自從1931年Kautsky將葉綠素?zé)晒馀c光合作用關(guān)聯(lián)起來后，在長達80多年的時間里，葉綠素?zé)晒獬蔀楦叩戎参锖臀⒃迳砩鷳B(tài)測量的主要技術(shù)之一，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

直到進入21世紀(jì)第二個十年，隨著人們對于植物表型和表型組學(xué)的認識逐漸深入，研究人員開始接受“生理活性也是植物表型指標(biāo)”的觀點。此時，葉綠素?zé)晒鉁y量系統(tǒng)也已由“點測量”(光纖型熒光儀)發(fā)展到“面測量”(葉綠素?zé)晒獬上駵y量)時代。

實際上，從21世紀(jì)初開始，一些葉綠素?zé)晒獬上耦I(lǐng)域的頂級科學(xué)家已經(jīng)敏銳的認識到葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)的強大應(yīng)用潛力。例如瓦赫寧根大學(xué)的高級研究員Henk Jalink博士，在2002年就設(shè)計出搭載在多軸機械臂上能測量整個冠層葉綠素?zé)晒獬上竦淖詣踊到y(tǒng)，這是目前所知最早將葉綠素?zé)晒獬上裼糜诟咄繙y量的案例之一。

此后，Jalink博士又將可見光成像、多光譜成像、GFP/RFP成像等技術(shù)和葉綠素?zé)晒獬上駸o縫對接，實現(xiàn)了一個CCD完成上述所有測量，從而達到了像素尺度的高精度參數(shù)反演，可以在最大2mx 2m的范圍內(nèi)獲取可見光表型、光合生理、色素濃度、NDVI等指標(biāo)。此時的葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)已經(jīng)不僅僅是葉綠素?zé)晒獬上駜x，而發(fā)展成為功能強大的光合表型成像測量系統(tǒng)。

葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔藐P(guān)聯(lián)的原理非常復(fù)雜，簡言之，根據(jù)能量守恒定律，植物吸收的能量(1)=光合作用(P)+ 葉綠素?zé)晒?F)+ 熱量耗散(D)。P、F和D呈此消彼長的關(guān)系。葉綠素?zé)晒鈴姸瓤梢酝ㄟ^測量出來，我們希望知道光合作用和熱耗散分別是多少。一個等式有兩個未知數(shù)，無解!此時巧妙的事情出現(xiàn)了，可以通過儀器給出一個瞬間(<0.8s)的強光，讓光合作用暫時變?yōu)榱?，由此得出熱耗散，進而得出光合作用。一個無解的僵局被外來的一束光給打破了。有意思的是，這束光關(guān)閉后，光合作用會迅速恢復(fù)正常，植物生長不受影響。更有意思的是，這個熱耗散，專業(yè)名稱叫做非光化學(xué)淬滅NPQ，反映的是植物將過剩的光能耗散到環(huán)境中變成熱量而不是產(chǎn)生自由基的能力，也就是說，在逆境條件下，NPQ越強，植物的抗逆性越強。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是測量光合生理的，其中最重要的參數(shù)是Fv/Fm，也就是最大光合效率。早在1987年，國際光合作用領(lǐng)域的頂級大咖Olle Björkman教授和他的博后Barbara Demmig(現(xiàn)在也是頂級大咖了)就首次提出高等植物在健康的生理狀態(tài)下，最大光合效率Fv/Fm在0.83-0.84左右，F(xiàn)v/Fm下降即是生理受到了脅迫的觀點。整整35過去了，這個觀點被證明是正確的，且得到了大范圍應(yīng)用!將葉綠素?zé)晒獬上窈涂梢姽獬上?、多光譜成像疊加在一塊并用一個CCD來檢測，就形成了近些年非常流行的光合表型成像技術(shù)。

當(dāng)然，和光合表型成像相關(guān)的參數(shù)有數(shù)十個，這里就不一一介紹了。這種技術(shù)由于具有“Exploring beyond visible”的強大特性，而得到了廣泛應(yīng)用(需要指出的是，在筆者查到的最早的1990年的文獻上，就是由日本的農(nóng)化公司首先提出葉綠素?zé)晒獬上駵y量的)，下面舉幾個例子。

案例1，鹽脅迫

對鹽脅迫敏感株而言，即使處理到13天，肉眼仍未見顯著差異，而葉綠素?zé)晒獬上窨梢钥闯龉夂献饔靡呀?jīng)受到抑制。

案例2，高低溫脅迫

下面兩圖可以看出，冷害往往首先作用于嬌嫩的生長點，而熱脅迫往往首先作用于葉片邊緣，傳統(tǒng)的生理測量往往只測量葉片中部，難以從全局角度看出問題。

案例3，干旱脅迫

有人曾推測，全球70%的非生物脅迫論文是關(guān)于干旱脅迫。筆者大膽推測，可能全球60-70%的和干旱脅迫相關(guān)的論文，用到了Fv/Fm這個指標(biāo)。各位老師可以在后面閱讀相關(guān)文獻時留意一下是否如此。

案例4，病蟲害脅迫

薊馬是甜椒的主要害蟲之一，對其危害程度的量化評估是抗性品種篩選的關(guān)鍵指標(biāo)之一。本例中，經(jīng)過和育種家溝通后，認為將Fv/Fm < 0.5的區(qū)域，可以判定為這個抗蟲實驗中的蟲害區(qū)域，進一步可以快速計算出該區(qū)域的面積大小，從而實現(xiàn)了在冠層尺度對蟲害的精準(zhǔn)評估，大大加速了抗蟲甜椒的育種過程。

案例5，除草劑的作用

除草劑可以作用于代謝路徑(多數(shù)是電子傳遞鏈)的特點位點，阻斷特定生理過程從而達到殺死植物的目的。很多植物在吸收除草劑后，生理阻斷了，但葉綠素還未分解，因此盡管已經(jīng)受到“內(nèi)傷”，但“外觀”還是好的。傳統(tǒng)的表型難以測量出這種現(xiàn)象，而葉綠素?zé)晒獬上襁@種生理表型技術(shù)可以完美的解決這一點。

筆者想強調(diào)的一點是，這種技術(shù)已經(jīng)可以測量冠層，已經(jīng)可以走到溫室、走到田間，甚至可以進行高通量測量了。舉兩個例子：

1)低通量人工輔助測量

我們與光合表型成像技術(shù)最頂尖的公司荷蘭PhenoVation合作，將傳統(tǒng)的室內(nèi)測量傳感器集成到性價比非常高的田間測量車上，可以根據(jù)樣品(葉片、果穗、果實等)的位置和朝向進行靈活測量，已經(jīng)在麥穗、稻穗等的測量中得到成功應(yīng)用。

2)高通量自動測量

我們將成像面積 > 50x50cm的光合表型成像儀集成到三軸自動化測量平臺上，實現(xiàn)在數(shù)百乃至上千平米的區(qū)域全自動高通量“光合生理+可見光表型+植被指數(shù)+色素含量”測量。該技術(shù)已在國內(nèi)得到成功應(yīng)用。

筆者認為，生理表型測量的核心在于“早、快”，要在肉眼可見之前就能測量并預(yù)判出變化趨勢，才是這個技術(shù)的核心價值。葉綠素?zé)晒獬上?，恰好滿足了這個要求。我們慧諾瑞德公司，也希望在這個領(lǐng)域能做更多的工作，和可見光表型、光譜表型一塊，用植物表型技術(shù)加速育種，用植物表型技術(shù)助力智慧農(nóng)業(yè)。