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“溫室自動(dòng)化 + 高通量成像”技術(shù)

機(jī)器人技術(shù),、圖像分析和大規(guī)模計(jì)算能力的**結(jié)合全自動(dòng)、高通量對(duì)大量植株進(jìn)行3D成像,，從幼苗到成株皆可

特別適合植物功能基因組學(xué)和植物表型組學(xué)

植物表型和生理研究的強(qiáng)大助手

遺傳育種,、突變株篩選、表型篩選的強(qiáng)大工具全自動(dòng)高通量植物3D成像系統(tǒng)——Scanalyzer 3D是一套可以全自動(dòng),、高通量對(duì)大量植株（從幼苗到成熟植株即可）進(jìn)行成像的系統(tǒng),，可以選擇配置可見(jiàn)光（VIS）成像、近紅外（NIR）成像,、紅外（IR）成像,、熒光成像或根系近紅外成像中的一種或多種，每個(gè)成像模塊包括頂部和側(cè)面兩個(gè)攝像頭,，結(jié)合樣品旋轉(zhuǎn)裝置,，就可以對(duì)植株進(jìn)行3D形態(tài)學(xué)分析。如果做小植株（15 cm以下）,，也可選配激光掃描3D成像,。每一種成像模塊都有單獨(dú)的成像區(qū)域（“暗房”），依次進(jìn)行成像分析。（下載演示視頻）

該系統(tǒng)通過(guò)可見(jiàn)光成像可以測(cè)量植物的結(jié)構(gòu),、寬度、密度,、對(duì)稱(chēng)性,、葉長(zhǎng)、葉寬,、葉面積,、葉角度、葉顏色,、葉病斑,、種子顏色、種子顏色面積等參數(shù),；通過(guò)近紅外成像可以分析植物的水分分布狀態(tài),、水力學(xué)研究、脅迫生理學(xué)研究等,；通過(guò)根系近紅外成像分析植物根系和土柱中的水分分布情況,；通過(guò)紅外成像可以進(jìn)行植物干旱脅迫研究、蒸騰研究等,；通過(guò)熒光成像可以分析植物的生理狀態(tài),。由于所有植物都通過(guò)條形碼或射頻標(biāo)記，其整個(gè)生活史的的不同階段所有的表型數(shù)據(jù)都可定期進(jìn)行測(cè)量,。

整套系統(tǒng)包括傳送帶,、成像模塊、“暗房”,、運(yùn)輸車(chē),、澆水和稱(chēng)重裝置、控制系統(tǒng)等,。其中傳送帶,、運(yùn)輸車(chē)和植物在溫室中運(yùn)轉(zhuǎn)，所有的植物可以由軟件控制在傳送帶上進(jìn)行動(dòng)態(tài)分布,，以避免由于溫室中的光,、溫、濕分布不均勻造成的影響,；成像模塊,、“暗房”、澆水和稱(chēng)重裝置安裝在獨(dú)立的空調(diào)房中,，并通過(guò)傳送帶與溫室相連,。

分析模式有兩種：一種是軟件控制溫室中的植物定期傳送到“暗房”進(jìn)行成像分析；另一種是人工攜帶生長(zhǎng)在其他溫室中的植物放到“暗房”前的傳送帶上，進(jìn)行成像分析,。

軟件通過(guò)成像分析的結(jié)果,，根據(jù)表型數(shù)據(jù)可以對(duì)植株進(jìn)行高通量篩選。

通過(guò)對(duì)成像結(jié)果的分析,，可以進(jìn)行表型組學(xué)研究,。目前我國(guó)對(duì)于作物的研究主要是利用傳統(tǒng)的遺傳育種方法以及基因組學(xué)的方法進(jìn)行研究， 然而僅停留在基因組學(xué)研究水平上顯然是不夠的,，并不能全面,、徹底地闡明作物的生理功能，特別是作物表型與其產(chǎn)量,、生理狀態(tài)之間的相互關(guān)系,，以及不同的環(huán)境條件對(duì)作物生長(zhǎng)狀況、產(chǎn)量,、種質(zhì)質(zhì)量等的影響,。這就需要對(duì)作物進(jìn)行表型組學(xué)的研究，通過(guò)研究不同的表型性狀來(lái)確定作物的遺傳性狀,，并且尋找不同環(huán)境因子對(duì)作物各種指標(biāo)影響的閾值，從而能夠更加科學(xué)地闡明作物生長(zhǎng)機(jī)理,，指導(dǎo)作物生產(chǎn),。

