻

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

25 AgriPhenoTM 快訊

圖1 基于屬性的響應和效應框架

（Laughlin, 2014）

植物功能屬性不但影響 植

物個體的適合度（響應屬性

Response traits），而且影響

生態(tài)系統(tǒng)的功能（效應屬性

Effect traits）。相比地上功能

屬性，地下功能屬性研究相對

滯后，但地下功能屬性在響應

環(huán)境變化中的重要作用不可忽

視（響應）。群落物種組成、

生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)

抗侵蝕性等生態(tài)系統(tǒng)功能也受

到包括粗根、細根、根狀莖、

鱗莖和塊莖在內的地下器官及

其功能屬性的影響（效應）。

鑒于當前對地下功能屬性如何影響生態(tài)系統(tǒng)功能的認識主要基于對少數(shù)物種或過程的研究，缺乏生態(tài)系統(tǒng)水平的

系統(tǒng)性研究，捷克科學院植物研究所的Klimesová等（2023）聚焦溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能屬性和生態(tài)系統(tǒng)功

能沿干旱梯度的變化規(guī)律，基于文獻調研，挖掘了與干旱梯度上植被突變相關的地下器官效應屬性。研究發(fā)現(xiàn)，

干旱化早期，植物地下功能屬性變得更加保守，產(chǎn)生少量的地下凋落物，導致養(yǎng)分循環(huán)速率變慢；隨著干旱加

劇，季節(jié)性更新對地下芽庫的依賴較小，對種子的依賴增加，導致生產(chǎn)力的年際變異增大；根狀莖植物逐步從群

落中退出，深根植物在群落中變得越來越重要，導致土壤資源利用格局發(fā)生改變，且土壤變得更易受到侵蝕；在

極端干旱條件下，除多年生鱗莖植物外，多年生植物將從植物群落中退出，群落變成由只產(chǎn)生少量凋落物和能夠

利用短暫降水的一年生植物主導，生態(tài)系統(tǒng)崩潰。研究結果表明，地下功能屬性有助于認識環(huán)境變化下生態(tài)系統(tǒng)

功能的轉變機制。

最近，該項研究結果以“Belowground plant traits and their ecosystem functions along aridity gradients in

grasslands”為題發(fā)表于Plant and Soil。

文/高巧

Plant Soil

草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能屬性及其生態(tài)系統(tǒng)功能

沿干旱梯度的變化規(guī)律

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

25 AgriPhenoTM 快訊

圖1 基于屬性的響應和效應框架

（Laughlin, 2014）

植物功能屬性不但影響 植

物個體的適合度（響應屬性

Response traits），而且影響

生態(tài)系統(tǒng)的功能（效應屬性

Effect traits）。相比地上功能

屬性，地下功能屬性研究相對

滯后，但地下功能屬性在響應

環(huán)境變化中的重要作用不可忽

視（響應）。群落物種組成、

生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)

抗侵蝕性等生態(tài)系統(tǒng)功能也受

到包括粗根、細根、根狀莖、

鱗莖和塊莖在內的地下器官及

其功能屬性的影響（效應）。

鑒于當前對地下功能屬性如何影響生態(tài)系統(tǒng)功能的認識主要基于對少數(shù)物種或過程的研究，缺乏生態(tài)系統(tǒng)水平的

系統(tǒng)性研究，捷克科學院植物研究所的Klimesová等（2023）聚焦溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能屬性和生態(tài)系統(tǒng)功

能沿干旱梯度的變化規(guī)律，基于文獻調研，挖掘了與干旱梯度上植被突變相關的地下器官效應屬性。研究發(fā)現(xiàn)，

干旱化早期，植物地下功能屬性變得更加保守，產(chǎn)生少量的地下凋落物，導致養(yǎng)分循環(huán)速率變慢；隨著干旱加

劇，季節(jié)性更新對地下芽庫的依賴較小，對種子的依賴增加，導致生產(chǎn)力的年際變異增大；根狀莖植物逐步從群

落中退出，深根植物在群落中變得越來越重要，導致土壤資源利用格局發(fā)生改變，且土壤變得更易受到侵蝕；在

極端干旱條件下，除多年生鱗莖植物外，多年生植物將從植物群落中退出，群落變成由只產(chǎn)生少量凋落物和能夠

利用短暫降水的一年生植物主導，生態(tài)系統(tǒng)崩潰。研究結果表明，地下功能屬性有助于認識環(huán)境變化下生態(tài)系統(tǒng)

