早在 20 世紀初甚至 19 世紀，科學家就發現，專注於相對簡單的生物體能夠部分解開發育現象的謎團。例如，在揭示生命遺傳規律時，孟德爾使用豌豆作為實驗材料，而摩根則選擇了果蠅。在他們的研究中，豌豆與果蠅的細胞數量較少，結構更為均質，變化也更容易觀察。

由於演化的結果，細胞形式的生命在基本發育模式上具有顯著的相似性，許多基本生命機制在地球上的不同生物物種之間是相似的。因此，可以利用生物複雜性階梯上相對較低層級的物種來研究發育的一般規律。當在具有不同發育特徵的生物體中發現形態發生與變化的共同特徵時，這一點尤其正確，這使得建立普遍的發育原則成為可能。研究這些生物有助於我們揭示某些普遍的生命現象規律，並理解支配生命世界的一般法則。因此，這些經過特別挑選的生物體被稱為「模式生物」。選擇特定生物體作為模式生物，首先取決於研究人員設定的科學任務，以及尋找最適合解決該任務的物種。

20 世紀初，摩根選擇黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）作為研究對象。基於這些工作，建立了染色體遺傳理論，奠定了經典遺傳學的基礎，並開啟了果蠅作為模式生物的應用。科學家不僅在果蠅上證實了孟德爾定律，還發現了白眼突變的伴性遺傳，提出了基因在染色體上線性排列的原則以及連鎖與交換定律。1933 年，摩根因這些成就獲得諾貝爾獎。2000 年完成的果蠅基因組解序，鞏固了其作為遺傳學與發育生物學研究中最重要模式動物的地位。

自 1965 年起，科學家 Sydney Brenner 將秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）引入分子與發育生物學研究領域。1983 年，完整描述了線蟲從受精卵到成蟲的細胞譜系，這成為發育生物學史上的里程碑。隨後，秀麗隱桿線蟲廣泛應用於胚胎發育、性別決定、細胞凋亡、行為與神經生物學研究，並成為研究老化與壽命的最重要模式生物。

斑馬魚具有高繁殖力、體外受精與發育、胚胎透明、性成熟週期短、體型小且易於飼養等特性，使其成為研究胚胎發育機制、基因功能與疾病發病機制的理想選擇。非洲爪蟾的卵母細胞體積大且數量多，便於顯微手術操作。此外，可從中製備具有生物活性的無細胞系統，適用於生化分析，這使其在發育生物學研究中具有不可替代的作用。

主要的模式動物無疑是實驗小鼠！由於其體型小、性情溫順、易於飼養，以及發育過程與組織解剖結構與人類相似，小鼠自 17 世紀起就開始用於解剖學與動物實驗。經過長期的人工選育與繁殖，目前已培育出數千個獨立的遠交系與近交系。實驗小鼠已成為解讀人類基因功能與研究人類疾病的最重要模式生物，也是世界上用於科學實驗研究最詳盡的哺乳動物。此外，小鼠基因與人類基因具有高度同源性：99% 的人類基因在小鼠基因組中都有對應基因。小鼠廣泛用作生物醫學研究中的模式生物，是現代世界中用於實驗研究最詳盡的哺乳動物。

以上介紹的是動物界的模式生物，我們通常稱之為模式動物。是否也存在模式植物？答案是肯定的。在現代植物學研究中，最常用作模式植物的有阿拉伯芥、菸草、番茄、水稻等，每種都服務於其特定的研究目的。

模式植物系列的首位是阿拉伯芥。它屬於被子植物門、雙子葉植物綱，是十字花科的代表。這種植物本身並不具有很大的經濟價值。然而，其體型小、種子產量高且生命週期短；形態特徵明顯，突變表型便於觀察，以及自花授粉的特性使其成為極為便利的研究對象。阿拉伯芥的基因組對高等植物而言被認為較小（約 1.25 億鹼基對與 5 對染色體），基因具有高度純合性。物理化學因子處理可導致高突變頻率，使得容易獲得具有各種代謝功能缺陷的突變體。因此，阿拉伯芥成為研究開花植物遺傳學、細胞發育與分子生物學的理想模式生物，在科學家中贏得了「植物界果蠅」的稱號。