◆ 3D成像

可選VIS、NIR,、IR,、根系NIR成像、熒光成像中的一種或多種,，每種成像有獨(dú)立的攝像區(qū)域（“暗房”）,，每個(gè)“暗房”的頂部和側(cè)面各安裝一個(gè)攝像頭（拍攝頂部和側(cè)面成像）?；ㄅ璧鬃行D(zhuǎn)裝置,，可以360度旋轉(zhuǎn)，這樣可以獲得植株4個(gè)側(cè)面的成像信息,。結(jié)合頂部成像,，可以獲得完整的植株3D成像信息。

針對(duì)15 cm以下的小植株,，可以選擇配置激光掃描3D成像,，獲得詳細(xì)的三維形態(tài)學(xué)信息。

◆ 自動(dòng)傳送系統(tǒng)帶自動(dòng)傳送裝置,，所有花盆上都有電子標(biāo)簽,，所有拍攝數(shù)據(jù)根據(jù)電子標(biāo)簽歸檔。可選傳送50,、100,、150、250,、375,、500、800,、1400盆或更多盆的傳送裝置,，花盆和植株的重量可以為1、4,、10或25 kg,，更重需要定制。

◆ 自動(dòng)澆水和稱(chēng)重裝置

在溫室系統(tǒng)中,，可增加自動(dòng)澆水和稱(chēng)重裝置,，軟件控制對(duì)不同編號(hào)的花盆采用不同的澆水量，并每日對(duì)花盆進(jìn)行稱(chēng)重,。

◆ 自動(dòng)加營(yíng)養(yǎng)鹽裝置

在溫室系統(tǒng)中,，與自動(dòng)澆水裝置結(jié)合，可以在澆水的同時(shí)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)鹽,。

◆ 自動(dòng)噴淋裝置

在溫室系統(tǒng)中,，根據(jù)電子標(biāo)簽由軟件控制是否噴灑農(nóng)藥，可用于檢測(cè)農(nóng)作物對(duì)農(nóng)藥的抗性或敏感性,。

◆ 自動(dòng)分選

在溫室系統(tǒng)中,，只要在傳送裝置上增加多級(jí)T-Junction（丁字路口），就可根據(jù)成像結(jié)果對(duì)大批量的植株進(jìn)行分選,，分選用的閾值參數(shù)可以由用戶(hù)設(shè)定,，分選級(jí)數(shù)取決于T-Junction的數(shù)目。

◆ 服務(wù)器存儲(chǔ)

由于數(shù)據(jù)量非常大,，本系統(tǒng)必須用服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù),。

◆ 軟件分析

軟件分析功能非常強(qiáng)大，可以通過(guò)植株的編號(hào)（電子標(biāo)簽）調(diào)出整個(gè)生活史的數(shù)據(jù),，進(jìn)行時(shí)間動(dòng)力學(xué)分析,，對(duì)拍攝的照片進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示，對(duì)同一植株的時(shí)間動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表統(tǒng)計(jì)分析,，對(duì)不同植株的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和圖表分析,。

◆ 遠(yuǎn)程管理

通過(guò)專(zhuān)用遠(yuǎn)程服務(wù)器管理軟件，可以在異地對(duì)本系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè),、改變測(cè)量程序或分析測(cè)量數(shù)據(jù),。

◆ 系統(tǒng)大小*簡(jiǎn)單的只能傳送10盆植物的系統(tǒng)可以安裝在室內(nèi),，高度（Y軸）是4 m，寬度（Z軸）是2 m,。如果只配置一個(gè)成像模塊,，則系統(tǒng)長(zhǎng)度（X軸）是4.5 m，每增加一個(gè)成像模塊,，系統(tǒng)長(zhǎng)度（X軸）增加1.5 m,。

傳送上百甚至上千盆植物的系統(tǒng)，多安裝在溫室內(nèi),。實(shí)際大小可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行定制,。

主要功能◆ 全自動(dòng)、高通量對(duì)植物等小型樣品進(jìn)行可見(jiàn)光成像,、近紅外成像,、紅外成像、熒光成像（包括整株GFP成像）和/或激光掃描3D成像（每套系統(tǒng)可選擇一種或多種）

◆ 通過(guò)可見(jiàn)光成像可以測(cè)量植物的結(jié)構(gòu),、寬度,、密度、對(duì)稱(chēng)性,、葉長(zhǎng),、葉寬、葉面積,、葉角度,、葉顏色、葉病斑,、種子顏色,、種子顏色面積等等50多個(gè)參數(shù)