功能的轉變機制。

最近，該項研究結果以“Belowground plant traits and their ecosystem functions along aridity gradients in

grasslands”為題發(fā)表于Plant and Soil。

文/高巧

Plant Soil

草地生態(tài)系統(tǒng)地下功能屬性及其生態(tài)系統(tǒng)功能

沿干旱梯度的變化規(guī)律

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 26

圖2 草地生態(tài)系統(tǒng)物種組成和蓋度在干旱梯度上發(fā)生突變

圖3 北美大草原（A）和內蒙古草原（B、C）芽庫密度（A、B）和不同地下芽在干旱梯度上的相對表現(xiàn)（C）

Klime?ová, J., Martínková, J., Bartu?ková, A.?et al.?Belowground plant traits and their ecosystem functions along aridity gradients in

grasslands[J].?Plant and Soil,?2023.

參考文獻

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 26

圖2 草地生態(tài)系統(tǒng)物種組成和蓋度在干旱梯度上發(fā)生突變

圖3 北美大草原（A）和內蒙古草原（B、C）芽庫密度（A、B）和不同地下芽在干旱梯度上的相對表現(xiàn)（C）

Klime?ová, J., Martínková, J., Bartu?ková, A.?et al.?Belowground plant traits and their ecosystem functions along aridity gradients in

grasslands[J].?Plant and Soil,?2023.

參考文獻

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

27 AgriPhenoTM 快訊

眾所周知，人類設計除草劑是為了殺死雜草，而在除草劑被反復使用的過程中自發(fā)的雜草除草劑抗性突變有巨大

的選擇優(yōu)勢，并往往會迅速主導雜草種群。導致雜草快速適應并表現(xiàn)抗性的兩種主要機制是非靶點抗性(NTSR)和

靶點抗性(TSR)。NTSR是指降解或物理上阻止活性成分達到其目標的過程，NTSR通常涉及多個基因，抗性通常是

定量的。TSR具有更多的定性效應，例如對高水平除草劑的抗性為特征，并且可以追溯到改變除草劑靶標酶中單

個氨基酸的大效應基因突變。雖然這對農(nóng)民來說是個麻煩，但也為詳細研究生物體如何快速響應強烈的選擇提供

了機會，尤其是新產(chǎn)生的突變和群體中已存在的突變都起到什么樣的作用，哪個更重要？

近日，德國霍恩海姆大學、馬普生物所、根特大學、美國賓夕法尼亞大學、奧地利科學院、弗雷德里希·米歇爾

實驗室以及巴斯夫公司的聯(lián)合研究團隊在《PNAS》在線發(fā)表了題為“Standing genetic variation fuels rapid

evolution of herbicide resistance in blackgrass”的研究論文，介紹了研究團隊通過組裝大穗看麥娘( Alopecurus

