高通量植物表型平臺綜述

周水琴 林樂鵬

（杭州職業技術學院，浙江 杭州 310018）

表型、表型組和表型組學是生命科學領域的三個重要的概念。表型是指基因型和環境決定的形狀、結構、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，不僅局限于農藝性狀，還應更加關注植株所表現出來的生理狀態。隨著多數代表植物全基因組測序的結束，科研人員越來越認識到植物表型研究的重要性，并將其提到的“組學”的高度。植物表型組學是研究植物的生長、表現和組成的科學，其研究可以從小至核苷酸序列細胞，大至組織、器官種屬群體的表型來研究分析，并且可以進一步整合到基因組學研究中；而從系統生物學角度來看，從基因組到轉錄組、蛋白質組、代謝組以及表型組，表型組是各種組的表現形式。因此，植物表型組學的研究將涉及植物各個方面的研究領域。

傳統的表型數據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，對于大規模的試驗并不合適，并且測量結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計,這些缺點大大限制了大規模遺傳育種篩選的效率。智能育種選種是實現農業生產高品質、高產量的技術基礎和保障。鑒于大量的植物表型組學數據，表型信息的聯用對功能基因組學的研究意義巨大，必須要依托客觀準確科學的高通量植物表型平臺去完成工作。

1.高通量表型技術

近年來，水稻、小麥、玉米等主要農作物基因組測序相繼完成，作物功能基因組學研究已進入大數據和高通量時代，高通量作物表型技術可實現大規模檢測，它的發展水平直接影響作物功能基因組和作物育種的發展。隨著圖像采集、網絡傳輸技術、圖像處理等技術的發展，利用合適的植物表型監測系統輔助基因組學研究有助于縮短育種周期、研發新的作物品種、監測作物生長情況、客觀評價作物非生物脅迫以及抗病蟲害的能力等。通過該系統可測量植物重要的表型特征，如結構、株高、顏色、體積、枯萎程度、鮮花、果實的數目等。研究人員將這些數據與特定植物的已知遺傳數據對比，將基因型-表型進行關聯分析，從而達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

根據使用環境不同，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。“植物移動”就是傳感器保持固定、目標植物通過傳送帶輸送進入到采集區進行圖像采集，但傳送帶的移動或轉盤的旋轉會導致植物尤其是葉片微小、莖稈細長型植物的器官抖動，影響表型信息采集的質量，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植物種植區域進行圖像采集等表型信息獲取，這種作業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，成為當前研發的主要方向。但傳感器在移動過程中實時采集大規模植物數據并實現高通量表型參數提取，對于硬件集成和軟件開發而言都是巨大的挑戰。面向田間的植物種植模式決定了只能采用“傳感器移動”的方式，對有效觀測區內固定植物進行連續觀測，表型平臺面臨著環境因素影響、高密度種植、采集規模等問題，難點在于環境光的復雜性和不穩定性，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測設備公司 LemnaTec開發了Scanalyzer系列設備（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和野外作物表型監測平臺Scanalyzer Field。

圖1 LemnaTec公司Scanalyzer系列設備

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)，平臺系統可短時間內完成多源數據的采集和分析，成為表型測量研究的國際發展趨勢。

表1 不同搭載方式的植物表型平臺

無 人機式澳大利亞聯邦科學與工業研究組織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，通常以生長箱為依托，用于實驗室中。可選擇可見光、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使用的表型平臺（圖2）。利用工作構件的旋轉運動或往復運動，使盆栽植物定期輸送，在有成像裝置的暗箱或傳感器處進行表型數據的采集，采集完成后繼續移動，形成閉合環路。

圖2 傳送帶植物表型平臺（植物運動）——應用于南京農業大學

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機進行驅動。根據植物種類和生長狀況布置傳感器，同時搭載其他所需配件(如電力設備、數據存儲器等)。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自動導航。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，其自身可以提供驅動動力、行走動力，實現表型信息采集作業。自走式植物表型系統由移動平臺、導航定位、儀器裝備和數據管理4個部分組成。其優勢是設置好行走導航線路后就不需要人工控制，可全天24小時連續獲取表型信息，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，且對植物進行全天監測、防止設備抖動而影響成像質量，門架式田間表型平臺應運而生。門架式表型平臺是指在田間搭建固定軌道，利用電機驅動傳感器系統對植物進行監測的移動平臺。該系統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，采集的表型數據來源于自然環境，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。缺點是采集數據時間短，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測小麥和玉米冠層溫度、氣孔導度和葉片水分狀態等指標的精度較高，而在棉花應用上精度較低。

3.展望和建議

隨著人民生活水平的提高，對農產品的市場需求日益增大。選育高產的優良農產品品種是解決國內農產品產量供需不平衡的關鍵方法之一。研究作物智慧表型測量技術是一系列適應糧食安全、符合我國作物育種發展方向和滿足省工省時的市場化經濟需要的技術；研發作物智能表型平臺能對作物產量相關表型性狀參數進行全自動高通量解析，克服傳統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確度，可有效地打破國外表型觀測技術壁壘，為開展作物育種研究可提供有力的科學工具，促進作物功能基因解析和品種改良研究，具有廣闊的應用前景。

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的數據。本文按照搭載方式、從采集植物規模大小順序對表型平臺進行了分類，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，實現圖像的快速分析與特征提取是當前重要的挑戰。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合生長天數、形態學參數、紋理參數等能反映植株生長情況的特征參數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，因此開發低成本高通量的表型平臺是今后需要努力的方向。