《Methods in Ecology and Evolution》：Mind(the)Plant: An expandable multimodal facility for the integrated characterization of plant behaviour
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摘要
理解植物行为需要整合在受控条件下随时间测量的多种表型和生理信号。然而，不同的植物信号通常使用独立的实验装置进行研究，这限制了时间对齐和整合分析。
研究人员展示了Mind(the)Plant，一个模块化实验设施，专为植物多模态数据的同步、长期采集而设计
摘要
理解植物行为需要整合在受控条件下随时间测量的多种表型和生理信号。然而，不同的植物信号通常使用独立的实验装置进行研究，这限制了时间对齐和整合分析。
研究人员展示了Mind(the)Plant，一个模块化实验设施，专为植物多模态数据的同步、长期采集而设计，包括三维地上部运动学（3D shoot kinematics）、地上和地下挥发性有机化合物（VOCs）以及根系成像。其模块化架构旨在容纳额外的采集模块，例如电生理信号记录，作为未来的扩展。该平台整合了一个受控生长环境，配备立体视觉成像、高分辨率飞行时间质谱仪（time-of-flight mass spectrometry）和定制 rhizocameras。这些组件通过统一的网络基础设施连接，确保同步采集和集中化数据处理。
研究人员通过数周的记录验证了每个采集模块的性能，证明了高时间稳定性、可靠的立体视觉同步、有效的VOCs信号隔离以及地下成像的稳健运行。研究人员进一步通过一天连续的多模态采集展示了该平台的分析潜力，该采集结合了地上部运动学、地上VOCs排放、rhizocameras观察和环境数据。
Mind(the)Plant为在生态学和进化研究中研究植物行为、信号传导和表型可塑性提供了一种新颖的方法框架。通过实现多种植物响应模态的协调测量，该平台支持从行为学角度研究动态的植物-环境和植物-植物相互作用。
论文解读：Mind(the)Plant——面向植物行为整合表征的可扩展多模态实验设施
**研究背景与科学问题**
近年来，植物行为学（plant behaviour）研究备受关注，其理论框架将植物视为能够部署灵活策略以应对环境挑战的生物体。植物行为被广义定义为“生物体为改变外部环境条件或改变自身与环境的相对状态而向外部世界发起的所有行动”，其涌现于生理、生化和形态过程的协调运作，使植物能够适应异质性且动态变化的环境。当前植物行为研究的主要方向包括：通过地上部（茎、卷须）和根系运动分析表征目标导向与社会行为；通过挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）研究植物信号传导与通讯；以及通过电生理响应推断信息处理和系统信号传导机制。然而，这些信号通道仅代表了植物更广泛信号库中的一部分——植物还通过非挥发性根系分泌物、小RNA、水力和机械信号以及植物发出的超声波等额外化学和物理线索交换信息，这些信号跨越不同的时空尺度。完整的植物行为表征最终需要整合这些多样化的信号。
目前存在的一个关键方法学局限是：不同的信号模态（modality）通常使用独立的实验装置孤立研究，这种碎片化制约了研究人员捕捉不同信号通道在时空尺度上相互作用的能力，限制了将植物行为作为整合过程进行研究的可能性。虽然计算表型组学和人工智能的进展以及大数据处理基础设施的普及凸显了多模态数据整合在改善植物性状表征和预测方面的潜力，但现有高通量表型平台主要侧重于结合成像模式和环境传感进行性状预测，将VOCs监测纳入此类框架仍然非常有限且技术上具有挑战性。在专门针对植物行为的研究中，真正的多模态同步方法仍鲜有实施。为填补这一空白，研究人员开发了Mind(the)Plant设施。
