PlantScreen植物表型成像分析技術助力科研設備以舊換新

2025-05-14 10:51:51 56閱讀次數

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隨著基因組學研究的發展，與之對應的表型組學研究從21世紀10年代初逐漸成為生物學研究的熱點之一。從科學研究角度，表型組學研究能夠解釋基因組-環境-表型性狀的復雜遺傳與表達調控關系；從農業生產角度，植物表型組學則可以進一步提高作物產量并助力解決種質資源安全問題。因此，近十余年間，表型組學尤其是植物表型組學的研究得到了飛速的發展。

左圖：基因組與環境的相互作用造就表型組（Walter，2015）；右圖：植物表型組學研究相關文獻發表量逐年攀升（Tao，2022）

PCR技術和基因測序技術推動了基因組學研究的發展，甚至可以說構成了基因組學研究基礎的一部分。與之類似，植物表型組學研究也需要相應的植物表型研究技術來助力。與之相關的研究工作需要對兩方面的技術支持：

首先，對復雜的植物生長環境的監測與控制，用以模擬各種不同的環境條件來研究植物的反應。這方面需要的植物生長氣候室、智能溫室等技術已經較為成熟。

之后就要對大量植株的各種特征和性狀即表型組進行鑒別與分析。尤其需要實現對植物的無損、連續測量，以跟蹤植物的整個生活史，同時，獲取的表型數據要能夠反映植物深層次的生理過程。要實現這一點，目前最優的技術方案就是植物表型成像分析技術。

左圖：2013年與澳大利亞國立大學合作研發的基于PlantScreen植物表型成像技術的科研用表型設施（Brown，2014）；右圖：2013與年杜邦先鋒合作建設PlantScreen表型成像分析系統用于玉米育種

PlantScreen植物表型成像分析技術在國際基因組學與遺傳育種研究機構、育種公司的得到廣泛應用，發表了大量學術論文和科研成果。國際上一些早期裝備了其它植物表型系統的科研單位，后來又采用PlantScreen技術升級原有系統或者直接購買最新型的PlantScreen系統，如德國萊布尼茨植物遺傳和作物研究所（Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research，IPK）在早年間安裝有三套來自于其他品牌型號的植物表型平臺，但這些平臺都不能進行調制式葉綠素熒光成像，其廠家也不具備進行升級的技術能力。2016-2017年間IPK為這三套系統升級了PlantScreen專用的FluorCam調制式葉綠素熒光成像單元以及配套的光適應室，而且葉綠素熒光成像單元可以與原有系統良好兼容，完成高通量光合表型測量。這一更新升級使其原來的表型系統補齊短板，煥發新生。這3套升級系統一直運行至今，利用升級后的FluorCam葉綠素熒光成像單元已發表不少于10篇SCI論文。

左圖：IPK原有表型系統升級的光適應室與FluorCam調制式葉綠素熒光成像單元；右圖：升級完成后使用擬南芥、煙草和玉米進行葉綠素熒光成像測試

左圖：IPK利用這套升級系統發表的部分文獻數據與成像圖；右圖：IPK后續建設的大型PlantScreen植物表型成像平臺

IPK發表的部分引用文獻：

1. Tschiersch H, Junker A, Meyer R C, et al. Establishment of integrated protocols for automated high throughput kinetic chlorophyll fluorescence analyses[J]. Plant Methods, 2017, 13: 1-16.

2. Li M, Hensel G, Melzer M, et al. Mutation of the ALBOSTRIANS ohnologous gene HvCMF3 impairs chloroplast development and thylakoid architecture in barley[J]. Frontiers in plant science, 2021, 12: 732608.

3. Lauterberg M, Tschiersch H, Papa R, et al. Engaging precision phenotyping to scrutinize vegetative drought tolerance and recovery in chickpea plant genetic resources[J]. Plants, 2023, 12(15): 2866.

4. Lauterberg M, Tschiersch H, Zhao Y, et al. Implementation of theoretical non-photochemical quenching (NPQ (T)) to investigate NPQ of chickpea under drought stress with High-throughput Phenotyping[J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 13970.

