植物与土壤的相互作用包括土壤对植物生存、生长和繁殖所施加的广泛的生物、化学和物理效应，以及植物对土壤形成、土壤物理结构和土壤生物群活动的相互作用。这些相互作用发生在广泛的时间和空间尺度上。土壤生物群和土壤物理基质的参与对植物种群和群落具有反馈效应，也导致养分循环和动态的变化。
土壤-植物互作示意图（Bhattacharyya，2023）
叶绿素荧光与多光谱荧光成像技术是目前植物表型研究技术中占据极其重要的地位。这两种技术对植物活体的光合生理表型、次生代谢水平、转基因标记荧光蛋白等进行无损成像与定量分析，在植物、农业、生态科研工作中都得到了广泛地应用。易科泰生态技术公司积十几年叶绿素荧光与多光谱荧光测量与成像技术国际合作、技术推广与技术服务经验，一方面引进国际先进仪器技术，另一方面自主研制生产了不同应用领域的叶绿素荧光与多光谱荧光成像技术产品，包括FluorTron叶绿素荧光动态成像（time-resolved）、FluorTron多光谱荧光成像、FluorTron叶绿素荧光光谱成像等。
土壤-植物互作的相关研究中，测量特定土壤条件下植物的光合生理与表型响应，无疑是非常重要的一环。国内外研究者利用易科泰及合作厂家提供的叶绿素荧光与多光谱荧光成像技术已经在相关研究领域取得了大量研究成果，下面我们介绍其中的部分重要成果：
应用方向一、土壤重金属污染与改良评估
土壤中的重金属会从土壤进入植物体内，影响植物的生长发育，这些重金属又会经食物链造成生态危害与人类健康风险。因此，降低土壤中重金属毒性并减少植物中重金属积累对农业生态、食品安全和人类健康至关重要。
河南农业大学在土壤中添加了一种新型聚丙烯酸接枝淀粉和腐植酸钾复合水凝胶(S/K/AA)，研究其对烟草生长和土壤微环境的影响。形态数据结果分析表明添加S/K/AA水凝胶可以显著提高Cd胁迫条件下烟草生物量。通过FluorCam叶绿素荧光成像系统与光合仪对烟草光合能力进行测量，结果表明S/K/AA水凝胶同样提高了Cd胁迫条件下烟草的光合能力，包括最小荧光Fo、光合速率（CO2同化速率）Pn、蒸腾速率E等。研究认为，S/K/AA水凝胶可能是通过Cd吸收转运蛋白的表达来影响Cd吸收，从而降低Cd毒性。
左图：S/K/AA水凝胶；右图：叶绿素荧光成像图及光合相关数据
除了直接改良土壤外，利用根际内生菌直接调节植物对重金属的吸收和积累也是重要的研究方向之一。安徽科技大学与南京农业大学合作研究发现，根际内生菌Lysinibacillusfusiformis Cr33显著降低了番茄植株镉（Cd）积累。FluorCam叶绿素荧光成像结果表明随Cd浓度降低，番茄叶片光合系统的损伤程度也显著降低，证明了根内生菌对地上部的保护作用。沈阳师范大学则利用FluorCam叶绿素荧光成像证明了根内生菌Burkholderiasp. GD17 在水稻对Cd胁迫应答中，对光合系统具有显著的保护性影响，减少了Cd损伤造成最 大光化学效率Fv/Fm、实际光化学效率ΦPSII、电子传递速率ETR的降低。
左图：根内生菌显著减少Cd对番茄叶片的毒害作用，这种作用与植物体内Cd浓度密切相关；右图：根内生菌在水稻对Cd胁迫应答中对光合系统具有保护性影响
应用方向二、土壤病害与寄生物早期检测
多光谱荧光可同时对胁迫诱导次级代谢产物荧光（蓝绿荧光）成像，并与叶绿素荧光（红色和远红荧光）成像综合分析。次生代谢物中的多酚类物质是植物抵御病害的重要化学物质，黄酮类物质则与抗ROS活性氧密切相关，因此利用多光谱荧光能够灵敏地进行极早期病害检测，甚至土壤病原菌及寄生物造成的根系病害都可以通过植物地上部的多光谱荧光成像进行检测。
白纹羽病Rosellinia necatrix是鳄梨最重要的土壤传播疾病之一。西班牙高等学术研究委员会利用FluorCam多光谱荧光成像技术及红外热成像技术对根系感染后的鳄梨叶片的进行了叶绿素荧光成像、多光谱荧光成像和热成像分析，发现病害造成的根系功能损失，能够同步影响叶片的光合生理、次生代谢和气孔功能。而叶绿素荧光参数甚至可以在症状发展前就指示出病害的发生。通过FluorCam多光谱荧光成像技术进行的这一研究既发现了根系病害对植物整体生理功能和地上部表型的影响，也为根系病害提供了早期检测工具。
感染白纹羽病的鳄梨：左：地上部RGB图；右：叶绿素荧光、多光谱荧光与热成像图
