PlantScreen野外高通量植物表型分析平台 ——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

  建立对野外生长植物迅速、准确、高通量非损伤多性状表型分析能力，是21世纪作物遗传育种面临的最大挑战（Andrade-Sanchez et al.2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010）。野外高通量植物表型分析平台对遗传学、生物技术、作物育种，及作物对气候变化、土壤、耕作管理的响应研究监测等，特别是现代农业、智慧农业都具有无比重要的意义。

 PlantScreen野外高通量植物表型分析平台集成了自动化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物高光谱分析、RGB彩色成像分析及互联网＋表型大数据平台等现代先进技术，以最优化的方式实现野外植物原位高通量表型分析测量、植物胁迫响应与作物抗性成像分析测量筛选、植物生长分析测量、性状识别及植物生理生态分析研究等。作为全球第一家研制生产植物叶绿素荧光成像系统的厂家，PSI公司在植物表型成像分析领域处于全球的技术前列，大面积叶绿素荧光成像分析等成像分析平台使PlantScreen成为植物表型分析与功能成像分析的最为先进的仪器设备。

功能特点：

1)大型多功能成像平台（Multi-functional sensor platform），集成了叶绿素荧光成像、RGB成像、红外热成像、LiDAR、高光谱成像等各种先进高端传感设备，全面分析：

a)结构性状表型分析（RGB成像及LiDAR）

b)功能表型分析（叶绿素荧光成像）

c)形状与生长评估（RGB成像及LiDAR）

d)光合作用表现（叶绿素荧光成像）

e)生物胁迫与非生物胁迫响应（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像）

f)生理生态表现包括光合生理、气孔动态、生化代谢指标等等（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像）

2)全球领先的FluorCam叶绿素荧光成像技术，是作物生理生态功能性状的必备分析技术，智能LED光源提供调制测量光可以在白天自动成像测量光适应条件下的叶绿素荧光及光合效率；配备独有的高灵敏度叶绿素荧光成像镜头，成像面积达35cm x 35cm（可客户定制80cm x 80cm），是世界上单幅叶绿素荧光成像面积最大的技术设备

3)可安装在拖拉机上进行移动式自动成像分析，也可安装在专用自动运行平台上沿样带轨道自动运行的同时进行样带全覆盖自动扫描成像和在线分析

4)表型分析大数据平台，包括系统控制、数据采集、数据处理分析与可视化在线显示、数据库等

5)PSI表型研究中心专家团队技术支持，每年在美国和欧洲分别组织举办一次世界植物表型研讨会

6)可选配基于无人机技术（UAV-based）的PhenoUAS无人机高通量表型分析平台，使基于地面的表型分析scalling-up到空中大区域快速表型分析

7)可选配土壤气象监测站，全面分析环境条件与表型性状的关系

8)可选配植物生理生态监测系统，同步监测植物光合作用及果实生长等信息

9)可选配自动称重数字化培养盆，进行精确称重、土壤水分监测、自动浇灌等

主要技术指标：

1.一体式多功能自动成像分析平台，集成了智能LED光源及叶绿素荧光成像模块、RGB成像分析模块及其它如红外热成像、LiDAR激光扫描、高光谱等选配成像模块，通过操作系统自动运行、自动分类存储、自动在线分析等

2.叶绿素荧光成像分析（标配）：

a)3色智能LED激发光源，620nm脉冲测量光、白色光化学光和最大饱和光闪、735nm红外光用于测量Fo’等

b)可选配蓝色光源与7位滤波轮用于多光谱多波段荧光测量如GFP成像测量

c)独有高灵敏度CCD叶绿素荧光成像传感器，帧频达50fps，有效捕捉叶绿素荧光瞬变，分辨率720x560像素，A/D 12比特，具备视频模式和快照模式；可选配高分辨率CCD，分辨率1360x1024，帧频20fps，A/D 16比特

d)单幅成像面积35x35cm

e)成像测量参数：可进行黑夜暗适应测量及白昼光适应测量，测量参数包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等叶绿素荧光参数，用于分析植物光合效率、适合度、生物与非生物胁迫及作物抗性、恢复力等

f)Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭分析等完备自动化测量程序（protocols）与测量参数，如Fv/Fm程序测量时间仅需10s

g)叶绿素荧光数据在线分析，包括柱状图、测量参数图、数据表格等，具备自定义图像分割等功能，可进行不同时间尺度（如日、月、整个生长季节等）的多参数动态分析

h)是真正的二维同步成像，所得叶绿素荧光参数是真正的基于像素点的二维分布参数，避免简单化的“激光诱导成像”（优点是轻便、省电）仅仅是一维成像（点或线）、不能同步化二维成像、易受环境因素影响（如风吹草动即产生严重误差）、成像参数只是模拟参数（根据激光扫描快慢得到的快速测量荧光与慢速测量荧光不是真正的最小荧光和最大荧光，所得参数“光量子产量”只是模拟光量子产量需要用进行校准后参数才能使用）、测量参数单一（只能得到快速测量荧光和慢速测量荧光及由此计算出的模拟光量子产量或称光量子效率）、技术不成熟（找不到参考文献）等问题

i)是世界上用于植物高通量表型分析应用最广、发表论文最多的技术手段

3.RGB成像分析（标配）：可对植物的形状、颜色绿度等进行成像分析，分辨率5Mpx，并可自动对植物花朵数量、水稻分蘖等进行统计分析，主要分析测量参数包括：

1)叶面积（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate） 及其动态变化

2)植物紧实度／紧密度（Solidity/Compactness. Ratio between the area covered by the plant’s convex hull and the area covered by the actual plant）