◆ 通過(guò)近紅外成像可以分析植物的水分分布狀態(tài),、水力學(xué)研究,、脅迫生理學(xué)研究等

◆ 通過(guò)根系近紅外成像分析植物根系和土柱中的水分分布情況

◆ 通過(guò)紅外成像可以進(jìn)行植物干旱脅迫研究、蒸騰研究等

◆ 通過(guò)熒光成像可以分析植物的生理狀態(tài)

測(cè)量參數(shù)

* 植株高度,、寬度和密度

* 植株結(jié)構(gòu)分析,、骨架分析、緊密性分析,、對(duì)稱(chēng)性分析

* 葉片長(zhǎng)度,、寬度、葉角度,、葉面積

* 植株緊湊性（葉角度和緊密性）

* 植株體積

* 植株和葉片的顏色分析,，包含發(fā)育狀態(tài)、病理學(xué)等信息

* 植株鮮重

* 植株和葉片含水量,、玉米水分利用效率

* 植株生長(zhǎng)速率

* 種子顏色,、種子數(shù)目

* 開(kāi)花時(shí)間,、花穗顏色、大小,、性狀等

應(yīng)用領(lǐng)域

植物功能基因組學(xué),、植物表型組學(xué)、遺傳育種,、突變株篩選,、植物生理學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué),、植物病理學(xué),、植物形態(tài)建模、植物生物信息學(xué),、種子生理學(xué),、種子病理學(xué)、植物脅迫生理學(xué),、植物水力學(xué)等研究領(lǐng)域,。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)性

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應(yīng)用實(shí)例

◆ 植物顏色分類(lèi)

植物的顏色是反映植物健康狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)之一,，而人肉眼對(duì)顏色的敏感度較低，存在較大的視覺(jué)誤差,。利用Scanalyzer系統(tǒng)可以在拍攝植物可見(jiàn)光照片的基礎(chǔ)上,，通過(guò)軟件對(duì)獲得的顏色信息進(jìn)行銳化處理，從而使原本肉眼不易區(qū)分的顏色差別,，顯著的區(qū)分開(kāi)來(lái),。

◆ 植物骨架/結(jié)構(gòu)分析植物骨架和架構(gòu)信息，是非常典型的植物表觀信息,，是農(nóng)業(yè)信息學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容,。對(duì)于雜交育種而言，Scanalyzer系統(tǒng)有助于快速進(jìn)行表型篩選,，也可用于了解整個(gè)生活史以及受到脅迫后的骨架/結(jié)構(gòu)變化,。

◆ 植物形態(tài)學(xué)分析成像后，通過(guò)Lemna Tec公司專(zhuān)業(yè)的軟件工程師團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的軟件,，可以對(duì)植物進(jìn)行詳細(xì)的三維形態(tài)學(xué)分析,。對(duì)于所拍攝的每一張圖片，都可獲得50多個(gè)形態(tài)學(xué)參數(shù),。

通過(guò)頂部成像和多個(gè)側(cè)面成像,，可以獲得植物X、Y,、Z三個(gè)軸的信息,，根據(jù)各個(gè)方向的葉面積、莖長(zhǎng),、莖寬,、葉長(zhǎng)、顏色等來(lái)估算植物的生物量,。實(shí)驗(yàn)證明這種估算的生物量與實(shí)際生物量有非常好的線性關(guān)系,。

◆ 利用近紅外（NIR）成像分析植株和土壤的水分利用情況近紅外成像可以直觀的反映植物不同部位的含水量,，通過(guò)軟件處理加上代表不同含水量的顏色后，可以非常直觀的看出不同處理下植株不同部位的含水量變化,。如果植物是生長(zhǎng)在專(zhuān)用土柱中,，還可以對(duì)植物根系和土壤的含水量變化進(jìn)行定量分析。

注：LemnaTec公司設(shè)計(jì)的土柱筒,，是透明聚丙烯塑料材質(zhì),，內(nèi)裝自然土壤，高50 cm,，直徑5,、8或10 cm，裝土1.5 3.0 5.0 kg,，底部有排水孔,。培養(yǎng)時(shí)土柱外部套上不透明PVC管遮蔭,，放置苔蘚和土壤藻類(lèi)滋生，測(cè)量時(shí)將遮光管取下即可,。

◆ 利用近紅外（NIR）成像分析NIR成像分析小麥干燥過(guò)程中含水量的變化本例是小麥在高溫處理下,，植株含水量的時(shí)間動(dòng)力學(xué)變化可以通過(guò)NIR成像直觀的反映處來(lái)，并進(jìn)行定量分析,。