擬南芥的研究歷史可追溯至 16 世紀。1943 年，萊巴赫 (Laibach) 詳細闡述了其作為模式生物的優勢，促成了 1965 年在德國舉辦的第一屆擬南芥國際會議。然而，其作為模式生物的積極應用始於該世紀的最後二十年左右。1986 年，梅羅維茨 (Meyerowitz) 實驗室首次報導了擬南芥基因的選殖。1988 年，其基因組的第一張 RFLP 圖譜發表。隨後幾年，陸續報導了帶有 T-DNA 插入的突變體基因選殖以及基於基因圖譜的基因選殖。2000 年，其基因組的完整核苷酸序列測定工作完成，使擬南芥成為第一個基因組完全解碼的植物。

番茄，或稱西紅柿，是茄科茄屬的一年生或多年生草本植物。植株高度為 0.6–2 公尺，其整個表面覆蓋著黏性腺毛，並具有強烈的特殊氣味。莖部易倒伏。葉片為羽狀複葉或羽狀深裂。花梗長度為 2–5 公分，花序通常由 3–7 朵花組成。花萼和花冠呈輪狀。果實為多汁肉質漿果，呈扁球形或近球形，內含黃色種子。花期和結果期在夏季和秋季。由於其基因組相對較小、生命週期短、能夠自花授粉、擁有完善的基因轉化系統和清晰的遺傳基礎，以及與其他模式植物（如擬南芥或水稻）的親緣關係較遠，番茄已成為研究果實發育和成熟過程的經典模式生物。

水稻作為世界上最重要的糧食作物之一，在穀物研究中作為模式植物扮演著越來越重要的角色。這歸因於其相對較小的基因組、已知的基因組序列、完善的農桿菌介導基因轉化系統，以及與其他穀物作物的高度同源性（基因相似性）。菸草不僅是一種重要的經濟作物，也是科學研究中最有價值的材料之一。許多創新研究都是在菸草上進行的。大量的植物學知識，例如光週期現象、植物營養、光合作用、光呼吸、有機代謝以及病毒和轉基因生物的研究，都源於菸草。沒有其他植物像菸草一樣被科學如此深入地研究過。它是分子生物學和基因工程的模式生物，並理所當然地贏得了「植物界實驗室小鼠」的稱號。

除了上述模式動物和植物之外，模式生物家族當然也包括微生物。大腸桿菌和酵母菌是研究微生物遺傳學的關鍵材料，並廣泛用作微生物學研究中的模式生物。未來，隨著生命科學研究的發展，模式生物家族無疑將繼續壯大。

農桿菌介導的植物基因轉化

農桿菌介導的轉化方法是一種高效的基因轉化方法，其特點是適用生物材料範圍廣、轉化頻率高、單拷貝插入比例大、轉化體穩定性好，為其應用開闢了廣闊的前景。

農桿菌是一種革蘭氏陰性菌，廣泛分佈於土壤中。在自然條件下，它能夠趨化性感染大多數雙子葉植物和某些裸子植物的受損部位，導致形成冠癭或「毛根」。根癌農桿菌 (Agrobacterium tumefaciens) 和髮根農桿菌 (Agrobacterium rhizogenes) 的細胞含有 T-DNA 區域。農桿菌透過傷口進入植物細胞後，可以將此 T-DNA 整合到植物基因組中。因此，農桿菌代表了一種天然的植物基因轉化系統。透過將目標基因插入修飾後的 T-DNA 區域，可以利用農桿菌的感染過程將外源基因轉移並整合到植物細胞中。然後，透過細胞和組織培養技術繁殖轉基因植物。在實驗室條件下，該方法已成功實現了對非農桿菌天然宿主生物的轉化，例如真菌、單子葉植物、裸子植物甚至動物細胞。與傳統方法（如 PEG 介導的原生質體轉化、電穿孔或使用 LiAC 的方法）相比，農桿菌介導的轉化具有以下優勢：適用材料範圍廣、轉化頻率高、單拷貝插入比例大、轉化體穩定性好。它是應用最廣泛的方法之一。

