高通量植物表型平臺綜述

周水琴 林樂鵬

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

表型、表型組和表型組學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域的三個重要的概念。表型是指基因型和環(huán)境決定的形狀、結(jié)構(gòu)、大小、顏色等生物體的外在性狀。表型組又是指某一生物的全部性狀特征，不僅局限于農(nóng)藝性狀，還應(yīng)更加關(guān)注植株所表現(xiàn)出來的生理狀態(tài)。隨著多數(shù)代表植物全基因組測序的結(jié)束，科研人員越來越認(rèn)識到植物表型研究的重要性，并將其提到的“組學(xué)”的高度。植物表型組學(xué)是研究植物的生長、表現(xiàn)和組成的科學(xué)，其研究可以從小至核苷酸序列細(xì)胞，大至組織、器官種屬群體的表型來研究分析，并且可以進(jìn)一步整合到基因組學(xué)研究中；而從系統(tǒng)生物學(xué)角度來看，從基因組到轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組以及表型組，表型組是各種組的表現(xiàn)形式。因此，植物表型組學(xué)的研究將涉及植物各個方面的研究領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的表型數(shù)據(jù)獲取通過手動測量分析植物的表型生理特征，需要耗費大量時間和精力，對于大規(guī)模的試驗并不合適，并且測量結(jié)果受人為因素影響較大，具有不可靠性，差異太大造成沒有辦法統(tǒng)計,這些缺點大大限制了大規(guī)模遺傳育種篩選的效率。智能育種選種是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高品質(zhì)、高產(chǎn)量的技術(shù)基礎(chǔ)和保障。鑒于大量的植物表型組學(xué)數(shù)據(jù)，表型信息的聯(lián)用對功能基因組學(xué)的研究意義巨大，必須要依托客觀準(zhǔn)確科學(xué)的高通量植物表型平臺去完成工作。

1.高通量表型技術(shù)

近年來，水稻、小麥、玉米等主要農(nóng)作物基因組測序相繼完成，作物功能基因組學(xué)研究已進(jìn)入大數(shù)據(jù)和高通量時代，高通量作物表型技術(shù)可實現(xiàn)大規(guī)模檢測，它的發(fā)展水平直接影響作物功能基因組和作物育種的發(fā)展。隨著圖像采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、圖像處理等技術(shù)的發(fā)展，利用合適的植物表型監(jiān)測系統(tǒng)輔助基因組學(xué)研究有助于縮短育種周期、研發(fā)新的作物品種、監(jiān)測作物生長情況、客觀評價作物非生物脅迫以及抗病蟲害的能力等。通過該系統(tǒng)可測量植物重要的表型特征，如結(jié)構(gòu)、株高、顏色、體積、枯萎程度、鮮花、果實的數(shù)目等。研究人員將這些數(shù)據(jù)與特定植物的已知遺傳數(shù)據(jù)對比，將基因型-表型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，從而達(dá)到高級遺傳育種與基因改良的目的。

2.高通量植物表型平臺

根據(jù)使用環(huán)境不同，高通量植物表型平臺分為面向溫室和面向田間兩種。面向溫室的植物表型平臺主要按照植物移動或傳感器移動兩種方式來實現(xiàn)?！爸参镆苿印本褪莻鞲衅鞅３止潭?、目標(biāo)植物通過傳送帶輸送進(jìn)入到采集區(qū)進(jìn)行圖像采集，但傳送帶的移動或轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致植物尤其是葉片微小、莖稈細(xì)長型植物的器官抖動，影響表型信息采集的質(zhì)量，圖像的噪聲過大，會影響對植物微小表型信息的采集和分析?！皞鞲衅饕苿印本褪侵参镌厣L、通過移動傳感器到目標(biāo)植物種植區(qū)域進(jìn)行圖像采集等表型信息獲取，這種作業(yè)方式保持植物位置的固定，對植物的真實生長干擾少，傳感器移動的靈活性大，工作效率高，成為當(dāng)前研發(fā)的主要方向。但傳感器在移動過程中實時采集大規(guī)模植物數(shù)據(jù)并實現(xiàn)高通量表型參數(shù)提取，對于硬件集成和軟件開發(fā)而言都是巨大的挑戰(zhàn)。面向田間的植物種植模式?jīng)Q定了只能采用“傳感器移動”的方式，對有效觀測區(qū)內(nèi)固定植物進(jìn)行連續(xù)觀測，表型平臺面臨著環(huán)境因素影響、高密度種植、采集規(guī)模等問題，難點在于環(huán)境光的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，這給圖像處理帶來了很大的難度。另外，在田間，植株以群體而非單株的形式生長，不同植株問相互遮擋，不同器官間密度也存在差異，這給研究群體條件下單株植株表型帶來了很大困難。

德國著名的作物表型監(jiān)測設(shè)備公司 LemnaTec開發(fā)了Scanalyzer系列設(shè)備（圖1），包括臺式作物表型分析箱Scanalyzer PL、實驗室作物表型分析平臺Scanalyzer HTS、溫室3D作物表型分析平臺Scanalyzer 3D和野外作物表型監(jiān)測平臺Scanalyzer Field。

圖1 LemnaTec公司Scanalyzer系列設(shè)備

按照搭載方式不同，植物表型采集平臺按可分為臺式、傳送帶式、車載式、自走式、門架式、懸索式以及無人機式植物表型平臺，表1列舉對比了部分表型信息采集平臺性能。 植物表型平臺為通量化作物表型測量提供了一種新的解決方案，通過搭載多種傳感器(高分相機、成像光譜儀、熱成像儀等)，平臺系統(tǒng)可短時間內(nèi)完成多源數(shù)據(jù)的采集和分析，成為表型測量研究的國際發(fā)展趨勢。