**研究设施与技术方法**
Mind(the)Plant实验室由两个主要区域组成：一个植物培养室（phytotron）和一个控制室。植物培养室内设八个生长箱（每个1 m3）和一台高分辨率飞行时间质谱仪（TOF-MS，Vocus 2R；Tofwerk AG，Thun，瑞士）。每个生长箱内配备一对Power-over-Ethernet（PoE）4K UHD RGB-红外相机（RLC-833A，Reolink），机械安装在DIN导轨上可调节位置，通过以太网连接至路由器交换机，以立体视觉模式工作以支持三维（3D）植物运动重建。箱内顶部设有冷白LED灯，温湿度、灌溉、光照和空气再循环均自动控制；空气处理单元确保净化空气连续再循环并维持设定环境参数，箱体关闭时维持轻微正压（Δ=5 Pa）。每个生长箱还配备电缆接头以容纳USB工业内窥镜（Depstech 86T 100w，深圳，中国），用作定制 rhizocameras，用于涉及根系可能遇到的静态地下元素的实验。高分辨率TOF-MS可支持两种可互换反应器：质子转移反应（PTR）反应器和加合物电离机制（AIM）离子-分子反应器，其入口连接多端口阀（Tofwerk AG），通过perfluoroalkoxy（PFA）特氟龙管实现多个采样线的并行连接。每个生长箱通过集成于箱体外壁的Swagelok接头与专用阀口相连，定制花盆可抽出且结构中包含开口以监测地下VOCs。地上和地下VOCs信号通过专用管线独立采集。多端口阀支持两种操作模式：多端口模式下循环采样所有箱体提供顺序VOCs监测（每箱每周期一次），专用模式下连续采样单一箱体提供高时间分辨率（最高10 Hz）。TOF-MS可覆盖数天至数周的采集，在准连续状态下运行，每周需短暂中断几分钟进行质量和灵敏度重新校准。控制室通过前室与植物培养室分隔，配备触摸屏面板连接可编程逻辑控制器（PLC）以设置和调整实验生长参数。专用设备机架汇集所有以太网连接，工作站运行定制软件（ROOMors-Camrecorder，Ab.Acus s.r.l.，Milan，Italy）以受控帧率采集图像。质谱仪计算机和工作站均通过互联网使用网络时间协议（NTP）实现时钟对齐，确保时间同步。数据架构方面，所有数据流汇聚于专用虚拟化数据中心基础设施，终端服务器场提供集中式计算资源，通过提取-转换-加载（ETL）程序将非结构化数据转换为结构化格式（包括.csv文件和实验室SQL数据库条目），构成逻辑数据仓库。系统采用SSD/NVMe高速存储层（约10 TB）用于活动实验和实时处理，以及高容量旋转磁盘层（约50 TB）用于长期数据保存。基础设施具有多层逻辑冗余（双交换机、双上行链路、VMware高可用性编排、Veeam备份）和分层备份电源架构（单相3.5 KW UPS保障服务器/相机/rhizocameras约4小时，三相3.5 KW UPS保障植物培养室系统至少4小时，楼宇级柴油发电机提供无限期连续性）。研究样本为豌豆（Pisum sativum L.），种子在自来水中冲洗1小时，在24°C黑暗中于滤纸条上萌发4天，然后移植至装有高压灭菌硅砂（16SS型，粒径0.8–1.2 mm）的生长箱中。验证实验中使用了含有芳樟醇的商品精油（Lavande vraie，Aroma Zone，Cabrières-d'Avignon，法国）作为已知的可控挥发性信号源。VOCs数据使用Tofware软件通过非靶向代谢组学工作流程处理（包括参考谱定义、峰宽和形状细化、质量校准、m/Q 30至250范围内的峰识别、数据导出），用定制Python模块合并迭代数据。运动学数据通过专有跟踪软件（ROOMors-tracking，Ab.Acus s.r.l.，Milan，Italy）处理以重建3D植物轨迹并提取运动学特征。
**研究结果**
**VOCs数据采集管道验证**
为评估八个生长箱的一致性和对外部污染的隔离性，研究人员在两种条件下各自进行了五次独立交替采集运行（基线条件：无挥发性来源；外部污染条件：芳樟醇源在植物培养室内但箱体外打开）。结果显示，八箱在任一条件下均无显著差异（Friedman检验：基线χ2=6.47，p=0.49；外部污染χ2=8.20，p=0.32），归一化后箱间变异系数约1%，最大偏差约2%，证明各箱体等效。箱外打开芳樟醇源使箱内信号较基线增加103归一化离子/秒（95% CI 83–122；Wilcoxon符号秩p<0.001），该超额仅占箱内平台信号的约3.9%（95% CI 3.2%–4.6%），确认正压配置在运行条件下有效隔离箱体。源移除后箱内信号在平均6.6±0.9分钟（范围4.9–7.6分钟）内恢复至基线。从重复基线运行推导出芳樟醇通道的操作检测阈值（平均空白信号加三个标准差）约为380归一化离子/秒，以箱内平台信号（约2620归一化离子/秒）为操作源水平参考，有效动态范围约7倍。选择性采样测试验证了多端口阀正确且选择性地采样各箱体，确认了预期信号趋势且阀门切换时无明显残留效应（任何微小残留效应在切换后几秒内<10秒消散）。