菸草基因轉化技術

I. 準備工作

1. 無菌培養的菸草植株（培養 30 天）
2. 鑷子、剪刀、手術刀、培養皿（直徑 12 公分）內襯 5-6 層濾紙

II. 轉化過程

(1) 細菌懸浮液的製備

實驗前一天，挑選用於轉化的單一農桿菌菌落，接種至 10 毫升 LB 培養基（各添加 50 毫克/升利福平與卡那黴素），隨後培養過夜。

(2) 農桿菌感染菸草

1. 共培養基的製備：MS 培養基 + NAA (0.1 毫克/升) + 6-BA (1.5 毫克/升)。
2. 使用剪刀和鑷子從無菌菸草植株上剪下發育良好的葉片，放入玻璃培養皿中。
3. 在培養皿中，用手術刀將葉片切成約 0.5–1 平方公分的片段。用刀片快速劃過葉片，切下小塊，盡量獲得平整的切口。用鑷子將切好的葉片片段轉移到 OD 值為 0.4–0.6 的農桿菌懸浮液中，浸泡 8–10 分鐘。
4. 倒掉懸浮液，用鑷子將葉片片段轉移到培養皿中的濾紙上，以去除多餘的細菌液體。在層流櫃中讓葉片表面乾燥一段時間。
5. 將去除懸浮液的葉片片段置於共培養基上，在 25°C 黑暗條件下培養三天。

(3) 轉化菸草培養物的分化與篩選

1. 培養基製備：MS + 1.5 毫克/升 6-BA + 0.1 毫克/升 NAA + 30 毫克/升 潮黴素 + 100 毫克/升 頭孢唑啉。
2. 共培養三天後，將葉片片段轉移到製備好的培養基上，確保其與培養基表面緊密接觸，並在片段之間留出一定距離。在光照和 25°C 溫度下進行培養。
3. 在光照下培養 2–3 週後，菸草會形成芽。剪下芽並將其轉移到生根和促進生長培養基上 (MS + 0.1 毫克/升 6-BA + 0.01 毫克/升 NAA + 30 毫克/升 潮黴素 + 100 毫克/升 頭孢唑啉)。
4. 大約一週後，挑選已生根的菸草芽，並將其轉移到生根培養基上 (MS + 30 毫克/升 潮黴素 + 100 毫克/升 頭孢唑啉)。
5. 對菸草芽進行 PCR 分析以確認轉化。

活體（in vivo）成像技術正日益成為植物病理學和「植物-害蟲」相互作用研究的重要工具，它能夠闡明病原體感染機制、宿主免疫反應以及害蟲與植物之間關係的動態變化。憑藉其非侵入性、即時動態觀察能力和高解析度，該技術使研究人員能夠從分子到器官層面追蹤病原體的傳播、宿主植物的防禦反應以及害蟲的行為。以下將從幾個角度詳細探討其應用和面臨的挑戰：

I. 體內成像技術概述

體內成像技術透過應用螢光標記、生物發光或光學探針，結合顯微或巨觀成像系統（如 IVIS、共聚焦顯微鏡），實現對病原體、害蟲及植物相關生理過程的動態可視化。常用方法包括：

• 螢光成像：標記病原體（例如，用 GFP 標記的病原真菌）、植物免疫系統的訊號分子（例如，ROS 探針）、害蟲行為（例如，用螢光標記追蹤昆蟲的取食路徑）。
• 生物發光成像：利用病原體特異性啟動子控制螢光素酶的表達（例如，在病原體感染時活化的 PR1::LUC 報告系統）。
• 葉綠素螢光成像：評估病原體感染後光合作用裝置的損傷情況（例如，疫病感染導致光系統 II 效率下降）。
• 近紅外成像：穿透葉片組織以追蹤病原體在深層的定殖（例如，木質部中細菌的螢光標記）。

II. 在植物病理學研究中的應用

1. 病原體感染過程的動態追蹤

病原體的定殖與傳播：

• 使用 GFP/RFP 標記的病原體（例如，炭疽菌、疫黴菌），即時觀察其從侵入點（氣孔、葉片傷口）到宿主植物組織的傳播路徑。
• 應用縮時攝影技術，揭示病原體在木質部或韌皮部中的系統性移動（例如，黃單胞菌在維管系統中的移動）。

