赵春江&杨万能 | 植物微观表型综述

北京市农林科学院信息技术研究中心赵春江院士团队联合华中农业大学杨万能教授团队发布在PBJ上的综述文章：Plant microphenotype: from innovative imaging to computational analysis，深入探讨了植物微观表型（microphenotype）的研究进展，从创新成像技术到计算分析方法的应用，并展望了该领域的未来挑战和发展方向。以下是对文章主要内容的概括性总结：

1. 微观表型的重要性：
文章首先强调了微观表型在连接基因型和复杂宏观表型之间的关键作用。微观表型是指植物在组织和细胞尺度上可观察到的物理、化学或生物性状，这些性状能在特定时间由基因型表达出来。它们对于理解植物对环境变化的响应、基因表达的调控以及植物生长发育的基础科学和植物育种研究至关重要。

2. 研究进展与挑战：
作者回顾了过去二十年间植物微观表型数据获取和智能分析的研究进展。指出了该领域面临的几个挑战，包括跨尺度成像策略的建立、强大的人工智能算法的开发、先进的遗传分析方法和计算表型的需求。这些挑战的解决将有助于更好地理解基因型、环境和管理之间的相互作用。

3. 微观表型研究的发展历程：
文章分析了植物微观表型研究的当前状态、进展和挑战，并通过Web of Science数据库的文献回顾，展示了2002年至2022年间的相关研究趋势。研究发现，对植物微观表型的研究兴趣显著增加，研究重点主要集中于揭示植物的“生命现象”，并且对“生理代谢”和“遗传调控”的研究也有所增加。

4. 成像技术的发展：
文章详细介绍了用于植物微观表型的成像技术，包括共焦激光扫描显微镜（CLSM）、激光烧蚀断层扫描（LAT）、高分辨率X射线计算机断层扫描（HRXCT）或微CT、磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描（PET）。这些技术使得科学家能够获得从亚细胞到器官尺度的高分辨率图像。

5. 人工智能在微观表型分析中的应用：
文章讨论了人工智能（AI）技术，特别是机器学习、深度学习等计算工具在处理、分析和理解大量微观成像数据中的作用。强调了开发高通量和智能表型分析流程的重要性，这些流程可以针对特定的研究目标和问题。

6. 微观表型在生物物理和生化过程中的应用：
文章探讨了微观表型在植物水分和碳循环的生物物理和生化过程中的应用，包括量化植物维管组织的微观结构和动态，以及对重要微观性状的遗传分析。

7. 功能-结构植物模型的整合：
文章讨论了功能-结构植物模型（FSPMs）的发展，这些模型通过整合微观表型，有助于理解植物的功能性特征，并将微观特征的贡献转化为宏观特征。

8. 未来展望：
文章提出了植物微观表型发展的三个阶段：Microphenotyping 1.0、2.0和3.0，并讨论了未来的发展方向，包括AI技术在显微镜图像分析中的应用、多模态成像技术的整合、时间序列3D表型的挖掘、微观与宏观表型之间的联系、基于微观表型的遗传效应的准确和定量分析，以及微观表型数据的标准。