2024年初，國務院印發《推動大規模設備更新和消費品以舊換新行動方案》。其中明確提出“提升教育文旅醫療設備水平。推動符合條件的高校、職業院校（含技工院校）更新置換先進教學及科研技術設備，提升教學科研水平”。2025年1月，國家發展改革委、財政部再次發布《關于2025年加力擴圍實施大規模設備更新和消費品以舊換新政策的通知》，將支持范圍進一步擴展至電子信息、安全生產、設施農業等領域，重點支持高端化、智能化、綠色化設備應用。

在植物表型組學科研領域，這也意味著國內科研單位可以通過國家以舊換新政策支持，像IPK這樣升級更新自己原有的表型平臺，進一步增強基因組-表型組相關研究能力，著力解決種質資源“卡脖子”問題。

經過十多年不懈的改進與研發，PlantScreen植物表型成像技術已經得到了植物表型組學研究者的廣泛認可，全球安裝量超過60套，其核心的各種表型成像傳感器更是代表了目前植物表型成像技術的最高水平，具體請見下表：

成像傳感器	表型與生理過程	優勢特定	常用參數指標
FluorCam葉綠素熒光成像傳感器	葉綠素熒光成像測量用于分析光合能力、光合電子傳遞鏈功能、光合作用機理、光保護能力等；同時由于光系統對脅迫有極強的敏感性，尤其廣泛用于各種生物/非生物脅迫鑒定、評估與抗性檢測	PAM脈沖調制式葉綠素熒光成像技術的發明者，文獻眾多，配備2種以上不同波段的激發光源以滿足各種植物類型的測量需要，具備各種熒光自動測量程序，同時可定制特殊測量程序。	最大光化學效率Fv/Fm、實際光化學效率QY、非光化學淬滅系數NPQ、光化學淬滅系數qP、熒光衰減率“活力指數”Rfd等。
多光譜熒光成像傳感器	無損成像檢測植物黃酮、多酚類次生代謝物熒光，評估病害及干旱、高溫等非生物脅迫的發生程度與植物防御機制的激活。還可對GFP/YFP/RFP等熒光蛋白進行活體成像與相對定量分析。	目前唯一實現次生代謝物與熒光蛋白活體成像的植物表型成像系統，并在國際國內都得到了大量應用。	次生代謝物熒光F440、F520；葉綠素熒光F690、F740；GFP/YFP/RFP等熒光蛋白相對熒光強度Ft。
RGB成像傳感器	利用RGB三個波段成像對植物形態進行成像測量。	配備與植物冠層等面積的LED照明光源，消除陰影造成的測量誤差；同時配備360°樣品旋轉平臺，可采集植物不同角度的形態信息。	株高、株寬、葉面積、周長、生物量、生長動態、色彩變化等形態數據。
VNIR/SWIR高光譜（反射光譜）成像傳感器	成像測量高光譜數據立方體（一維光譜曲線×二維平面成像圖），計算定量反映植物活力、色素組成、光合作用、生化組成、氮素營養、水分含量等生理表型過程，對的影響進行間接測量。	光譜分辨率最高達0.8nm，遠高于一般植物表型成像高光譜傳感器的2-5nm，可獲得更精確的光譜數據。	歸一化植被指數NDVI、光化學反射指數PRI、歸一化葉綠素指數NPCI、花青素反射指數ARI、胡蘿卜素反射指數CRI、水指數WI等。
紅外熱成像傳感器	獲得植物表面溫度分布圖及溫度數據通過葉片溫度反映由于病害、高溫、干旱導致的葉片氣孔導度與蒸騰減少、代謝紊亂等。	圖像分辨率達1024×768像素，靈敏度20mK（0.02℃），配備冷白LED光源板（模擬日照）和溫控背景板，從而獲得接近真實狀態且清晰的植物溫度熱成像圖。	植物每一點的實際溫度、植物表面溫度分布圖、平均溫度、溫度范圍、水脅迫指數等。
3D激光雷達傳感器	利用激光雷達掃描獲得植物的3D點云結構模型，從而研究更精細的植物結構	可將紅外熱成像等成像數據投射到3D模型上進行分析	點云圖及3D模型重建，計算葉面積、植物面積、生物量、投射面積、葉傾角、緊實度、高度、葉片數量、節高等形態參數

