作物表型組學給作物做“B 超”

試驗田里，帶有溫室密封功能的艙體正在沿著軌道移動，艙體四周裝有的傳感設備在對地塊上標注好型號的作物表型進行精準采集，數據傳入后，通過各種光電傳感器、成像傳感器快速地獲取作物的性狀特征，再進行深度解析，進而實現品種改良、品種定制……

多學科多技術深度交叉新領域

表型組學是當前科學界公認的生命科學前沿，是解析生命規律的關鍵。2016年，《科學》雜志將表型組學列為六大科研前沿之一。2018年，《自然》雜志將“連接基因型和表型”列為改變生命科學研究的六大技術之一。

何為作物表型組學？先來看看有關它的科學定義。

表型（Phenotype），是生命體可觀測的一切性狀和特征，是基因型和環境互作的結果。

作物表型（Crop Phenotype），是指作物群體和個體可通過一定手段測定的諸如形狀、大小、結構、顏色等外在表現以及除基因組（genome）以外的其他組學（如轉錄組、蛋白組、代謝組、離子組等）特定表達特征與生理生化過程。

表型分析（Phenotyping），是針對表型進行的測量分析，包括細胞、組織、器官、個體、群體等各個尺度。

表型組（Phenome），是某個基因組在特定環境（包括特定栽培管理條件）下形成的表型集，即為該基因組表達出的表型組；一個特定的基因組，在不同環境條件與栽培措施下可表現為多個表型組譜。

表型組學（Phenomics），是一門對植物基因組在不同（控制與非控制）環境條件和栽培措施下，完整采集并系統分析表型特征及其形成與控制的學科。其旨在從組學高度系統深入地挖掘“基因型-表型-環境”內在關聯，以揭示作物多尺度結構和功能特征對遺傳信息和環境變化的響應機制。

通俗地講，表型是指觀測到的生命體性狀和特征；同一基因型響應不同生態環境，以及不同基因型響應同一生態環境而形成的表型千差萬別。具體地說就是農作物能長多高，能適應什么環境，可以提前知曉。而作物表型研究，是一個多學科、多技術領域深度交叉的新領域，涵蓋非標自動化機械設計、工業設計、自動化控制、智能生產制造、功能測試、軟件開發、物聯網應用、大數據分析、人工智能應用等領域，而作物表型全鏈條閉環檢測裝備研發，是深度揭示作物基因與環境互作規律的關鍵。

在南京國家農高區，南京慧瞳作物表型組學研究院（以下簡稱“慧瞳研究院”）即是專門分析作物在各種環境中反應的作物表型組學研究單位。前不久，這里剛剛監測完大豆的株高、葉片面積和葉片綠色程度。就像給作物做“B超”，慧瞳研究中心在田頭搭建了田間作物移動表型艙，通過機器視覺、圖像識別、深度學習等方法，監測作物全生命周期數據，而數據積累到一定程度，就可篩選出高產品種，并用大數據分析、提取作物形狀，挖掘作物的高產基因。

站在作物表型技術裝備前沿

慧瞳研究院是專注于設備研發、數據分析與技術支撐的新型智能農業科技研究院，2019年由南京農業大學作物表型組學領域核心團隊創辦。該研究院定位于引領和打造作物表型組學領域的前沿創新技術，依托作物遺傳與種質創新國家重點實驗室和農業農村部小麥區域技術創新中心兩個國家級科研平臺，運用人工智能等核心技術，進行表型研究和農業智能裝備研發，為現代農業發展提供關鍵共性技術研發支持。

慧瞳研究院聚集了國家杰出青年、科技部中青年科技領軍人才、萬人計劃科技創新領軍人才、南京高層次創業人才等領域精英，組建了一支由相關學科專家、軟件開發工程師、嵌入式開發工程師、機械設計師、電氣工程師、裝配工程師、專利工程師等組成的高素質專職研發團隊，先后圍繞作物表型組學在自動化設備、人工智能系統、軟件開發、生物科技等領域的應用，為相關科研單位、育種企業提供精準高效產品、解決方案與服務，并承接表型組學相關的試驗和數據分析，與高新技術伙伴開放合作，持續為客戶創造價值，服務現代生物種業。