myosuroides )高質量參考基因組、分析已知抗除草劑等位基因變異以前向時間算法模擬發(fā)現(xiàn)TSR可能主要是由群

體中已存在遺傳變異引起的，而新的突變只起次要作用，此外TSR的出現(xiàn)很可能早于除草劑的應用。這對于雜草

防治和除草劑的可持續(xù)利用具有積極的指導意義。

為了進行基因組測序和組裝，研究團隊從一個來源于德國的除草劑敏感群體（Appels Wilde Samen GmbH,

Darmstadt）中選擇了一個未攜帶已知ACCase、ALS或葉綠體psbA位點TSR突變的單株作為參考。前人通過福

爾根光度法估計大穗看麥娘（A. myosuroides）基因組大小范圍為4.2 Gb到4.7 Gb。為了更準確地估計所選單株

的基因組大小，研究團隊用黑麥（Secale cereale）作為參考標準，進行了流式細胞測量，估量單倍體基因組大

小為3.56 Gb（圖1A）。通過獲得約90倍的基因組覆蓋率的PacBio連續(xù)長片段（CLRs）、約44倍基因組覆蓋率

的Illumina PCR-free短讀長以及約66倍基因組覆蓋率的Hi-C染色質接觸數(shù)據(jù)，研究團隊用FALCON-Unzip的方法

從頭組裝了大穗看麥娘的基因組，最終組裝大小為3.53 Gb，由七個Super-scaffolds組成（圖1B）。

組裝的大穗看麥娘的基因組與其他雜草類相比，其染色體水平的線性關系很高，其中線性關系最高的是青稞

（Hordeum vulgare）（圖1C）。大穗看麥娘基因組的第2、3、4、5和7號染色體分別與青稞基因組第3、2、

6、1和5號染色體有接近1：1的同義替換關系（圖1D）。一個例外是大穗看麥娘基因組的1號染色體（807 Mb）

包含了與青稞基因組第4、5和7號染色體呈線性關系的片段。

PNAS

雜草可通過群體中已存在的遺傳變異

獲得除草劑抗性

我們該如何可持續(xù)的使用除草劑？

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

27 AgriPhenoTM 快訊

眾所周知，人類設計除草劑是為了殺死雜草，而在除草劑被反復使用的過程中自發(fā)的雜草除草劑抗性突變有巨大

的選擇優(yōu)勢，并往往會迅速主導雜草種群。導致雜草快速適應并表現(xiàn)抗性的兩種主要機制是非靶點抗性(NTSR)和

靶點抗性(TSR)。NTSR是指降解或物理上阻止活性成分達到其目標的過程，NTSR通常涉及多個基因，抗性通常是

定量的。TSR具有更多的定性效應，例如對高水平除草劑的抗性為特征，并且可以追溯到改變除草劑靶標酶中單

個氨基酸的大效應基因突變。雖然這對農(nóng)民來說是個麻煩，但也為詳細研究生物體如何快速響應強烈的選擇提供

了機會，尤其是新產(chǎn)生的突變和群體中已存在的突變都起到什么樣的作用，哪個更重要？

近日，德國霍恩海姆大學、馬普生物所、根特大學、美國賓夕法尼亞大學、奧地利科學院、弗雷德里?！っ仔獱?/p>

實驗室以及巴斯夫公司的聯(lián)合研究團隊在《PNAS》在線發(fā)表了題為“Standing genetic variation fuels rapid

evolution of herbicide resistance in blackgrass”的研究論文，介紹了研究團隊通過組裝大穗看麥娘( Alopecurus