◆ 利用紅外（IR）成像檢測(cè)植物溫度差異紅外成像，也叫熱成像,，用于檢測(cè)植株的溫度變化,。由于植株溫度與植物的蒸騰作用和含水量密切相關(guān)，因此紅外成像常用于干旱脅迫研究,、群體蒸騰等領(lǐng)域,。

◆ 利用紅外成像反映小麥氣孔的關(guān)閉照光時(shí)氣孔開(kāi)放，葉片進(jìn)行蒸騰作用,。關(guān)光4 min后就檢測(cè)到葉片溫度的顯著上升,，說(shuō)明氣孔開(kāi)始關(guān)閉。Scanalyzer 3D系統(tǒng)可以非常靈敏的檢測(cè)氣孔狀態(tài),。

◆ 靜態(tài)根密度分析析Scanalyzer 3D系統(tǒng)可以拍攝生長(zhǎng)在土柱中的植物根系可見(jiàn)光照片,，軟件自動(dòng)分析土柱表層的根系,。由于土柱的運(yùn)輸車(chē)下自帶程序控制的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，就可以通過(guò)軟件控制自動(dòng)順序旋轉(zhuǎn)90度角來(lái)完成4個(gè)不同側(cè)面的成像,，獲得更完善的根系信息,。

◆ 根系動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)分析析Scanalyzer 3D系統(tǒng)可以全自動(dòng)、高通量的拍攝植物根系照片,，結(jié)合電子標(biāo)簽,，就可以對(duì)特定編號(hào)的植物根系數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間動(dòng)力學(xué)分析。從下圖中的結(jié)果可以看出,，從第35-100天,，根生長(zhǎng)*快，從表層有大量的根往下生長(zhǎng),，從第35-60天,，澆水過(guò)量,，導(dǎo)致底部很多根死亡。

◆ 鑒定非轉(zhuǎn)基因植物噴灑農(nóng)藥后,，沒(méi)有轉(zhuǎn)入抗農(nóng)藥基因的植物，可以通過(guò)顏色鑒定出來(lái),。

◆ 植物個(gè)體和群體的形態(tài)學(xué)應(yīng)用舉例Scanalyzer 3D成像系統(tǒng)可以獲得大量的形態(tài)學(xué)參數(shù),，并且針對(duì)不同的材料，可以獲得有針對(duì)性的參數(shù),。下面是幾個(gè)例子：

◆ 植物開(kāi)花過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)由于絕大多數(shù)植物的花的顏色與莖葉不同,，利用Scanalyzer 3D成像系統(tǒng)的高通量、全自動(dòng),、帶電子標(biāo)簽的特性,，就可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)植物是否開(kāi)花、開(kāi)花時(shí)間,、花朵數(shù)目,、花朵發(fā)育階段、花敗時(shí)間等信息,。

Scanalyzer 3D系統(tǒng)與PL和HTS系統(tǒng)的比較

部分用戶(hù)* 澳大利亞植物功能基因組中心（Australian Centre for Plant Functional Genomics）

位于阿德雷德(Adelaide)大學(xué),，建有澳大利亞植物表型組設(shè)施(Australia Plant Phenomics Facility)——植物加速器(Plant Accelarator)和高精度植物表型組中心（The High Resolution Plant Phenomics Centre）。

2010年1月28日,，造價(jià)超過(guò)3000萬(wàn)美金的“植物加速器”（The Plant Accelerator）正式運(yùn)行,，并對(duì)全球科學(xué)家開(kāi)放。

“植物加速器”是一套國(guó)際上到目前為止進(jìn)行植物表型組研究的*復(fù)雜,、造價(jià)*昂貴的設(shè)備,。它的核心由4個(gè)140平米的溫室以及兩套“全自動(dòng)高通量植物3D成像系統(tǒng)Scanalyzer 3D”組成，所有進(jìn)行植物表型研究的成像設(shè)備,，包括傳送帶,、成像模塊、“暗房”,、運(yùn)輸車(chē),、控制系統(tǒng)等都由德國(guó)LemnaTec公司提供,。每套Scanalyzer 3D系統(tǒng)占有兩個(gè)140平米的溫室,，帶可見(jiàn)光成像,、近紅外成像、根系近紅外成像,、紅外（熱）成像和熒光成像模塊,，以及自動(dòng)澆水和稱(chēng)重的設(shè)備，并配有可自動(dòng)傳送2400盆植物的傳送帶和運(yùn)輸車(chē),。兩套Scanalyzer 3D系統(tǒng)的傳送帶長(zhǎng)度加起來(lái)達(dá)1.2公里,。