根系寄生的列当Orobanche cumana是油料作物向日葵生产中的大敌。西班牙国家研究委员会首次将多光谱荧光技术用于向日葵被列当寄生的快速无损检测。多光谱荧光成像结果表明，在列当感染早期即可通过向日葵叶片红色荧光F680和远红荧光F740的增加，以及F680/F740的减少来检测到其影响。蓝绿荧光F440和F520则反应了寄生过程中次生代谢水平的变化。这为向日葵育种与根系寄生早期检测提供了极大的便利。
向日葵根部列当寄生过程的多光谱荧光成像
应用方向三、土壤生态毒性的生物标记检测
捷克全 球变化研究所与丹麦哥本哈根大学长期合作研究开发一种高通量生物标记筛选方法，能够快速评估土壤与环境中毒性物质如除草剂、重金属等对环境生态的影响。他们使用高等植物的光自养细胞悬液，结合FluorCam叶绿素荧光成像系统、FMT150藻类培养与在线监测系统、AlgaeTron AG230藻类培养箱等仪器开展了大量相关研究。实验结果表明光自养细胞悬液结合FluorCam叶绿素荧光成像技术就是一种非常好的环境毒性生物标记。
左图：番茄细胞悬液添加不同浓度敌草隆后的FluorCam高通量叶绿素荧光成像检测；右图：在FMT150和AG230中培养的红叶藜细胞悬液，准备后续的FluorCam叶绿素荧光成像分析
在最 新的研究中，他们分别对拟南芥植株和细胞悬液施加了敌草隆、草甘膦和重金属铬，使用FluorCam多光谱荧光成像系统对其进行了叶绿素荧光成像和多光谱荧光成像分析。数据经过主成分分析，证明拟南芥细胞悬液结合叶绿素荧光成像和多光谱荧光成像分析是一种非常有效的植物毒性胁迫高通量预筛系统。这两种成像检测技术分别检测毒性物质对光合系统和次生代谢的影响，使检测结果更加全面和准确。比起使用植株来进行类似筛选，这一生物标记系统在高通量数据获取、快速胁迫检测、高灵敏度、同质胁迫响应、减少培养空间、节省材料与毒性物质等方面都有很大优势。
左图：叶绿素荧光成像和多光谱荧光成像数据的主成分分析；中图：敌草隆、草甘膦和铬处理后的拟南芥细胞悬液；右图：敌草隆处理后的拟南芥植株
应用方向四、我们能在火星种土豆吗——土壤-植物营养状况评估与贫瘠土壤改良
传统的土壤营养元素分析方法需要对土壤及上面生长的植物进行烘干消解处理与化学分析，不但费时费力，还要使用大量对环境有污染的化学药品，更重要的是难以对同一植株进行跟踪检测，在野外大田采样测量也非常不方便。
浙江大学使用了三种荧光技术——OJIP快速叶绿素荧光动力学技术、脉冲调制式叶绿素荧光成像技术和多光谱荧光成像技术获取了不同氮素处理下油菜不同生长时期以及不同叶位的荧光数据。叶片氮素与植物的光合能力和叶绿素含量密切相关。OJIP与脉冲调制式叶绿素荧光技术获得的相关参数直接反映植物的光合能力与电子传递链的生理变化。多光谱荧光技术测量的红色荧光RF和近红外荧光IrF则直接反映了叶绿素含量。在保证结果准确率的前提下，相比其他两种技术，多光谱荧光成像技术有其独特的优势。首先，多光谱荧光成像在叶片顶部的敏感度最 高且检测的时间也最 早；其次，相较于其他叶绿素荧光技术，多光谱荧光成像技术不需要暗适应，因此更适合用于田间冠层尺度的检测。综上，本研究推断出多光谱荧光成像技术在油菜氮素水平的田间早期诊断中拥有较高潜力。
左：相关叶绿素荧光参数；右：多光谱荧光RF/IrF成像图
在科幻大片《火星救援》中，马特·达蒙饰演的植物学家，依靠仅有的少量资源，就奇迹般地种植出了批量的“火星土豆”。
《火星救援》影片中的“阿瑞斯三号”火星基地和“火星土豆”
那么现实中，我们能在火星的贫瘠土壤上种土豆吗？ 那不勒斯费德里科二世大学在意大利航天局支持下，开展了火星土豆培养模拟实验。火星土壤中虽然含有K、Ca、Mg、Fe等植物生长必需的无机元素，但缺乏C、N、P、S等有机元素，同时也没有足够的土壤持水量。研究人员希望通过在模拟的火星土壤中添加绿色堆肥，改善土豆的生长状况。研究人员利用ADC光合仪在块茎填充期和叶片衰老期检测了净光合速率NP、气孔导度gs、蒸腾速率E，同时利用FluorPen100手持式叶绿素荧光仪检测了光系统II最 大光化学效率Fv/Fm、光系统II量子产额ΦPSII、电子传递速率ETR和非光化学淬灭系数NPQ。结果表明，在火星土中添加堆肥，一定程度提高了净光合速率NP，同时显著降低了气孔导度gs和蒸腾速率E。说明堆肥处理维持了CO2固定效率，同时还降低了对水分的损耗。叶绿素荧光数据方面，火星土堆肥提高了土豆的光系统II量子产额ΦPSII和电子传递速率ETR，说明堆肥对光系统的作用主要体现在提高了光系统的光能转化效率。结合最 终对块茎的品质检测，这一研究证明了绿色堆肥可以很好地改善火星土的理化特性和肥力。也许未来的宇航员就会借助叶绿素荧光和多光谱荧光技术开发的土壤改良技术，在火星实现土豆自由。