myosuroides )高質量參考基因組、分析已知抗除草劑等位基因變異以前向時間算法模擬發(fā)現(xiàn)TSR可能主要是由群

體中已存在遺傳變異引起的，而新的突變只起次要作用，此外TSR的出現(xiàn)很可能早于除草劑的應用。這對于雜草

防治和除草劑的可持續(xù)利用具有積極的指導意義。

為了進行基因組測序和組裝，研究團隊從一個來源于德國的除草劑敏感群體（Appels Wilde Samen GmbH,

Darmstadt）中選擇了一個未攜帶已知ACCase、ALS或葉綠體psbA位點TSR突變的單株作為參考。前人通過福

爾根光度法估計大穗看麥娘（A. myosuroides）基因組大小范圍為4.2 Gb到4.7 Gb。為了更準確地估計所選單株

的基因組大小，研究團隊用黑麥（Secale cereale）作為參考標準，進行了流式細胞測量，估量單倍體基因組大

小為3.56 Gb（圖1A）。通過獲得約90倍的基因組覆蓋率的PacBio連續(xù)長片段（CLRs）、約44倍基因組覆蓋率

的Illumina PCR-free短讀長以及約66倍基因組覆蓋率的Hi-C染色質接觸數(shù)據(jù)，研究團隊用FALCON-Unzip的方法

從頭組裝了大穗看麥娘的基因組，最終組裝大小為3.53 Gb，由七個Super-scaffolds組成（圖1B）。

組裝的大穗看麥娘的基因組與其他雜草類相比，其染色體水平的線性關系很高，其中線性關系最高的是青稞

（Hordeum vulgare）（圖1C）。大穗看麥娘基因組的第2、3、4、5和7號染色體分別與青稞基因組第3、2、

6、1和5號染色體有接近1：1的同義替換關系（圖1D）。一個例外是大穗看麥娘基因組的1號染色體（807 Mb）

包含了與青稞基因組第4、5和7號染色體呈線性關系的片段。

PNAS

雜草可通過群體中已存在的遺傳變異

獲得除草劑抗性

我們該如何可持續(xù)的使用除草劑？

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 28

新組裝的大穗看麥娘參考基因組使得評估歐洲范圍內大穗看麥娘基因組的遺傳多樣性變得容易。研究團隊對1123

個大穗看麥娘單株進行了ddRAD-Seq測序，這些單株全部來源于田間疑似抗除草劑的個體，代表了來源于9個

歐洲國家的44個種群，每個種群有22-24個單株。為了進行比較，研究團隊還加入了三個除草劑敏感的參考種群

（圖2）。該實驗平均測序深度為22.6倍，研究團隊共鑒定到109924個單核苷酸多態(tài)性（SNPs）。最大似然法

（ML）進化樹分析顯示，并未發(fā)現(xiàn)每個國家明確的系統(tǒng)進化情況（圖2A）。

種群之間的總體遺傳變異很低（FST范圍：0.01至0.05，n = 47；圖 2C），這與其他大穗看麥娘及其他野生雜草的

研究類似。種群內個體的相關度很高（FIS=0.1；范圍0.06至0.12）。在混合分析中，研究團隊鑒別出7到9個祖先

群（圖2D），這與主成分分析（PCA）的聚類結果一致（圖2B、D）。來自比利時（BE）、英國（UK）、盧森堡

（LX）和法國（FR）的單株在遺傳上非常相似并聚集在一起。來自荷蘭（NL）的一個種群NL11330其他種群差異

最大，F(xiàn)ST值高達0.05（圖2C）。來源德國（DE）的單株被分為三個亞群，其中一個亞群與瑞士（CH）的個體有

圖1 來源于德國除草劑敏感群體的一個大穗看麥娘單株的參考基因組

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 28

新組裝的大穗看麥娘參考基因組使得評估歐洲范圍內大穗看麥娘基因組的遺傳多樣性變得容易。研究團隊對1123

個大穗看麥娘單株進行了ddRAD-Seq測序，這些單株全部來源于田間疑似抗除草劑的個體，代表了來源于9個

歐洲國家的44個種群，每個種群有22-24個單株。為了進行比較，研究團隊還加入了三個除草劑敏感的參考種群

（圖2）。該實驗平均測序深度為22.6倍，研究團隊共鑒定到109924個單核苷酸多態(tài)性（SNPs）。最大似然法

（ML）進化樹分析顯示，并未發(fā)現(xiàn)每個國家明確的系統(tǒng)進化情況（圖2A）。

種群之間的總體遺傳變異很低（FST范圍：0.01至0.05，n = 47；圖 2C），這與其他大穗看麥娘及其他野生雜草的

研究類似。種群內個體的相關度很高（FIS=0.1；范圍0.06至0.12）。在混合分析中，研究團隊鑒別出7到9個祖先

群（圖2D），這與主成分分析（PCA）的聚類結果一致（圖2B、D）。來自比利時（BE）、英國（UK）、盧森堡

（LX）和法國（FR）的單株在遺傳上非常相似并聚集在一起。來自荷蘭（NL）的一個種群NL11330其他種群差異

最大，F(xiàn)ST值高達0.05（圖2C）。來源德國（DE）的單株被分為三個亞群，其中一個亞群與瑞士（CH）的個體有

圖1 來源于德國除草劑敏感群體的一個大穗看麥娘單株的參考基因組

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

29 AgriPhenoTM 快訊

共同的祖先，另一個與奧地利（AT）的個體有共同的祖先，第三個亞群是高度混雜的。波蘭（PL）的種群與荷蘭

的NL0166種群有共同的祖先。綜上，整個歐洲范圍內存在清晰的大穗看麥娘地理群體結構，盡管目前的數(shù)據(jù)無法

推斷大穗看麥娘地理遷移的軌跡。

圖2 基于109924個ddRAD-seq分子標記的47份歐洲大穗看麥娘群體結構分析

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

29 AgriPhenoTM 快訊

共同的祖先，另一個與奧地利（AT）的個體有共同的祖先，第三個亞群是高度混雜的。波蘭（PL）的種群與荷蘭

的NL0166種群有共同的祖先。綜上，整個歐洲范圍內存在清晰的大穗看麥娘地理群體結構，盡管目前的數(shù)據(jù)無法

推斷大穗看麥娘地理遷移的軌跡。