表1 不同搭載方式的植物表型平臺

無 人機式澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織Helipod搭載熱成像儀與RGB相機，獲取冠層溫度和RGB圖像澳大利亞堪培拉州高溫表型試驗

2.1 臺式植物表型平臺

臺式植物表型平臺是一種專門針對小型植物、用于小批量采樣的系統(tǒng)，通常以生長箱為依托，用于實驗室中?？蛇x擇可見光、近紅外、紅外或熒光攝像頭中的一種或多種，一般采用攝像頭固定、植物運動的方式進(jìn)行成像，由于沒有傳送裝置，必須手工更換樣品。

2.2 傳送帶式植物表型平臺

傳送帶式植物表型平臺是在溫室內(nèi)使用的表型平臺（圖2）。利用工作構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運動或往復(fù)運動，使盆栽植物定期輸送，在有成像裝置的暗箱或傳感器處進(jìn)行表型數(shù)據(jù)的采集，采集完成后繼續(xù)移動，形成閉合環(huán)路。

圖2 傳送帶植物表型平臺（植物運動）——應(yīng)用于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)

2.3 車載式植物表型平臺

車載式植物表型平臺主要是指由農(nóng)機進(jìn)行驅(qū)動。根據(jù)植物種類和生長狀況布置傳感器，同時搭載其他所需配件(如電力設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲器等)。這種平臺旨在降低成本、減少人力和提高工作效率。這類平臺可以在GPS、陀螺儀等配合下實現(xiàn)自動導(dǎo)航。該平臺受土壤情況限制較大，在一定程度上阻礙了表型信息的采集。

2.4 自走式植物表型平臺

自走式植物表型平臺也稱為機器人表型平臺，其自身可以提供驅(qū)動動力、行走動力，實現(xiàn)表型信息采集作業(yè)。自走式植物表型系統(tǒng)由移動平臺、導(dǎo)航定位、儀器裝備和數(shù)據(jù)管理4個部分組成。其優(yōu)勢是設(shè)置好行走導(dǎo)航線路后就不需要人工控制，可全天24小時連續(xù)獲取表型信息，且體積較小。

2.5 門架式植物表型平臺

為獲得高精度表型信息，且對植物進(jìn)行全天監(jiān)測、防止設(shè)備抖動而影響成像質(zhì)量，門架式田間表型平臺應(yīng)運而生。門架式表型平臺是指在田間搭建固定軌道，利用電機驅(qū)動傳感器系統(tǒng)對植物進(jìn)行監(jiān)測的移動平臺。該系統(tǒng)是采集高分辨率表型信息較為理想的田間平臺。

2.6 懸索式植物表型平臺

懸索式植物表型平臺固定在某一個地塊，采集的表型數(shù)據(jù)來源于自然環(huán)境，可靠度高，缺點是采樣地塊固定，植物種植面積和品種有限。

2.7 無人機植物表型平臺

無人機植物表型平臺是利用小型無人機獲得作物生長參數(shù)的平臺，與其他平臺相比具有更廣泛的測量面積與更高的測量效率。缺點是采集數(shù)據(jù)時間短，受載荷限制，只能攜帶小型傳感器，受天氣特別是氣流影響較大。目前利用無人機植物表型平臺搭載熱像儀監(jiān)測小麥和玉米冠層溫度、氣孔導(dǎo)度和葉片水分狀態(tài)等指標(biāo)的精度較高，而在棉花應(yīng)用上精度較低。

3.展望和建議

隨著人民生活水平的提高，對農(nóng)產(chǎn)品的市場需求日益增大。選育高產(chǎn)的優(yōu)良農(nóng)產(chǎn)品品種是解決國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量供需不平衡的關(guān)鍵方法之一。研究作物智慧表型測量技術(shù)是一系列適應(yīng)糧食安全、符合我國作物育種發(fā)展方向和滿足省工省時的市場化經(jīng)濟(jì)需要的技術(shù)；研發(fā)作物智能表型平臺能對作物產(chǎn)量相關(guān)表型性狀參數(shù)進(jìn)行全自動高通量解析，克服傳統(tǒng)人工測量方法所存在的缺陷，提高作物表型測量的效率和準(zhǔn)確度，可有效地打破國外表型觀測技術(shù)壁壘，為開展作物育種研究可提供有力的科學(xué)工具，促進(jìn)作物功能基因解析和品種改良研究，具有廣闊的應(yīng)用前景。

植物表型信息采集通常是采用自動化平臺，其可獲取植物整個生命周期與表型相關(guān)的數(shù)據(jù)。本文按照搭載方式、從采集植物規(guī)模大小順序?qū)Ρ硇推脚_進(jìn)行了分類，對每個表型平臺特點作了分析比較。無論哪一種表型平臺，獲取圖像是植物表型信息采集平臺的基本功能，實現(xiàn)圖像的快速分析與特征提取是當(dāng)前重要的挑戰(zhàn)。對于玉米、水稻、高粱等單子葉作物的全生長階段和大豆、棉花、花生等雙子葉植物的早期生長階段，可提取各個表型性狀，估測葉面積或地上部生物量。但對于長大后的植物需結(jié)合生長天數(shù)、形態(tài)學(xué)參數(shù)、紋理參數(shù)等能反映植株生長情況的特征參數(shù)來提高生物量的估測精度。

除了臺式植物表型平臺外，其他植物表型平臺價格昂貴，因此開發(fā)低成本高通量的表型平臺是今后需要努力的方向。