基于這些成像傳感器技術，PlantScreen設計了多種運行平臺方案，以滿足不同用戶的實際需求。下面我們結合實際安裝案例與研究成果來一一介紹。您可以從中挑選適合的以舊換新方案。

一、PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統

PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統是目前功能最全面、安裝數量最多的PlantScreen型號。這一系統基于Plant-to-Sensor（PTS）運行模式，一般安裝與溫室或人工氣候室中，分為植物培養區和成像區兩個部分。植物樣品放置于貼有二維碼的樣品盆中，通過傳送系統自動在兩個區域間運轉。通過預設程序，實現自動化的培養與表型成像測量，結合自動稱重澆灌單元，理想情況下可以實現植物全生活史的無人值守自動培養與測量。這一系統既可用于測量擬南芥、煙草等模式植物，也可用于測量玉米、水稻等作物，番茄、生菜、西瓜等水果蔬菜，乃至松樹、椰子等苗木。

荷蘭瓦格寧根大學-荷蘭植物生態表型中心（NPEC）裝備的PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統，左圖為培養區，右圖為成像區

正式測量前，樣品先經過專門的適應室進行預適應處理，以消除不同培養位置細微差異可能造成的測量誤差。成像區則根據傳感器類型分為多個專用成像室。成像室的設計可以使樣品可順序進行測量，測量速度快；盡量消除環境干擾，數據精確度高；可同時進行頂端和側面成像。樣品在各成像室之間轉移與測量也都由系統自動完成。

芬蘭赫爾辛基大學裝備的PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統，樣品從培養區經過適應室進入成像室

左圖：赫爾辛基大學研究小孔異擔子菌基因編碼的小分泌蛋白質（SSP）對本氏煙的表型影響，表型數據包括RGB與葉綠素熒光成像；右圖：歐洲PSI公司與荷蘭烏特勒支大學、瓦赫寧根大學共同研究干旱、高溫、積水等多種脅迫對馬鈴薯表型組的影響，研究結果綜合了頂端和側面RGB形態成像、葉綠素熒光成像、紅外熱成像、VNIR/SWIR高光譜成像。這一研究由歐盟地平線2020 ADAPT馬鈴薯育種項目資助

引用文獻：

1. Wen Z, et al. 2019. Chlorophyll fluorescence imaging for monitoring effects of Heterobasidion parviporum small secreted protein induced cell death and in planta defense gene expression. Fungal Genetics and Biology 126: 37-49

2. Abdelhakim L O A, Pleska?ová B, Rodriguez-Granados N Y, et al. High Throughput Image-Based Phenotyping for Determining Morphological and Physiological Responses to Single and Combined Stresses in Potato. J. Vis. Exp, 2024, 208: e66255.

二、PlantScreen SC(Self-Containing) 植物表型成像分析系統

PlantScreen SC植物表型成像分析系統為應荷蘭瓦格寧根大學NPEC需求專門開發的。這一系統相當于將PlantScreen傳送帶版高通量系統的成像區獨立出來并改進成一套能自行工作的系統。該系統對安裝環境要求大大降低，可在溫室、步入式植物培養箱、甚至一般實驗室中使用，同時配備萬向輪，可以在各個使用場景間移動。用戶僅需將樣品托盤放置在系統的樣品加載位，系統即可自動完成包括RGB、葉綠素熒光、紅外熱成像等所有表型數據的成像測量。日常使用與維護工作都更加簡便。

NPEC、愛爾蘭國立都柏林大學、英國詹姆斯赫頓研究所等裝備的PlantScreen SC系統

左圖：荷蘭瓦格寧根大學使用PlantScreen SC研究細胞器變異與光合系統性能表型變異的關系，左上圖為專用樣品托盤中待測的擬南芥樣品和研究中使用的葉綠素熒光動力學測量程序，左下圖為4項葉綠素熒光參數與基因位的質型關聯研究（PAS），這一研究發表于2024年《PNAS》；右圖：愛爾蘭都柏林大學使用PlantScreen SC研究不同品種大麥對積水的響應與恢復，表型數據包括葉綠素熒光、頂端和側面的植物形態、顏色構成與變化等

引用文獻：

1. Theeuwen T P J M, Wijfjes R Y, Dorussen D, et al. Species-wide inventory of Arabidopsis thaliana organellar variation reveals ample phenotypic variation for photosynthetic performance. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121(49): e2414024121.