圖2 基于109924個ddRAD-seq分子標記的47份歐洲大穗看麥娘群體結構分析

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 30

大部分關于除草劑耐藥性分子機制的研究都集中于除草劑抑制酶基因的突變上，主要是ALS和ACCase編碼基因，

二者均可被一系列結構不同的化學物質抑制。為了了解特定位點突變和整體單倍型的多樣性，研究團隊擴增和分

析了所有歐洲群體個體約13.2 kb的ACCase基因和約3.6 kb的ALS基因的片段。結果顯示，最常見ACCase基因突變

是Ile1781Leu，這與該替換突變的多效性相一致，該替換突變也會在沒有選擇壓力的情況下產(chǎn)生而增加個體的適

應性（圖3 A-C）。TSR突變通常以顯性方式作用，71.4%的ACCase基因TSR突變以雜合子的形式出現(xiàn)。

個種群中，研究團隊發(fā)現(xiàn)了來源于不同獨立突變事件的不同TSR突變單倍型，而不是同一TSR突變被通過重組轉

移到其他單倍型上（圖3D）。這一觀察結果以一種無偏見的方式證實了早期探索性研究的推論。同時，研究團

隊發(fā)現(xiàn)了從同一單倍型的單個區(qū)域產(chǎn)生了兩個或三個不同的TSR突變的7個單株（圖3 B、C和E）。獨立的(非重

合）ACCase?TSR單倍型的最大值是10。

ACCase基因單倍型

的PCA分析可將所

有個體分為三個主

要群體。為了更好

地描述ACCase單倍

型的多樣性，研究

團隊進行了單倍型

進化樹和關系網(wǎng)分

析（圖3），結果

顯示，不同復雜性

的單倍型網(wǎng)絡 (圖3

A-C）可能反映了

每個種群所受到的

選擇壓力。在群體

中，有TSR突變的

27個種群中只有4

個種群含有單一的

TSR單倍型，且單

一TSR單倍型的基

因頻率很低，只有

不到10%，從定義

上來講上，這反映

了很可能存在早期

的“硬掃蕩”，但

是其他23個種群中

至少有兩個TSR突

變的單倍型，這說

明“軟掃蕩”是正

常的。在其中14 圖3 完整的ACCase基因（13.2 kb）的單倍型分析

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 30

大部分關于除草劑耐藥性分子機制的研究都集中于除草劑抑制酶基因的突變上，主要是ALS和ACCase編碼基因，

二者均可被一系列結構不同的化學物質抑制。為了了解特定位點突變和整體單倍型的多樣性，研究團隊擴增和分

析了所有歐洲群體個體約13.2 kb的ACCase基因和約3.6 kb的ALS基因的片段。結果顯示，最常見ACCase基因突變

是Ile1781Leu，這與該替換突變的多效性相一致，該替換突變也會在沒有選擇壓力的情況下產(chǎn)生而增加個體的適

應性（圖3 A-C）。TSR突變通常以顯性方式作用，71.4%的ACCase基因TSR突變以雜合子的形式出現(xiàn)。

個種群中，研究團隊發(fā)現(xiàn)了來源于不同獨立突變事件的不同TSR突變單倍型，而不是同一TSR突變被通過重組轉

移到其他單倍型上（圖3D）。這一觀察結果以一種無偏見的方式證實了早期探索性研究的推論。同時，研究團

隊發(fā)現(xiàn)了從同一單倍型的單個區(qū)域產(chǎn)生了兩個或三個不同的TSR突變的7個單株（圖3 B、C和E）。獨立的(非重

合）ACCase?TSR單倍型的最大值是10。

ACCase基因單倍型

的PCA分析可將所

有個體分為三個主

要群體。為了更好

地描述ACCase單倍

型的多樣性，研究

團隊進行了單倍型

進化樹和關系網(wǎng)分

析（圖3），結果

顯示，不同復雜性

的單倍型網(wǎng)絡 (圖3

A-C）可能反映了

每個種群所受到的

選擇壓力。在群體

中，有TSR突變的

27個種群中只有4

個種群含有單一的

TSR單倍型，且單

一TSR單倍型的基

因頻率很低，只有

不到10%，從定義

上來講上，這反映

了很可能存在早期

的“硬掃蕩”，但

是其他23個種群中

至少有兩個TSR突

變的單倍型，這說

明“軟掃蕩”是正

常的。在其中14 圖3 完整的ACCase基因（13.2 kb）的單倍型分析

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

31 AgriPhenoTM 快訊

使用除草劑的強大選擇壓力導致了雜草非?？焖俚目剐赃m應，但這有一個主要的問題：除草劑抗性主要由在使用

除草劑之前群體中就已存在的遺傳變異演變而來還是使用除草劑后出現(xiàn)的新的突變演變而來？為了回答這個問

題，研究團隊使用Hermisson & Pennings的方程，推導出適應性的概率（即通過TSR突變進化出的除草劑抗性）

的期望值，以及這種適應性是由于群體中已存在遺傳變異演化而來的可能性。結果顯示，除草劑選擇發(fā)生之前的

TSR變異的有害選擇系數(shù)對適應的概率只有很小的影響（圖4）；TSR突變可能主要是由群體中已存在遺傳變異引

起的，而新的突變只起次要作用（圖5）。

綜上所述，研究團隊對不同情況下大穗看麥娘除草劑適應性的研究表明，隨著人類對多樣性的除草劑抗性機制的

了解，很大一部分大穗看麥娘種群可能早已具備了針對目前使用除草劑的抗性和未來潛在新作用方式的適應性的

的遺傳變異，這對我們發(fā)展可持續(xù)的除草劑使用策略具有重要的指導意義。

圖5 模擬由群體已有遺傳變異或新發(fā)突變產(chǎn)生的TSR等位基因的預期等位基因頻率

Kersten S, Chang J, Huber C D,?et al.?Standing genetic variation fuels rapid evolution of herbicide resistance in blackgrass[J].?Proceedings of the National Academy of Sciences,?2023, 120(16): e2206808120.

