如何利用植物表型技術培育更加高效高產的作物

瀏覽次數：2183　發布日期：2019-10-30　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

近期，紐約時報報道了Robert Furbank博士（澳大利亞國立大學、澳大利亞研究委員會轉化光合作用卓越中心主任）的研究工作。

澳大利亞國立大學植物生長艙（Growth Capsule）中培育的小麥品種

由于全球氣候變化的影響，諸如溫度升高、干旱加劇、風和降雨模式改變都在威脅農業生產，從而使全世界都在面臨逐漸逼近的糧食短缺危機。
Furbank博士和他領導的科研中心與全球相關科學家合作，瞄準了一個大膽的糧食危機解決方案：讓作物更加高效地傳導光合作用。
作物生理學家估計，如果植物光合效率可以提高5%，那么大部分作物的產量可以提高20%。
這對養活全球不斷增長的人口會是一個非常大的幫助。據預測，到2050年，全球人口會從現在的75億增長到100億。而科學家估計作物產量要增長70%以上才能滿足需求。
回顧歷史，得益于一系列統稱為綠色革命的農業革新，在1960-2010年間，全球糧食產量增長了175%。通過培育高產作物、改善氮肥的使用以及改良灌溉方式，農業部門避免了世界人口快速增長可能造成的全球性饑荒。
然而，近些年來，綠色革命的技術逐漸達到了極限，全球作物產量已經止步不前。據2014年聯合國糧農組織報告，三大主要谷物，水稻、小麥和玉米的年產量增長率從1960-1990年的2.19-2.95%下降到1990-2010年的0.79-1.74%。同時，現代農業的負面影響開始顯現，比如溫室氣體排放、氮肥污染、土壤退化等。
除了保障耕種面積和維護生態環境，最有效的措施就是開發利用優良的作物品種和先進的栽培技術。因此，在未來的數十年間，科學家需要培育作物新品種。這些新品種要應對更加嚴酷而變化莫測的環境條件，更少的資源——包括土地、水和肥料，同時還能獲得高產。
為了達到這一目的，農業科學家們的科研工作也迫切需要更先進的技術和儀器來支持。與之相關的工作都需要對兩方面的技術支持：

對復雜的植物生長環境的監測與控制，用以模擬各種不同的環境條件來研究植物的反應；
大量植株的各種特征和性狀即表型（phenotyping）的鑒別與分析。

因此，現代植物表型研究與分析技術就應運而生。Furbank博士在研究中就使用了PSI公司提供的植物生長艙（Growth Capsule）。

Furbank博士（左）在植物生長艙中檢查培養的小麥

Growth Capsule植物生長艙為集裝箱式設計，方便移動運輸，無需專門的溫室或實驗室，可露天使用，多個單元可以拼疊在一起。每個單元可獨立調節環境條件，溫度、濕度、光照及CO₂調控并在線監測顯示在觸摸屏上，可以在任何地點、任何環境條件下進行生態環境模擬實驗和植物培養。

同時，Furbank博士所屬的澳大利亞國立大學與澳大利亞聯邦科學與工業研究組織已經與PSI公司合作建設了多套PlantScreen植物表型成像分析系統。

PlantScreen植物表型成像分析系統集植物自動傳送技術、智能LED光適應與培養技術、自動澆灌稱重技術、FluorCam葉綠素熒光成像技術、光譜成像技術（包括RGB、VISIR高光譜成像、SWIR高光譜成像、LWIR紅外熱成像等）等，以及根窗技術全自動根系表型觀測，高通量、無損傷、全自動、全方位實驗觀測分析植物形態結構與生理功能形狀表型，成為國際著名表型組學與遺傳組學研究及遺傳育種機構的重要平臺，如德國IPK（Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research）、美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）、荷蘭生態表型研究中心（NPEC，Wageningen University & Research，Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre）、德國BIOP（Institute of Biochemical Plant Pathology）、澳大利亞CSIRO（Commonwealth Industrial Research Organisation）、國際水稻研究所、杜邦先鋒國際良種公司、孟山都公司、美國合成基因公司等等。