2. Langan P, Cavel E, Henchy J, et al. Evaluating waterlogging stress response and recovery in barley (Hordeum vulgare L.): an image-based phenotyping approach. Plant Methods, 2024, 20(1): 146.

三、PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統

PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統基于Sensor-to-Plant運行模式設計，無需樣品傳送帶，也不設置成像室。所有成像傳感器均安裝與一個掃描成像平臺上。這個掃描成像平臺通過機械裝置可以在XYZ三個方向自由移動，根據下方樣品的位置、高度自動調整并測量。這一系統的優點在于樣品可以種植在樣品盆中，也可直接種在土壤中，還可以進行水培。系統的大小可靈活定制，既可安裝在大型溫室中，也可以用于小型培養室或步入式培養箱。

NPEC在2022-2023年間陸續安裝了3套PlantScreen XYZ系統，左圖可見掃描平臺上安裝的RGB、葉綠素熒光、高光譜、紅外熱成像等各種成像傳感器。這三套系統同時配套了大型步入式動態光照水培植物生長室，實現動態光照培養、營養液調控與表型測量的有機結合。

左圖：美國農業部從2019年開始，利用一套PlantScreen XZ系統對萵苣等蔬菜進行葉綠素熒光及高光譜表型測量，用以研究萵苣對不同脅迫的響應機制，目前已發布至少5篇相關研究論文；右圖：捷克帕拉茨基大學通過PlantScreen XYZ系統研究多種生物刺激素對鹽脅迫下擬南芥萌發和生長的影響，結合RGB與高光譜成像數據證明生物刺激素確實能夠減輕脅迫并促進植物生長

引用文獻：

1. Kumar P, et al. 2021. Molecular Mapping of Water-Stress Responsive Genomic Loci in Lettuce (Lactuca spp.) Using Kinetics Chlorophyll Fluorescence, Hyperspectral Imaging and Machine Learning. Front. Genet. 12:634554

2. Simko I, Zhao R. Phenotypic characterization, plant growth and development, genome methylation, and mineral elements composition of neotetraploid lettuce (Lactuca sativa L.). Frontiers in Plant Science, 2023, 14: 1296660.

3. Adhikari N. D, Simko I, Mou B. 2019. Phenomic and Physiological Analysis of Salinity Effects on Lettuce. Sensors 19, 4814.

4. Ugena L, et al. 2018. Characterization of Biostimulant Mode of Action Using Novel Multi-Trait High-Throughput Screening of Arabidopsis Germination and Rosette Growth. Front. Plant Sci. 9:1327

四、PlantScreen緊湊式植物表型成像分析系統

PlantScreen緊湊式植物表型成像分析系統將表型成像測量、LED光照培養和自動稱重澆灌等功能融為一體，實現對擬南芥、小株煙草、作物/蔬菜幼苗的自動培養與連續表型測量。成像室與培養室由自動控制的氣動門隔開，多個樣品托盤根據設定程序，由傳送帶從培養室依次進入成像室測量，測量完畢后再回到培養室原位置。這一系統占地面積較小，對安裝條件要求不高，可安裝在一般實驗室或培養室中。

中科院植物研究所、西北農林科技大學，赫爾辛基大學等均裝備了PlantScreen緊湊式植物表型成像分析系統。左圖為培養室，右圖為成像室

蘇黎世聯邦理工學院使用PlantScreen緊湊式系統對擬南芥氣孔保衛細胞糖轉運蛋白突變體進行了表型組測量。結果表明，糖轉運蛋白突變造成的氣孔功能缺陷進一步嚴重影響到了植物表型。首先是氣孔導度下降造成了氣孔導度下降、葉溫升高；葉綠素含量及綠度色彩豐富度沒有顯著變化，但實際光合能力顯著降低；最終造成突變體葉面積、生物量、生長速率等形態指標嚴重降低。