參考文獻

圖4 不同場景適應性的模擬

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

31 AgriPhenoTM 快訊

使用除草劑的強大選擇壓力導致了雜草非?？焖俚目剐赃m應，但這有一個主要的問題：除草劑抗性主要由在使用

除草劑之前群體中就已存在的遺傳變異演變而來還是使用除草劑后出現(xiàn)的新的突變演變而來？為了回答這個問

題，研究團隊使用Hermisson & Pennings的方程，推導出適應性的概率（即通過TSR突變進化出的除草劑抗性）

的期望值，以及這種適應性是由于群體中已存在遺傳變異演化而來的可能性。結果顯示，除草劑選擇發(fā)生之前的

TSR變異的有害選擇系數(shù)對適應的概率只有很小的影響（圖4）；TSR突變可能主要是由群體中已存在遺傳變異引

起的，而新的突變只起次要作用（圖5）。

綜上所述，研究團隊對不同情況下大穗看麥娘除草劑適應性的研究表明，隨著人類對多樣性的除草劑抗性機制的

了解，很大一部分大穗看麥娘種群可能早已具備了針對目前使用除草劑的抗性和未來潛在新作用方式的適應性的

的遺傳變異，這對我們發(fā)展可持續(xù)的除草劑使用策略具有重要的指導意義。

圖5 模擬由群體已有遺傳變異或新發(fā)突變產(chǎn)生的TSR等位基因的預期等位基因頻率

Kersten S, Chang J, Huber C D,?et al.?Standing genetic variation fuels rapid evolution of herbicide resistance in blackgrass[J].?Proceedings of the National Academy of Sciences,?2023, 120(16): e2206808120.

參考文獻

圖4 不同場景適應性的模擬

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 32

水稻（Oryza sativa L.）作為世界上種植最廣泛的作物之一，是全球50%以上人口的主食和熱量攝入來源, 尤其以

亞洲發(fā)展中國家為主，其比例甚至超過60%。近年來，隨著世界人口不斷增長和氣候環(huán)境的急劇變化，全球糧食

系統(tǒng)將面對愈加嚴峻的壓力，如何在減少環(huán)境破壞的前提下，持續(xù)性強化糧食生產(chǎn)對人類社會的福祉和繁榮舉足

輕重。隨著分子生物學的快速發(fā)展，下一代測序技術和高通量SNP分子標記等基因分型方法可以快速準確地實現(xiàn)