迄今，慧瞳研究院圍繞植物表型組學研究，研發了一系列相關表型裝置，致力于實現從種子和物料倉儲、播種、裝配、填土、灌溉和成像等一系列環節的全自動化無人化運行，結合自主研發的配套控制軟件（表型工廠管理與控制軟件）、項目管理軟件、ERP軟件、作物表型分析軟件等，力圖為科研人員提供表型檢測的一站式科研外包服務。

自2019年5月成立以來，簽訂合同科研14項，科研合同金額288.42萬元，實現合同科研到賬收入151.82萬元，在研在孵項目14個。累計孵化引進企業4家，其中孵化企業4家。2020年申請PCT、發明專利、實用新型專利等共98項，獲授權實用新型專利29項，軟件著作權6項。

創新特色智能裝置研發模式

在作物表型智能裝置研發方面，慧瞳研究院正在構建一系列國際領先的表型檢測裝置與配套輔助裝置。側吊式扁根盒自動化閉環成像環線裝置，能夠實現單套16個/分鐘的成像通量，同時解決根系栽培時的遮光與成像對光照環境要求的矛盾問題，能夠實現栽培與成像的高標準環境模擬，徹底解決國際上在該領域長期遺留的問題，領先于國際知名研究機構德國尤利希研究所的根系檢測裝置GrowScreen-Rhizo系統，為國際根系研究領域創新了一個標準化成像樣板。推拉式扁根盒自動化成像單機，能夠實現扁根盒的原位成像，為實現立體表型艙內的多工位實時根系成像建立了基礎，能夠實現大量作物根系的實時同步監測，目前國際上未見類似模式的成像方法，而研究院也為自身開創了一個新的栽培與實時原位根系成像模式。基于高低雙筒圓根盒的根系自動化并行成像工作站，不僅栽培容器創新，成像模式和成像并行化也實現了創新，同時也可實現多工位的大量作物根系的實時成像，利于并行監控根系的實時動態生長，提高監測的效率和靈敏度。該栽培容器與成像模式也不同于法國INRA的Rhizotube系統，開創了一種土培式圓容器栽培與成像的新系統。

作物根系檢測與監測，不僅需要創新型的栽培容器、考慮遮光與見光的栽培與成像并行的模式，同時也需要考慮灌溉的實時性、精準性和同步性。為此，慧瞳研究院創新性地研發了基于扁根盒和圓根盒容置框的配套灌溉裝置，不僅實現了上述需求，同時也利于實現立體表型艙內的實時多工位灌溉。該模式灌溉通量和精準度遠超國際同行，為同行樹立了一個全新的灌溉模式。

為了實現無人化操作與高度空間的充分利用，該研究院自研多種模式作物表型檢測立體庫，實現栽培容置框、灌溉裝置、成像裝置的搬運與定位。目前正在研發超高通量苗期作物的表型檢測立體庫，在一定場地條件下，可實現千萬級的日植株檢測通量，為高通量篩選作物優質種質和適應特定環境的作物種質提供無人化的平臺。目前正在研發的基于扁根盒和圓根盒容置框的表型檢測立體庫，可實現地上部與地下部的同步檢測，實現十萬級的日檢測通量。上述兩種表型檢測立體庫，其先進性、檢測通量、配套輔助裝置，在國際上均為最先進模式。

植物表型檢測裝備與配套輔助裝置的研發成功，將誕生表型工廠。表型工廠的建成可推動科學儀器設備的定制、科學實驗服務的定制與外包，為高?？蒲性核⒘挤N企業、政府品種鑒定提供高標準、高速的科研與商業檢測平臺。表型工廠的整體落地，將成為國內第一個植物表型工廠，為表型工廠的建設制定標準，引領國內外表型工廠的建設，也為其他科研院所和國際同行的商業化定制提供一個樣本，將成為本企業可整體輸出的一個工程典范。表型工廠將起到強有力的人才和企業集聚作用，將集聚國內外該領域的各大科研院所的科學家、育種企業的從事者相繼到南京溧水區的表型工廠進行學術交流、從事科學研究、開展品種鑒定和舉辦國際表型會議。表型工廠所應用的技術勢必帶動傳統植物工廠的轉型升級，推動室內外種植和生產的轉型升級。表型工廠及其相關技術集成和研發，將帶動地方經濟和科技的發展。