《The Plant Phenome Journal》：Resolving early growth variation in Pinus radiata: Effective indoor phenotyping of juvenile trees
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室内植物表型设施能够提供其他系统无法实现的高分辨率、动态性状数据，但由于空间限制，此类设施极少应用于树木研究。本研究以模式针叶树辐射松（Pinus radiata）为对象，评估了利用室内表型技术能否检测并可靠解析三个克隆基因型之间的早期生长变异。将克隆幼苗种植
室内植物表型设施能够提供其他系统无法实现的高分辨率、动态性状数据，但由于空间限制，此类设施极少应用于树木研究。本研究以模式针叶树辐射松（Pinus radiata）为对象，评估了利用室内表型技术能否检测并可靠解析三个克隆基因型之间的早期生长变异。将克隆幼苗种植于三种生长基质中，在受控条件下培育84天，并使用LemnaTec RGB（红-绿-蓝）成像系统进行表型采集。从多角度图像中提取平滑投影冠层面积（sPSA），并计算绝对生长速率（sAGR）和相对生长速率（sRGR）以量化生长动态。表型衍生性状能够一致地区分不同克隆（p < 0.05），但未能区分生长基质（p > 0.05），且未检测到克隆与基质间的交互作用（p > 0.1）。从种植后第48天起，克隆2的sPSA显著大于克隆1和克隆3。绝对生长速率按整体生长幅度区分了各处理，基质效应虽存在但克隆效应占主导地位（p < 0.001）。相对生长速率呈现相似趋势，其中克隆2表现出最高的内在生长效率（p < 0.001）。在每个克隆-土壤组合设置6至7个重复的条件下，室内表型分析实现了对克隆间早期生长差异的清晰分离。这些结果表明，幼龄针叶树可表达可测量的表型变异，且该变异能在受控条件下被可靠捕获，从而支持将室内表型技术应用于高分辨率的树木早期阶段研究。
一、研究背景与科学问题
树木生长周期长、个体体积大，使得传统田间表型鉴定耗时费力，难以实现对早期生长性状的高通量、高时间分辨率监测。相比之下，室内自动化表型平台已在农作物研究中广泛应用，能够提供稳定可控的环境条件并实现无损、重复的动态测量。然而，这类平台极少应用于树木，尤其是针叶树种，主要原因在于：针叶树生长缓慢、形态复杂，其针状叶片窄细（约1–2 mm宽）、簇生于枝轴周围并呈倾斜或下垂排列，形成三维结构复杂的冠层，可能导致标准RGB图像分割算法失效，使投影面积等指标难以真实反映生长变化。此外，针叶树幼树的生理特性（如单位叶面积光合速率较低、基于管胞的水力输导系统）可能使胁迫响应更为迟缓和隐蔽。因此，一个核心科学问题是：针对农作物优化的室内高通量表型平台能否可靠地检测和量化幼龄针叶树（以辐射松Pinus radiata为例）的生长变异？本研究正是为了验证这一方法的可行性而设计。
二、研究方法概述
研究人员采用完全交叉实验设计，设置3种生长基质（1:1:1 CP:UC:CL混合基质、50:50 CP:UC混合基质和GL混合基质）与3个辐射松无性系克隆（来自澳大利亚和新西兰商业化育种群体，经控制授粉获得，材料由Gelliondale苗圃提供），共9个处理组合，每个组合设6–7个生物学重复。实验在气候受控温室中进行（昼夜温度25°C/15°C），植株于2021年7月30日定植，连续监测84天。每周一次使用LemnaTec RGB成像系统（配备800万像素摄像头）从顶视和两个侧视角度（水平方向0°和80°旋转）采集多角度图像，分辨率4.3像素/mm。图像经LemnaGrid软件进行前景-背景分割和去噪处理后，将三幅图像中的前景像素求和得到投影冠层面积（PSA）。随后利用R包growthPheno中的SET方法对PSA取对数后拟合自然三次样条（自由度设为5）进行平滑，获得平滑投影冠层面积（sPSA），并据此计算平滑绝对生长速率（sAGR）和平滑相对生长速率（sRGR）。统计上采用线性混合模型（ASReml-R和asremlPlus包）进行F检验，显著性水平α=0.05。