對水稻種質資源的鑒定，水稻基因組重測序數(shù)據(jù)的快速積累也為水稻數(shù)量性狀位點和分子標記的開發(fā)提供了大量

的多態(tài)基因組序列，深入推進了有關水稻重要農(nóng)藝性狀的遺傳基礎的了解，迅速擴大了我們對水稻遺傳變異的認

知。大量水稻基因組重測序數(shù)據(jù)的快速積累，探索如何將基因型與表型聯(lián)系起來成為水稻育種研究的重中之重。

然而，傳統(tǒng)的表型采集主要依靠人工進行，耗時、效率低、勞動力需求高，不僅極大增加了測量成本，而且因人

為主觀性因素的存在也無法保證采集的表型數(shù)據(jù)質量。另外，表型參數(shù)的人工測量大多以破壞性測量為主，且通

常只能在固定時間點進行采樣，無法對同一植株的動態(tài)發(fā)育過程及變化特征進行連續(xù)性測量。傳統(tǒng)的表型獲取方

式局限性較大且缺乏規(guī)范統(tǒng)一的表征標準，無法切實滿足實際需求，表型測量技術的匱乏和創(chuàng)新型技術研發(fā)的滯

后已成為作物育種研究發(fā)展的瓶頸之一。隨著光學成像系統(tǒng)和圖像處理技術不斷更新和發(fā)展，從圖像層面對作物

生長發(fā)育情況進行分析的表型采集方式已逐漸得到育種學家的認可?；诠鈱W成像技術，可快速高效完成作物表

型參數(shù)的獲取，同時可在無損的前提下對同一植株生長發(fā)育相關性狀進行連續(xù)測量，打破了傳統(tǒng)表型測量的局限

性，配合自動化智能化農(nóng)業(yè)設施，實現(xiàn)在穩(wěn)定一致的環(huán)境條件下，高通量、準確、無損地對作物表型進行獲取。

高通量植物表型分析平臺作為作物育種研究解決方案的出現(xiàn)，彌合了作物基因型和表型分析之間的發(fā)展差距。人

們普遍認識到，可以在高通量表型設施的基礎上評估植物生長和發(fā)育的動態(tài)過程。植物表型定量的方法和標準逐

漸引起育種研究者的廣泛關注。近年來，隨著機器學習等創(chuàng)新人工智能方法的出現(xiàn)，在表型分析的圖像處理中得

到廣泛應用，由于此類方法強大的適應性和圖像處理能力，取得了令人矚目的成就。

2023年6月，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所作物表型組學研究中心和華中農(nóng)業(yè)大學楊萬能團隊在Plant

Phenomics雜志上聯(lián)合發(fā)表了題為“A Strategy for the Acquisition and Analysis of Image-Based Phenome in

Rice during the Whole Growth Period”的研究論文。該文通過高通量可見光成像平臺對水稻全生育期圖像進

行獲取，提出一種基于圖像的水稻全生育期時空表型組獲取及解析策略，并對獲取得到的時空多維度表型性狀

信息進行解讀分析，挖掘表型和基因型之間的關聯(lián)。研究選用93 個來自不同地區(qū)的水稻主栽品種（包括 32 個

秈稻品種和 61 個粳稻品種）作為實驗材料，于統(tǒng)一環(huán)境條件下進行培育，共4個重復。使用中國科學院遺傳與

發(fā)育生物學研究所的溫室型高通量植物表型成像系統(tǒng)(LemnaTec GmbH, Germany)完成實驗材料的自動化運輸

和圖像自動采集工作，保證培育條件統(tǒng)一、采集方式統(tǒng)一、采集位置統(tǒng)一。通過提出的策略獲取和分析了水稻

整個生長期的58個基于圖像的性狀（i-raits）。這些i-raits可以解釋高達84.8%的水稻產(chǎn)量表型變異。共檢測到

285個i-raits的推定數(shù)量性狀位點（QTL），并在i-raits的基礎上，在時間和器官維度上應用主成分分析，同時

進行全基因組關聯(lián)研究，分離QTL。此外，不同基因型群體結構和不同選育稻區(qū)之間在表型性狀方面的差異表

文/王吉生

基于圖像的水稻全生育期表型數(shù)據(jù)獲取與

解析策略

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 32

水稻（Oryza sativa L.）作為世界上種植最廣泛的作物之一，是全球50%以上人口的主食和熱量攝入來源, 尤其以

亞洲發(fā)展中國家為主，其比例甚至超過60%。近年來，隨著世界人口不斷增長和氣候環(huán)境的急劇變化，全球糧食

系統(tǒng)將面對愈加嚴峻的壓力，如何在減少環(huán)境破壞的前提下，持續(xù)性強化糧食生產(chǎn)對人類社會的福祉和繁榮舉足

輕重。隨著分子生物學的快速發(fā)展，下一代測序技術和高通量SNP分子標記等基因分型方法可以快速準確地實現(xiàn)