如果兩套系統(tǒng)24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，每天可以獲得4000-6000盆植物的表型成像數(shù)據(jù),，一年可以獲得30-60T的數(shù)據(jù)量,。根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況，預(yù)計(jì)“植物加速器”一年可以進(jìn)行16萬(wàn)盆植物的實(shí)驗(yàn),。

高精度植物表型組中心有一套不帶溫室傳送的基礎(chǔ)型Scanalyzer 3D系統(tǒng),，已運(yùn)轉(zhuǎn)多年。

* 法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院（I’institut National de la Recherche Agronomique,，INRA,，F(xiàn)rench National Institute for Agricultural Research）

是世界上*有科研實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)力的農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)之一。INRA Montpelier（蒙彼利埃）正在建設(shè)一套傳送1400盆植物的系統(tǒng),，2010年中完工,；INRA Dijon（第戎）正在建設(shè)一套傳送1482盆植物的系統(tǒng)，2010年底完工,。

* 德國(guó)萊布尼茨植物遺傳和作物研究所（Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung,，IPK，Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research）

IPK是德國(guó)的**公立研究所,，在大麥雜交育種方面很有名,。到2010年底有三套Scanalyzer系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)：

1） 目前正在運(yùn)轉(zhuǎn)一套能600盆植物的系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)做大麥研究

2） 一套做擬南芥的S慘案了原則讓 3D系統(tǒng),，能傳送600盆擬南芥,，2010年春天投入運(yùn)轉(zhuǎn)

3） 目前正在建設(shè)一套大的能傳送600盆玉米的系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2010年底投入運(yùn)轉(zhuǎn)

* 意大利麥塔龐特市植物生物技術(shù)研究所（Metapontum Agrobios Research Centre for Plant Biotechnology）

歸政府所有,，但以企業(yè)化運(yùn)作,，特點(diǎn)在于小麥、西紅柿等的基因改良,。有一套能傳送500盆植物的系統(tǒng),，2009年開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)

* 先鋒（Pioneer）/杜邦（Dupont）

先鋒良種國(guó)際有限公司是杜邦集團(tuán)的子公司，是國(guó)際玉米育種巨頭,！先鋒從2005年開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)一套能傳送1500盆植物的系統(tǒng),。

* 荷蘭Keygene公司

在瓦赫寧根，是幾家農(nóng)業(yè)公司合資建的一個(gè)做研究的公司，有一套小的系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn),，正在建設(shè)一套能傳送1100盆植物的系統(tǒng),。

LemnaTec公司與Keygene公司合作，承擔(dān)了一個(gè)EuroStar的PhenoCrop項(xiàng)目：Innovation in vegetable plant breeding by large scale deep phenotyping,。項(xiàng)目目的：“The overall objective is to develop new deep phenotyping applications for the LemnaTec Scanalyzer for vegetable crops. Correlation of genotypic data and phenotyping results will lead to new molecular markers or gene clones that positively contribute to complex commercial traits in vegetable plants”,。項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)達(dá)142萬(wàn)歐元，預(yù)計(jì)2011年結(jié)題,。

* 巴斯夫（BASF）

國(guó)際化工巨頭,，從1998年開(kāi)始介入植物科學(xué)研究，兼并了比利時(shí)CropDesign公司,，并與孟山都有密切合作,，在玉米、土豆,、甜菜,、苜蓿等的遺傳育種方面取得了豐碩成果。

2006年,，BASF USA和BASF Germany分別建立了一套能傳送800盆和300盆植物的Scanalyzer 3D系統(tǒng),。

* 英國(guó)草地與環(huán)境研究所（Institute of Grassland and Environmental Research，IGER）

正在建設(shè)一套可以傳送800盆植物的系統(tǒng),，預(yù)計(jì)2010年底或2011年初運(yùn)轉(zhuǎn)

* 拜耳作物科學(xué)公司（Bayer CropScience）

是拜耳集團(tuán)三大業(yè)務(wù)子集團(tuán)之一,、全球**的創(chuàng)新型作物科學(xué)公司。拜耳作物科學(xué)公司的銷(xiāo)售額（2009年）為65.10億歐元,，約占拜耳集團(tuán)銷(xiāo)售額的20.8%,。拜耳作物科學(xué)公司在水稻、油菜以及蔬菜育種方面占有很大市場(chǎng)份額,。

到2010年中,，Bayer CropScience Belgium將建成一套可傳輸600盆植物的系統(tǒng)；到2010年底,，Bayer CropScience Germany將建成可傳輸1200盆植物的系統(tǒng),。

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