**运动学数据采集管道验证**
图像在两周内从全部八个生长箱以每3分钟一帧的帧率（0.00556 Hz）连续采集，未检测到损坏图像文件。所有相机平均观测间隔为180,017 ms（平均标准差1090 ms），第1和第99百分位与预期值180,000的偏差小于200 ms，平均29个帧间隔差异超过200 ms（占总帧数7043的0.4%），确认偏差罕见且偶发。分析每个立体对左右相机的时间差，平均绝对时间差为4.38 ms（SD 116.31 ms），第1至第99百分位值落在可接受范围±436 ms内（实际甚至低于±200 ms）。平均7044个样本中仅1.75个样本的绝对时间偏移超过阈值（约0.02%），属于可忽略的罕见异常事件，验证了系统用于可靠立体视觉运动学分析的性能。
**Rhizocameras采集模块验证**
数据在两周内从全部八个箱体以每6小时一帧的帧率连续采集，未检测到缺失或损坏图像。标称帧间间隔21,600秒，观测平均间隔21,600.02秒（SD 0.96秒），最小和最大观测间隔分别为21,597.46和21,602.12秒。结果证明rhizocamera模块具有高时间稳定性和鲁棒性。
**一日多模态演示采集**
为展示所有采集模块的整合功能（而非检验特定生物学假设），研究人员对单个样本箱中生长的一株豌豆（11天龄，温度22°C，光周期11小时15分钟）进行了24小时完整周期的同步采集，各模块以各自频率采样（地上部成像每3分钟，rhizocamera成像每6小时，多端口模式下VOC采样每约56分钟即每箱7分钟）。所得数据集提供了植物活动的连续多模态表征，捕捉了昼夜节律周期中运动和VOCs排放的协调波动。同步数据的可视化检查凸显了不同模态的互补性：卷须速度的渐变可随时间与VOCs排放谱变化相关联，而根系图像的视觉检查在关键时间点提供地下相互作用的背景信息（该具体案例中未检测到根系接触）。
**讨论与结论**
Mind(the)Plant实验室解决了植物表型组学和行为生态学中的一个关键方法学局限：缺乏能够在受控条件下对异质的行态、形态和化学数据流进行同步、长期采集的实验平台。验证测试证明所有采集模块在数周记录中可靠运行，具有稳定性能、低故障率和最小数据丢失。该系统确保跨模态的精确时间同步，支持超越单性状方法、走向植物行为整合研究。从生态学角度看，该能力支持对动态植物-植物和植物-环境相互作用（包括邻体识别、资源竞争和胁迫相关信号传导过程）进行更全面的受控和可重复研究。由于挥发性顶空在箱体内共享，社会动力学研究需在植物群体水平上设计，比较具有匹配植物数量的实验条件。该设施的另一贡献在于其数据架构和处理管道，系统确保从原始数据到处理输出的可追溯性，促进可重复的多模态分析，减少技术变异，增强跨实验可比性，支持可扩展数据重用和跨研究分析。
当前构型聚焦于运动学、VOCs和根系成像，但系统设计已考虑整合电生理记录以进一步扩展可测量的植物响应范围。未来实现将把基于电极的采集系统整合到每个生长箱中以采集植物地上部分的电生理信号，每箱已配备专用电源入口确保原位稳定运行。模块化设计允许灵活扩展组件。当前构型的一个关键局限涉及根系动力学表征，目前仅限于通过定制rhizocameras进行局部观测，未来开发可结合透明生长介质（如水或琼脂）与专用立体视觉系统实现根系结构和运动的完整三维重建，但此类介质中缺乏地下气体顶空将限制地下VOCs采样。当前构型只能捕获植物与环境和彼此相互作用所依赖信号的一个子集（不包括小RNA、植物发出的超声波、水力、电和接触介导线索），因此该平台应被理解为基础性框架而非详尽解决方案。VOCs监测模块依赖直接进样高分辨率TOF-MS而无色谱分离，这一设计权衡意味着同分异构体和同量异位素化合物无法仅通过质量分辨，系统适用于跟踪准确质量通道水平的挥发性排放时间动态而非详尽鉴定VOCs组合——目标化合物鉴定需通过离线采样（如吸附管或SPME）结合GC-MS作为互补注释步骤。采用该设施需要可观的财务和运营成本（高分辨率成像、质谱仪器和专用IT基础设施需要大量初始投资和持续维护，操作需要植物生物学、分析化学、生物信息学和软件开发等多学科专业知识），但模块化架构通过可扩展采用部分缓解了这些限制：可减少生长箱数量、实施选定模块或替换低成本替代品（如电子鼻），促进不同资源水平实验室的更广泛可及性。
研究结论：Mind(the)Plant设施使植物行为能够作为整合的动态系统进行研究，超越孤立测量走向植物响应的协调多尺度分析。通过提供同时监测多种信号模态的统一框架，该平台为在植物生态学、行为学和进化论的交叉领域研究植物行为、信号传导和适应开辟了新可能性。该设施支持从形态、化学和潜在电生理响应的整合角度理解植物行为，捕获从协调的全植物响应而非单一测量中涌现的特征。