對水稻種質資源的鑒定，水稻基因組重測序數(shù)據(jù)的快速積累也為水稻數(shù)量性狀位點和分子標記的開發(fā)提供了大量

的多態(tài)基因組序列，深入推進了有關水稻重要農(nóng)藝性狀的遺傳基礎的了解，迅速擴大了我們對水稻遺傳變異的認

知。大量水稻基因組重測序數(shù)據(jù)的快速積累，探索如何將基因型與表型聯(lián)系起來成為水稻育種研究的重中之重。

然而，傳統(tǒng)的表型采集主要依靠人工進行，耗時、效率低、勞動力需求高，不僅極大增加了測量成本，而且因人

為主觀性因素的存在也無法保證采集的表型數(shù)據(jù)質量。另外，表型參數(shù)的人工測量大多以破壞性測量為主，且通

常只能在固定時間點進行采樣，無法對同一植株的動態(tài)發(fā)育過程及變化特征進行連續(xù)性測量。傳統(tǒng)的表型獲取方

式局限性較大且缺乏規(guī)范統(tǒng)一的表征標準，無法切實滿足實際需求，表型測量技術的匱乏和創(chuàng)新型技術研發(fā)的滯

后已成為作物育種研究發(fā)展的瓶頸之一。隨著光學成像系統(tǒng)和圖像處理技術不斷更新和發(fā)展，從圖像層面對作物

生長發(fā)育情況進行分析的表型采集方式已逐漸得到育種學家的認可?；诠鈱W成像技術，可快速高效完成作物表

型參數(shù)的獲取，同時可在無損的前提下對同一植株生長發(fā)育相關性狀進行連續(xù)測量，打破了傳統(tǒng)表型測量的局限

性，配合自動化智能化農(nóng)業(yè)設施，實現(xiàn)在穩(wěn)定一致的環(huán)境條件下，高通量、準確、無損地對作物表型進行獲取。

高通量植物表型分析平臺作為作物育種研究解決方案的出現(xiàn)，彌合了作物基因型和表型分析之間的發(fā)展差距。人

們普遍認識到，可以在高通量表型設施的基礎上評估植物生長和發(fā)育的動態(tài)過程。植物表型定量的方法和標準逐

漸引起育種研究者的廣泛關注。近年來，隨著機器學習等創(chuàng)新人工智能方法的出現(xiàn)，在表型分析的圖像處理中得

到廣泛應用，由于此類方法強大的適應性和圖像處理能力，取得了令人矚目的成就。

2023年6月，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所作物表型組學研究中心和華中農(nóng)業(yè)大學楊萬能團隊在Plant

Phenomics雜志上聯(lián)合發(fā)表了題為“A Strategy for the Acquisition and Analysis of Image-Based Phenome in

Rice during the Whole Growth Period”的研究論文。該文通過高通量可見光成像平臺對水稻全生育期圖像進

行獲取，提出一種基于圖像的水稻全生育期時空表型組獲取及解析策略，并對獲取得到的時空多維度表型性狀

信息進行解讀分析，挖掘表型和基因型之間的關聯(lián)。研究選用93 個來自不同地區(qū)的水稻主栽品種（包括 32 個

秈稻品種和 61 個粳稻品種）作為實驗材料，于統(tǒng)一環(huán)境條件下進行培育，共4個重復。使用中國科學院遺傳與

發(fā)育生物學研究所的溫室型高通量植物表型成像系統(tǒng)(LemnaTec GmbH, Germany)完成實驗材料的自動化運輸

和圖像自動采集工作，保證培育條件統(tǒng)一、采集方式統(tǒng)一、采集位置統(tǒng)一。通過提出的策略獲取和分析了水稻

整個生長期的58個基于圖像的性狀（i-raits）。這些i-raits可以解釋高達84.8%的水稻產(chǎn)量表型變異。共檢測到

285個i-raits的推定數(shù)量性狀位點（QTL），并在i-raits的基礎上，在時間和器官維度上應用主成分分析，同時

進行全基因組關聯(lián)研究，分離QTL。此外，不同基因型群體結構和不同選育稻區(qū)之間在表型性狀方面的差異表

文/王吉生

基于圖像的水稻全生育期表型數(shù)據(jù)獲取與

解析策略

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

33 AgriPhenoTM 快訊

圖1 水稻植株高通量表型分析結果。（A） 水稻圖像采集；（B） 水稻生長動態(tài)；（C） 水稻基因型群體聚類和選育稻區(qū)分布；（D） i-raits的數(shù)據(jù)分析

表1? 基于圖像的性狀（i-raits）的定義

現(xiàn)出良好的環(huán)境適應性，作物生長發(fā)育模型在選育稻區(qū)緯度方面也表現(xiàn)出高度融合。

科研動態(tài) RESEARCH TRENDS

33 AgriPhenoTM 快訊

圖1 水稻植株高通量表型分析結果。（A） 水稻圖像采集；（B） 水稻生長動態(tài)；（C） 水稻基因型群體聚類和選育稻區(qū)分布；（D） i-raits的數(shù)據(jù)分析

表1? 基于圖像的性狀（i-raits）的定義

現(xiàn)出良好的環(huán)境適應性，作物生長發(fā)育模型在選育稻區(qū)緯度方面也表現(xiàn)出高度融合。

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 34

圖2 手動測量和自動測量之間的相關性

圖3 基于i-traits的相關分析結果

圖4 秈稻和粳稻選育稻區(qū)的劃分和表型分布

RESEARCH TRENDS 科研動態(tài)

AgriPhenoTM 快訊 34

圖2 手動測量和自動測量之間的相關性

圖3 基于i-traits的相關分析結果

圖4 秈稻和粳稻選育稻區(qū)的劃分和表型分布