感染結構的可視化：

• 透過共聚焦顯微鏡觀察病原體附著細胞（例如，鏽菌的附著器和吸器）的形成及其與植物細胞壁的相互作用。

2. 宿主免疫反應分析

早期防禦訊號的監測：

• 使用螢光探針（例如，H2DCFDA）即時檢測由病原體相關分子模式 (PAMP) 引起的活性氧 (ROS) 爆發。
• 應用鈣探針（例如，GCaMP）記錄由病原體感染引起的鈣訊號波動（例如，細菌鞭毛蛋白引起的 Ca²⁺ 峰值）。

免疫基因表達的動態：

• 使用螢光報告系統（例如，NPR1::GFP）追蹤水楊酸訊號通路活化的時空特徵。
• 應用生物發光成像（例如，由 WRKY 轉錄因子啟動子驅動的 LUC）量化免疫基因誘導的強度。

3. 病原體與宿主相互作用機制的探討

效應蛋白功能的研究：

• 標記病原體效應蛋白（例如，卵菌的 RXLR 效應蛋白），以可視化其在宿主植物細胞內的定位（例如，靶向細胞核或質膜）。
• 應用雙分子螢光互補 (BiFC) 方法，確定效應蛋白與宿主靶蛋白的相互作用位點。

評估植物對疾病的抗性：

• 結合葉綠素螢光成像與病原體標記，用於快速篩選抗病突變植物品系（例如，抗白粉病的擬南芥品系）。

三、在害蟲監測與行為研究中的應用

1. 追蹤害蟲的取食路徑與傳播

昆蟲螢光標記：

• 將含有螢光染料（例如，Cy5 標記的蔗糖溶液）的食物餵食給昆蟲，隨後進行巨觀螢光成像，以追蹤蚜蟲、粉蝨及其他害蟲在植物上的取食位置和移動路徑。

病原體傳播昆蟲研究：

• 利用活體成像觀察病毒在傳播昆蟲（例如，菸草粉蝨）體內的複製和運輸，例如透過標記病毒衣殼蛋白。

2. 「植物-害蟲」互動的動態

昆蟲損害誘導的植物信號：

• 使用 GFP 標記的茉莉酸 (JA) 信號通路報告系統（例如，JAZ1::GFP），即時監測昆蟲損害後 JA 信號的系統性傳導。

害蟲行為的調控：

• 應用近紅外成像記錄夜間害蟲（例如，夜蛾幼蟲）的晝夜活動及其對植物揮發物的反應。

3. 評估植物病蟲害防治措施的有效性

農藥作用機制的成像：

• 使用螢光標記的農藥（例如，羅丹明 B 標記的殺蟲劑）追蹤其在植物中的吸收和分佈。
• 應用活體成像評估生物農藥（例如，螢光染料標記的昆蟲病原線蟲）感染害蟲的有效性。

害蟲抗性基因的功能驗證：

• 結合 CRISPR 基因編輯技術與螢光成像，驗證害蟲抗性基因（例如，蛋白酶抑制劑基因）對昆蟲消化的抑制作用。

四、技術優勢

1. 動態連續性：對同一植物的病害或蟲害發展進行長期追蹤，排除個體差異的影響。
2. 高靈敏度：能夠在早期階段檢測感染（例如，病原體在穿透氣孔前的感染前行為）或捕捉微弱的防禦信號。
3. 多維整合：同時監測病原體、宿主植物生理和環境因素（溫度和濕度）之間的相互作用。

五、技術挑戰與限制

1. 組織滲透性限制：對厚組織（如果實或塊莖）或昆蟲幾丁質外殼的成像需要應用近紅外成像或光聲成像。
2. 標記影響風險：病原體或昆蟲的螢光標記可能會潛在地改變其致病性或行為（例如，GFP 表現可能影響真菌毒性）。
3. 自然環境建模的複雜性：實驗室成像條件與自然環境（例如，光照、微生物群）之間的差異可能會影響所得結果的可靠性。
4. 數據分析困難：處理大量的動態數據（病原體運動軌跡、害蟲行為模式）需要應用人工智慧演算法，例如物體追蹤和行為分類模型。