三、主要研究结果
3.1 检测到不同的生长阶段
研究人员发现，移植后辐射松幼苗的生长响应可划分为五个特征性生长阶段：7–28天、28–42天、42–56天、56–70天和70–84天（DAP）。多角度RGB成像成功地从针叶构成的复杂冠层中提取出一致且连贯的生长轨迹，sPSA、sAGR和sRGR均呈现出清晰的阶段性变化规律。这表明，尽管辐射松针叶形态特殊，但经过多视角整合和适当的分割处理，标准RGB成像系统仍能有效捕捉幼树的冠层扩展动态，克服了此前对针叶树表型可行性的担忧。
3.2 投影冠层面积分析显示生长响应随时间变化
纵向sPSA测量结果表明，克隆效应在实验早期即开始显现：第7天DAP时克隆间无显著差异（p=0.681），第28天DAP出现分化迹象（p=0.055），第42天DAP达到显著水平（p=0.003），此后持续增强（p<0.001）。这种差异主要由克隆2的sPSA持续高于克隆1和克隆3所驱动。所有时间点均未检测到显著的克隆×基质交互作用（p>0.05），表明克隆2的优势在不同生长基质中表现一致。这一结果展示了纵向表型的优势：不仅揭示出最终差异的存在，还明确了差异出现的时间点和演变轨迹。
3.3 绝对生长速率
sAGR的分析结果显示，克隆2在整个实验期间均保持显著更高的绝对生长速率（p<0.001），尤其在42–56天DAP区间达到峰值。相反，三种生长基质之间在任何阶段均未表现出显著差异（p>0.05），也无显著的克隆×基质交互作用。研究人员认为，基质效应的缺失并非由于表型系统灵敏度不足——因为同一系统已清晰检测出强烈的克隆效应——而是因为所有基质均经过营养改良，养分供应充足且非限制性，导致基质间的实际生长差异过小。
3.4 相对生长速率
sRGR的分析揭示了克隆间在内在生长效率上的差异。与sAGR在所有阶段均显著不同，sRGR仅在早期适应和活跃生长阶段（7–28天、28–42天和42–56天DAP）表现出显著的克隆效应（p≤0.013），而在后期平台期（56–70天和70–84天DAP）不再显著（p>0.119）。这表明，虽然克隆身份影响整个实验期的总冠层积累，但内在生长效率（相对于当前大小的生长速率）主要在早期和活跃生长期区分不同克隆。克隆2在所有阶段均表现出最高的sRGR，反映出其优越的内在生长效率，可能与碳同化效率或资源分配模式的遗传差异有关。
四、讨论与结论
讨论部分指出，本研究的核心意义在于证明了室内高通量表型平台能够有效应用于幼龄针叶树。尽管三种生长基质未产生显著生长差异，但这反映了养分充足的实验设计特点，而非系统灵敏度的局限。研究人员同时承认了研究的局限性：sPSA未与破坏性测量的叶面积或生物量进行校准，因此不能直接等同于绝对生物量；所用三个克隆的详细谱系信息不可得，无法估算育种值或判断克隆2的优越性是否代表更广泛群体的稳定特征。不过，这些局限性不影响本研究的主要目标——验证表型系统的可行性。
研究结论总结如下：本研究证明，图像驱动的树木表型研究并不局限于田间方法和设备。受控环境下的成像平台能够清晰地解析辐射松绝对冠层生长的差异，提供关于不同生长阶段的详细见解以及克隆水平的尺寸调整生长速率等动态信息。分析系统能够在所有阶段检测到辐射松冠层积累的克隆水平差异，但内在生长效率的差异主要在早期和活跃生长期区分不同克隆。这些结果突显了表型基础设施对所评估应用的高度灵敏性和精确性，并揭示了辐射松生长形态的内在可塑性，支持其作为应用型和基础型树木生物学研究的模式物种。受控环境表型分析补充了田间方法，提供了隔离环境因素并以高精度追踪植物响应的能力。总之，这些发现表明，幼龄辐射松可作为稳健的系统，借助高通量表型分析方法推进我们对树木生长发育的理解。