3)叶片周长（Leaf Perimeter: Particularly useful for the basic leaf shape and width evaluation (combined with leaf area)）

4)偏心率（Eccentricity: Plant shape estimation, scalar number, eccentricity of the ellipse with same second moments as the plant (0...circle, 1...line segment)）

5)叶圆度（Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness）

6)叶宽指数（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）

7)叶片细长度SOL (Slenderness of Leaves)

8)植物圆直径（Circle Diameter. Diameter of a circle with the same area as the plant）

9)凸包面积（Convex Hull Area. Useful for compactness evaluation）

10)植物质心（Centroid. Center of the plant mass position (particularly useful for the eccentricity evaluation)）

11)扁平指数（Flattening index）

12)相对生长速率（Relative growth rate）

13)绿度指数与分级分析（暗绿、健康绿、浅绿等）

14)颜色分级与分区分析（Color segmentation for plant fitness evaluation）

15)其它性状与颜色分级动态分析

4.3D激光扫描分析（选配）：用于植物结构表型分析，通过点云模型自动分析计算植物结构、生物量、叶片数量、叶面积、叶片倾斜角度、植物高度等各种形态结构参数

5.红外热成像分析（选配）：焦平面阵列微测热辐射计，分辨率 640×480 像素，波段7.5-13μm，温度范围 -20 – 120℃，分辨率<0.05℃@30℃/50mK，成像面积35x35cm，用于成像植物在光辐射情况下的冠层温度分布，并分析植物的气孔导度动态、干旱胁迫及抗干旱能力评估等，良好的散热可以使植物耐受较长时间的高光辐射或低水条件（干旱）

6.高光谱成像分析（选配）：波长范围380-1000nm，光谱带数（波段数）675个波段，可成像并分析归一化指数（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）简单比值指数（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）、改进的叶绿素吸收反射指数（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), 
Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）、优化土壤调整植被指数（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI)
, Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）、光化学植被反射指数（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）等

7.野外移动平台：平台臂12m跨度，多功能成像平台可在移动平台上左右自动扫描成像分析，可自动扫描宽度达10m的样带，每一次扫描成像面积可达10x0.35m（3.5m2），完成一次扫描时间从不足1分钟到几分钟（根据实验测量程序Protocol而定），移动平台可沿轨道自动运行，运行距离原则上不受限制（受轨道长度限制）；移动平台高度2.5m，多功能成像平台高度可调节，以适应不同高度作物成像分析；移动平台4个橡胶轮既可在轨道上通过控制系统自动运行并自动扫描成像，还便于在一般地面上移动、拐弯等，对于75x20m的样方，移动平台可以载荷多功能成像平台一次完成75x10m的样带，然后手动拐弯后再自动完成另一半75x10m的成像分析；配备GPS系统精度达2cm，通过软件自动记录测量数据、位置、时间等，可由柴油发电机提供动力驱动整个平台移动

8.可选配环境测量传感器网络，自动监测记录PAR、环境CO2浓度、空气温湿度、降雨量及土壤水分等。

9.系统控制与数据采集分析系统（表型大数据平台）：

1)用户友好的图形界面

2)GPS定位功能可进行空间分布信息及时空分布格局分析

3)已内置各种成熟的Protocols，具备用户定义、可编辑自动测量程序（protocols），根据用户设定程序自动完成全部实验。数据结果自动存储并分析，分析的数据结果可自动以动态曲线的形式显示

4)MySQL数据库管理系统，可以处理拥有上千万条记录的大型数据库，支持多种存储引擎，相关数据自动存储于数据库中的不同表中

5)可用默认程序进行所有测量，也可通过开发工具创建自定义的工作过程，或者手动操作LED光源开启或关闭、RGB扫面成像、叶绿素荧光成像等

6)实验程序（Protocols）具备起始键、终止键、暂停键

7)系统可通过互联网无线远程控制，允许用户通过互联网远程访问，进行数据处理、下载及更改实验设计，具备用户权限分级功能，防止其他人员误操作影响实验

产地：欧洲PSI

应用案例：

应用FluorCam叶绿素荧光技术，对野外植物进行原位不同季节长期监测，同时监测植物光合作用（CO2同化）A，结果参见下图。FluorCam叶绿素荧光技术采用激发光脉冲调制技术、高灵敏度CCD传感器（采样频率达每秒50次）技术及智能LED光源，可以大面积（标配每帧成像面积35x35cm）植物／作物成像分析，在野外既可在夜间进行暗适应条件下的叶绿素荧光成像分析，还可在环境光适应条件下进行叶绿素荧光成像分析，比简单的激光诱导叶绿素荧光测量（通过一束点状或线型单色激发光源激发叶绿素荧光并进行测量，优点是省电且可以更轻便）相比有诸多功能优势，不仅测量参数多、可以进行各种叶绿素荧光实验程序成像测量分析，而且一次二维成像（真正的成像分析）避免了点状或线型激发光扫描造成的叶绿素荧光测量不同步、野外风吹草动分辨率严重降低等问题。

附：其它野外表型成像分析系统：

1)PhenoUAS无人机高通量大田作物表型分析平台

2)FluorCam野外移动式叶绿素荧光与RGB成像分析系统

3)FluorCam样带扫描式叶绿素荧光与RGB成像分析系统（可选配红外热成像）