六、 未來發展方向

新型探針的開發：

• 開發病原體特異性探針（例如，針對特定效應蛋白的螢光標記奈米抗體）。
• 開發無需標記的成像方法（例如，基於拉曼光譜的成像，用於直接識別病原體）。

多模態成像的整合：

• 結合微型電腦斷層掃描 (micro-CT) 和螢光成像等方法，對病原體在組織（例如，根瘤或莖）中的空間分佈進行 3D 重建。

便攜式田間設備的開發：

• 開發便攜式活體成像系統，以便在田間直接進行病蟲害的即時診斷和早期預警。

活體成像技術為植物病理學和植物保護領域的研究提供了全面的工具，涵蓋了從微觀分子相互作用到宏觀生態相互關係的整個事件鏈。它對闡明病蟲害抗性機制以及開發環境友善的植物保護策略做出了重大貢獻。儘管存在現有的技術限制，但在探針開發、成像設備改進和數據分析方法方面的進步將進一步擴大其應用範圍，為農業的可持續發展提供關鍵的技術支持。

活體成像（Live Imaging）技術作為一種非侵入性的即時動態監測方法，在植物抗逆性研究和育種中發揮著重要作用。透過結合光學成像、螢光標記、基因組編輯等技術，它使研究人員能夠在不干擾植物自然生長的情況下，視覺化觀察植物的生理生化過程、基因表現動態和形態結構變化。以下是該方法在植物抗逆性研究和育種中的具體應用領域和優勢：

一、在植物抗逆性研究中的應用

1. 即時監測與抗逆性相關的基因表現

• 使用螢光報告基因（GFP、螢光素酶）標記參與逆境反應的基因（例如，DREB、NAC、WRKY 轉錄因子），以追蹤其在乾旱、鹽鹼、低溫及其他逆境條件下的時空表現模式。
• 範例：透過活體成像觀察離層酸 (ABA) 信號通路中關鍵基因的動態反應，以分析植物對水分脅迫的分子機制。

2. 生理生化過程的動態成像

• 監測活性氧 (ROS) 累積、離子流（例如，Ca²⁺ 波動）、pH 值變化等生理指標，從而揭示植物對不利條件的早期反應信號。
• 範例：結合螢光探針（例如，用於檢測 ROS 的 H2DCFDA）與共聚焦顯微鏡，即時觀察鹽脅迫下根尖 ROS 累積的爆發。

3. 逆境反應機制的時空分析

• 利用活體成像技術追蹤植物器官（根尖、葉片氣孔）在逆境影響下的動態變化，例如根系結構的重塑或氣孔開閉行為。
• 範例：應用微型電腦斷層掃描 (micro-CT) 或雷射掃描分析乾旱條件下根系三維結構的重塑過程。

4. 與病原體的相互作用和抗病性研究

• 透過標記病原體（例如，螢光標記的假單胞菌）或與植物免疫相關的蛋白質，動態監測病原體感染過程和植物的免疫反應（例如，HR 介導的細胞死亡、胼胝質沉積）。
• 範例：活體成像用於揭示擬南芥中 PTI（由 PAMP 觸發的免疫反應）活化的時空模式。

二、在植物育種中的應用

1. 表型組學和經濟價值性狀的快速篩選

• 高通量活體成像系統（例如，PhenoCam、高光譜成像）結合人工智慧分析，可對大型植物群體中的抗逆性狀（抗旱性、光合效率）進行非侵入性篩選。
• 範例：透過葉綠素螢光成像快速識別具有高光合能力的稻米品種。

2. 根系結構和養分利用效率的優化

• 應用 X 射線電腦斷層掃描 (X-ray CT) 或磁共振成像 (MRI) 動態監測根系生長，以篩選具有高水分和養分吸收效率的基因型。
• 範例：在小麥育種中，利用活體成像篩選具有深層根系的抗旱品種。

3. 基因組編輯效率的即時驗證

• 透過活體成像方法，例如觀察轉基因植物在逆境條件下的存活率或代謝物累積，對經 CRISPR/Cas9 編輯的抗逆性基因（例如，OsNAC14）進行功能驗證。
• 範例：使用螢光標記的啟動子，控制耐鹽基因的表現，即時監測其表現強度與植物在鹽脅迫條件下表型之間的相關性。

4. 種子發育和萌發的動態研究

• 活體成像技術能夠追蹤種子萌發過程中胚胎活性、儲備物質代謝和逆境反應，為培育高發芽率品種提供基礎。