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Trends in Plant Science | 三位一体筑表型植物体检启新程

发布时间：

2025-06-13

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植物也需要"体检"？揭秘高科技"植物健康检查"！

想象一下，当医院体检时，医生会用各种仪器检测我们的血压、血糖、心电图等指标。那么，植物需要体检吗？答案是肯定的！在农业科技前沿，科学家们正在使用一套被称为"植物表型组学"的高科技系统，为植物进行全方位的"健康检查"。这项技术究竟如何运作？它又能为现代农业带来哪些变革？

最新研究发表

6月12日，国际著名学术期刊《Trends in Plant Science》在线发表了宏表型实验室韩志国博士、西北农林科技大学吴婷婷副教授和西班牙巴塞罗那大学José Luis Araus教授联合撰写的技术文章《Plant phenotyping trinity: Health checks for plants》，首次提出"三位一体"植物表型技术框架。

植物表型：为植物体检的技术

植物表型是一项通过测量植物形态结构、生理功能及（生化）组分含量来评估植物健康状况的技术，堪称"植物体检"。这一形象比喻不仅揭示了评估健康参数对人类和植物同样重要，更凸显了表型技术的全面性——它对理解作物环境适应性、产量潜力及综合品质具有关键作用。

慧诺瑞德公司和宏表型实验室创始人韩志国博士介绍，“在我推广植物表型技术的16年里，一直试图用科普的方式让大家理解表型。从我们提出将表型性状分为形态结构、生理功能及（生化）组分含量，到2023年上半年构建出‘为植物体检’的概念，前后花了四五年时间。用‘后视镜’思维看是一层窗户纸，但在当时却经历了漫长的思考过程”。

在医疗上，环境、营养、生活习惯等会影响人的表型；在农业上，环境、气象、管理（农事操作）等会影响作物的表型。具体而言体现在形态结构、生理功能及（生化）组分含量的变化上。基因-环境-管理都会影响表型，通过各种先进的“表型测量”技术，既可以为人问诊，也可以加速优良品质的选育和智慧农作过程。

三位一体筑表型

文章提出一个概念：三位一体筑表型（The Trinity of Plant Phenotyping）。所有的植物表型技术都可以和人做对比：表型平台的传感器相当于人的眼睛，自动化系统相当于人的身体，软件和算法相当于人的大脑。这“三位一体”是现代表型分析设施的核心组成部分。在这里，软件的功能类似于大脑皮层，负责控制自动化流程、执行实验任务、管理数据库以及分析数据，而算法则像神经网络一样，从原始数据中提取有价值的信息和模式。

优势与挑战并存

植物表型的“三位一体”为我们带来了诸多优势。首先与人类体检的类比简化了植物表型的概念，使其更容易被广泛理解和接受。其次，这种三位一体模型为研究和开发提供了一个结构化的框架，使得不同领域的专家可以协同工作。更重要的是，传感器、自动化系统以及软件和算法的整合提高了数据收集和分析的精确性和效率，能够为我们提供准确的结果。

“三位一体筑表型”构成了一个集成的控制论生物体，像生物系统一样具备适应性感知、精确驱动和智能解释的能力。它可能有助于创建数字孪生模型，以准确区分作物基因型，这对于大规模育种和研究至关重要，并且支持智能育种和农业。

然而，任何新兴技术都不会是一帆风顺的。植物表型技术也面临着诸多挑战。将多种技术和学科整合在一起是一项复杂且需要大量投资的任务。植物的生长受到环境因素的强烈影响，这使得表型检测变得复杂。此外，操作复杂的表型设备需要专业的技术人员，而管理大量异构数据集则需要强大的计算基础设施和专业分析知识。标准化的数据收集方法对于确保不同研究机构之间的可重复性结果至关重要。在表型研究中引入本体论（Ontology）很重要，但在实施本体论时，术语协调和概念映射却面临着诸多挑战。随着大数据的收集和共享，还可能引发伦理考量和数据隐私问题。

展望未来

尽管面临诸多挑战，但植物表型组学的前景无疑是光明的。通过这种“三位一体”的组合，我们有望创建植物的数字孪生模型，准确区分作物基因型，这对于大规模的育种和研究至关重要。它将支持智能育种和精准农业的发展，让我们能够更好地应对全球粮食安全和气候变化等挑战。

植物表型组学，这门新兴的跨学科科学，正以其独特的方式，为植物科学研究开辟新的道路。让我们期待它在未来能够为我们带来更多惊喜，为人类与自然的和谐共生贡献力量。

作者介绍

宏表型实验室/慧诺瑞德/慧诺云谱创始人韩志国博士、西北农林科技大学机电学院吴婷婷副教授和西班牙巴塞罗那大学José Luis Araus教授为论文共同通讯作者。本研究得到了中央引导地方项目（2024ZY-CGZY-19）、慧诺基金和西班牙科技部（Ministerio de Ciencia e Innovación）项目（PID2022-138307OB-C2）资助。

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