引用文獻：

1. Flütsch S, et al. 2020. Glucose uptake to guard cells via STP transporters provides carbon sources for stomatal opening and plant growth. EMBO Reports 21:e49719

五、PlantScreen植物根系表型成像分析系統

為解決地下根系表型測量，PlantScreen在高通量傳送帶式系統基礎上設計了專門的根系表型成像分析系統。這一系統配備專用的根盒，通過透明根窗來對根系形態與生長動態進行測量。在不需要測量的時候，通過擋板遮蓋住根窗，防止外界光線對根系生長造成影響。根盒配備3層定位（頂部、中部、底部）根系澆灌單元，實現對根系的均勻澆灌。系統可同時對地上部植株進行RGB、葉綠素熒光等表型成像測量分析，實現植物地上地下的全方位表型測量。

法國亞眠大學、匈牙利科學院生物科學研究中心等裝備的PlantScreen植物根系表型成像分析系統

捷克馬薩里克大學利用PlantScreen根系系統研究高溫環境下擬南芥生長發育與phyB-PIF4通路的相關性，左圖：根系表型成像及生長動態數據；中圖：地上部發育過程的RGB形態成像；右圖：高光譜動態數據（包括歸一化植被指數NDVI、光化學指數PRI等）和葉綠素熒光動態數據（包括最大光化學效率QYmax，即為Fv/Fm；實際量子產額QY_Lss，即為ΦPSII等）

引用文獻：

1. Ebrahimi Naghani S, ?meringai J, Pleska?ová B, et al. Integrative phenotyping analyses reveal the relevance of the phyB-PIF4 pathway in Arabidopsis thaliana reproductive organs at high ambient temperature. BMC Plant Biology, 2024, 24(1): 721.

六、PlantScreen野外移動式表型成像分析系統

為了對野外植物與大田作物進行原位表型測量，PlantScreen將XYZ系統的表型掃描平臺安裝在各種野外機動平臺，包括手動平臺、電動助力平臺、拖拉機平臺以及自動掃描平臺。掃描平臺高度可根據植物高度進行調整，從而適用于各種不同的植物樣品。這一系統也可以部署到溫室甚至實驗室中進行相關表型測量。

北京農林科學院、芬蘭自然資源研究所、PSI表型研究中心等裝備的各種類型的PlantScreen野外移動式表型成像分析系統

波蘭Strzelce植物育種公司與波蘭植物育種和馴化研究所合作，使用一臺安裝與拖拉機平臺的PlantScreen野外系統對黑小麥冠層密度進行測量，左圖：PlantScreen拖拉機野外系統及實驗樣地規劃；中圖：黑小麥冠層成像圖；右圖：黑小麥冠層密度與種植技術和品種的相關性

引用文獻：

1. Stefański P, Rybka K, Matysik P. Phenotyping of winter triticale canopy density in field conditions using an RGB camera[J]. Biuletyn Instytutu Hodowli I Aklimatyzacji Ro?lin, 2024

七、PlantScreen全自動高通量瓊脂培養植物表型成像分析系統

PlantScreen全自動高通量瓊脂培養植物表型成像分析系統是一套專門為瓊脂平板培養植物進行自動接種、培養與表型成像分析的系統。該系統為全自動機器人操作，包括傾倒瓊脂、播種、層積催芽、接種、成像分析全自動運行。可容納2160個特制培養皿的全自動全流程高通量表型分析。系統由具備GMO（轉基因生物）控制區的環控室（可選配）、操作臺、培養柜（包括層積催芽柜）、機器人及成像工作站等組成，可進行根系形態成像分析、GFP等熒光蛋白成像分析、葉綠素熒光成像分析、多光譜成像分析、高光譜成像（透射光）分析及香豆素熒光高光譜成像分析等。

荷蘭植物生態表型中心NPEC已經裝備了至少6套PlantScreen植物表型成像系統，應用于擬南芥、煙草、番茄、藜麥等植物的表型研究。PlantScreen全自動高通量瓊脂培養植物表型成像分析平臺是根據其研究需要進行的專門設計與合作開發，于2023年剛剛建設完成。