葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在植物表型分析中的應(yīng)用

WIWAM植物表型成像系統(tǒng)由比利時(shí)SMO公司與GHent大學(xué)VIB研究所研制生產(chǎn)，整合了LED植物只能培養(yǎng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、植物多光譜分析、植物CT斷層掃描分析、自動(dòng)條碼識(shí)別管理、RGB真3D成像等多項(xiàng)*技術(shù)，以優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣品以優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣品——從擬南芥、水稻、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測(cè)量、植物脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量、植物生長(zhǎng)分析測(cè)量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。

植物表型分析技術(shù)是篩選優(yōu)良作物品種方法中，研究植物基因功能和環(huán)境效應(yīng)的關(guān)鍵步驟，不僅適于研究外觀物理特性，還可以研究植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中基因型與環(huán)境因素相互作用所產(chǎn)生的，生理生化特性以及植物基因型與表型映射關(guān)系，已受到科研工作者的廣泛關(guān)注。

高通量植物表型分析技術(shù)通過整合傳感器、自動(dòng)控制、環(huán)境調(diào)控以及數(shù)據(jù)挖掘等多種*技術(shù)，有效地解決傳統(tǒng)植物表型分析技術(shù)中存在的費(fèi)時(shí)費(fèi)力、精度低、適用性弱等問題，為闡明不同環(huán)境因子及基因型對(duì)植物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、質(zhì)量、生理狀態(tài)的影響及研究植物不同表型間的關(guān)系提供了有效的幫助。其中，光學(xué)技術(shù)以其非接觸性、快速、無損傷、高靈敏度、高分辨率等優(yōu)勢(shì)為高通量植物表型分析提供了技術(shù)支撐。光學(xué)成像技術(shù)主要包括RGB成像、多光譜/高光譜成像、葉綠素?zé)晒獬上窈蜔峒t外成像等，這些技術(shù)在獲取植物的葉/冠層形態(tài)生長(zhǎng)模型、逆境響應(yīng)、養(yǎng)分生理、光合作用、冠層溫度等信息上具有很大的優(yōu)勢(shì)。其中，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可以通過對(duì)葉綠素?zé)晒獾奶綔y(cè)分析PSII內(nèi)的生理反應(yīng)過程，如光化學(xué)反應(yīng)、熱散失等，能反映實(shí)際生物學(xué)意義，該技術(shù)已應(yīng)用于植物的逆境生理檢測(cè)、病蟲害檢測(cè)、光合作用機(jī)理及抗逆性生理等研究。此外，結(jié)合圖像技術(shù)，可以較好地反映植物在葉片和冠層水平的光合 生理的空間異質(zhì)性。葉綠素?zé)晒鈭D像信息量豐富，利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法可進(jìn)一步挖掘圖像的潛在信息。由于葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的多種優(yōu)勢(shì)，在高通量植物表型分析中的應(yīng)用也越來越廣。

葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)克服了傳統(tǒng)熒光儀有限點(diǎn)測(cè)量的缺點(diǎn)而被逐漸廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)一般包括激發(fā)光源、濾波片、檢 測(cè)器、計(jì)算機(jī)和控制模塊等，可以獲得植物葉片或冠層的葉綠素?zé)晒庑盘?hào)，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)可分析熒光強(qiáng)度在空間的分布情況。不同的測(cè)量方案可以獲得不同的熒光誘導(dǎo)猝滅曲線，其中光源和光照模式的設(shè)置是方案選擇的關(guān)鍵。光源的主要類型有測(cè)量光、光化光與飽和光。測(cè)量光用于激發(fā)暗適應(yīng)后小熒光，通常選擇藍(lán)光或紅光；光化光是一種近似自然光的光源，光化光的光強(qiáng)與自然光十分相近，研究人員通常選擇藍(lán)光或紅光使植物的光合系統(tǒng)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上的光化學(xué)反應(yīng)；飽和光的光強(qiáng)度超過植物光合系統(tǒng)的捕光能力，使葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度達(dá)到高，通常選擇白光。不同光照模式可以獲取不同的光合作用信息。

植物表型成像分析系統(tǒng)WIWAM conveyor

    WIWAM conveyor是一款集成機(jī)器人解決方案，用于高通量可重復(fù)表型平臺(tái)，用于大型植物如玉米。該機(jī)器人可進(jìn)行自動(dòng)灌溉，允許定期對(duì)多種植物生長(zhǎng)參數(shù)測(cè)量。WIWAM Conveyor代替了很多手工操作，省時(shí)省錢，精度高。該WIWAM機(jī)器人傳送帶網(wǎng)絡(luò)組成，可將植物傳送到1或多臺(tái)稱重澆水站以及成像柜，成像柜中安裝有一系列的非損害性照相系統(tǒng)。全套系統(tǒng)可以安裝在現(xiàn)有溫室，由高品質(zhì)工業(yè)部件構(gòu)成。典型應(yīng)用是植物種植在不同各自花盆內(nèi)。這些花盆在傳送帶系統(tǒng)上以小車運(yùn)輸。花盆和小車均有*識(shí)別碼(分別QR和RFID碼)，從其固定生長(zhǎng)區(qū)域傳送到稱重和灌溉站以及成像柜，都可對(duì)每植株進(jìn)行個(gè)性處理。成像平臺(tái)是封閉區(qū)域，配有適合照像的光照條件，配有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)提升裝置，可從觀察角度穩(wěn)定獲得圖像，聚焦遠(yuǎn)處感興趣部分。成像柜可以容納一系列照相系統(tǒng)，用于非損害性圖像獲取。

植物表型成像分析系統(tǒng)WIWAM conveyor特點(diǎn)

    稱重和灌溉站位置，植物在澆水時(shí)旋轉(zhuǎn)，以在花盆獲得水分布。灌溉精度*可達(dá)+/-1mL。澆水后，可應(yīng)用容器中準(zhǔn)備好的不同溶液。另外，灌溉可以基于對(duì)目標(biāo)重量計(jì)算或固定量。這方法可以保證在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的土壤濕度水平。通過集成光、溫度和濕度傳感器監(jiān)控環(huán)境，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)條件。 

    該系統(tǒng)的精明之處在于包括1個(gè)處理區(qū)，系統(tǒng)可以提取和檢索所需號(hào)碼的屬于特定基因組或處理的植株。系統(tǒng)用戶可進(jìn)入操作區(qū)，可視覺觀察植物或手工操作植物，如測(cè)量特定植物性扎狀，或提取部分植物做分子或化學(xué)分析。系統(tǒng)另外一精明特征是可將外部植物裝載到系統(tǒng)中，例如生長(zhǎng)在另外一間溫室或生長(zhǎng)箱中的植物，可將其在稱重和灌溉站成像和/或處理。