基于"田间-实验室"PET成像技术的植物生物刺激剂对菠菜生长影响评估

为解决传统植物PET成像技术受限于实验室条件且破坏根际环境的问题，研究人员创新性提出"田间-实验室"方法，通过PMAA管芯取样技术保持根-土界面完整性，结合数字PET成像评估生物刺激剂(PBs)对菠菜水分吸收的影响。研究证实海藻提取物(Abyss)和腐殖酸(Blackjack)能显著提升菠菜生长指标(p<0.01)和水分运输效率(p<0.001)，为精准农业提供了一种非破坏性、可重复的植物功能评估新范式。

　　

在追求可持续农业的全球背景下，如何平衡作物产量与环境友好型生产方式成为关键挑战。植物生物刺激剂(PBs)作为新型农业投入品，虽能促进作物生长，但其效果评估长期依赖破坏性取样和实验室控制环境下的检测，既无法反映真实田间条件，又可能因根际破坏导致数据失真。更棘手的是，传统表型分析方法响应缓慢，难以及时指导农业生产决策。这些技术瓶颈严重制约着精准农业的发展。

针对这一系列难题，意大利BF研究所生命科学与技术部(BF Research, Life Science and Technology Department)的科研团队创新性地提出了"田间-实验室"(Field-to-Lab)研究范式。该团队选择经济作物菠菜(Spinacia oleracea L.)为研究对象，通过将田间真实生长环境与实验室精密成像技术相结合，建立了评估生物刺激剂效果的新标准。这项突破性研究成果发表在农业技术领域权威期刊《Smart Agricultural Technology》上，为现代农业监测技术开辟了新路径。

研究团队采用了三项核心技术方法：首先开发了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)管芯取样技术，在田间直接套取植株及周边土壤，保持根际微生物群落完整；其次运用[¹⁸F]-FDG放射性示踪剂通过主根给药方式，实现非破坏性水分吸收监测；最后采用高灵敏度数字PET系统(RAYCAN? Trans-PET 180)进行三维动态成像，通过强度比(IR)和平均强度比(MIR)量化水分运输效率。同时设置两个田间试验(Exp I和Exp II)验证方法可靠性，并采用主成分分析(PCA)处理48项农艺性状数据。

在农艺性状分析方面，研究发现生物刺激剂显著影响菠菜生长指标。通过主成分分析(PC1)揭示，Abyss和Blackjack处理组的叶片面积指数(LAI)、总叶绿素含量(Cht)等关键参数与对照组差异显著(p<0.01)。特别值得注意的是，Abyss在推荐剂量下表现尤为突出，其处理组的归一化植被指数(NDVI)和抗氧化活性(DPPH)贡献率分别达74%和86%，表明该生物刺激剂能同步提升菠菜的生长性能和营养品质。

PET成像结果与农艺分析高度吻合。图像定量分析显示，Abyss处理组(A2)的MIR值较对照组提升最显著(p=0.0000026)，表明其促进水分向食用部位运输的效果最佳。通过创新的上游-下游(u-d)区域划分法，研究人员首次实现了植物体内水分运输的空间定量表征，为理解生物刺激剂的作用机制提供了直观证据。

在讨论环节，作者强调该方法的多重创新价值：技术层面，首次实现田间样品与实验室PET成像的无损衔接；应用层面，检测周期缩短至半天，大幅提升农业决策时效性；经济层面，通过精准评估PB效果，可优化使用剂量，降低生产成本。特别值得注意的是，该方法支持样品回栽，为纵向研究提供了可能，这是传统破坏性检测无法实现的。

这项研究建立的"田间-实验室"范式不仅适用于PET技术，还可拓展至CT、MRI等成像领域。随着全球菠菜市场年增长率达3.7%，该成果对指导可持续生产具有重要实践意义。研究团队建议未来开发自动图像分析算法，并扩大样本量以进一步提升方法可靠性，为精准农业提供更强大的技术支撑。