左图：不同培养基质种植土豆的光合仪数据；右图：叶绿素荧光数据
应用方向五、土壤生态恢复评估
随着矿产资源持续开发，相当一部分矿区由于资源枯竭或因去产能关停退出，这些矿区就进入了 “后采矿（post-mining）”阶段。这个阶段是对采矿遗留的土地、矿井、工业设施、建构筑物和环境等进行风险评估、整治与再利用的时期，其中对土壤进行生态修复以恢复其自然生态功能是其中重要的环节。
德国勃兰登堡工业大学对多个“后采矿”区域的生态恢复进行了跟踪研究。由于采矿区土壤贫瘠，而且可能存在重金属、有机化合物等多种污染，因此在初期，其地表植被以地衣、苔藓等低等植物形成的生物结皮为主。研究人员通过FluorCam叶绿素荧光成像技术与反射光谱成像技术结合，评估土壤的恢复过程。研究结果表明土壤生物结皮逐渐增强的光合活性，增加了土壤碳积累，为其他高等植物的定居创造条件。
左图：研究中的实验样点；中图：FluorCam叶绿素荧光成像技术对土壤恢复过程生物结皮的测量过程；右图：不同时期土壤结皮彩色成像、反射光谱NDVI成像、叶绿素荧光成像初始荧光Fo和最 大荧光Fm
除叶绿素荧光与高光谱荧光技术外，易科泰可同时提供其他多种与土壤-植物互作相关的仪器技术，包括土壤/根系/土壤动物呼吸与碳中和、土壤/植物元素分析、植物/根系/土壤高光谱成像、红外热成像、生态模拟实验监测等多种研究应用，可根据客户实际需要，灵活配置技术方案。
FluorTron?多功能高光谱成像分析技术
FluorTron?多功能高光谱成像分析系统：同时具备反射光高光谱成像、叶绿素荧光及UV-MCF生物荧光成像分析功能，可应用于遗传育种、种质资源检测鉴定、植物表型、胁迫与抗性筛选等领域
FluorCam叶绿素荧光与多光谱荧光成像系统
左图：FluorCam1300多光谱荧光成像系统，为FluorCam系列的最 新产品；中上图：拟南芥光合突变体筛选及功能验证；中下图：农杆菌注射烟草的GFP成像；右图：结合Thermo红外热成像与UV-MCF多光谱荧光成像分析温室效应背景下油菜的生理生态响应，包括光系统损伤、次生代谢物合成、叶温变化等
RhizoTron根系高光谱成像技术
左图：RhizoTron?植物根系高光谱成像系统进行的元宝槭氮素含量分布、顶部冠层高光谱成像（NDVI）与根系成像提取（EcoTech?实验室提供），除高光谱成像外，还可配备RGB成像、红外热成像、多光谱成像；右图：植物叶片与根系重金属高光谱采集分析流程
Fire Fly & Mini Fly LIBS元素分析成像技术
FireFly LIBS& Mini Fly元素分布成像分析系统可快速无损检测土壤、植物根系与叶片中所有元素的分布及含量变化
SoilLab土壤呼吸实验测量技术
从左至右：SoilLab土壤微生态实验模拟观测系统；EGA60高通量土壤呼吸测量系统；FMS便携式多功能土壤呼吸测量系统。测量样品包括土壤、土壤动物、植物、堆肥和可生物降解废物等。具备实时开放式、间歇式、流动注射式等多种测量技术，可适用于实验室不同模拟控制条件下土壤呼吸、土壤根系呼吸、群落光合呼吸、土壤微生物活性监测等。
Thermo-RGB成像技术
Thermo-RGB 成像采用易科泰自主研发的红外热成像与 RGB 成像融合分析技术，有效融合了红外热成像的热辐射信息/温度信息和 RGB 成像的颜色信息和高分辨率优势，可以方便地进行图像分割处理、提取清晰的图像信息，并进一步精 准运行 ROI 选区分析，能够同时检测形态、颜色及温度分布等，可用于植物表型分析、生物（病虫害）或非生物（如干旱、盐碱等）胁迫或敏感性检测；也可直接用于土壤表面温度的实时成像监测。
EcoTron生态模拟实验监测技术
ECOTRON基于蒸渗仪技术及环控生长箱技术而设计研发的高度订制化的可控生态系统设备，可在受控条件下对土壤-植物-大气连续体中的生态系统功能进行综合研究。其中下部单元（基于蒸渗仪技术）用于研究土壤过程以及动植物与土壤的影响等，上部单元作为动植物的栖息地用于研究不同部分间的相互作用、对土壤胁迫的响应等，系统可以模拟真实的地上和地下环境条件，并自动测量生态系统的过程（如能量和物质的流动）等。
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