PlantScreen野外高通量植物表型分析平臺

——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

建立對野外生長植物迅速、準確、高通量非損傷多性狀表型分析能力，是21世紀作物遺傳育種面臨的ZD挑戰（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臺對遺傳學、生物技術、作物育種，及作物對氣候變化、土壤、耕作管理的響應研究監測等，特別是現代農業、智慧農業都具有無比重要的意義。

PlantScreen野外高通量植物表型分析平臺集成了自動化控制系統、葉綠素熒光成像測量分析、植物熱成像分析、植物高光譜分析、RGB彩色成像分析及互聯網＋表型大數據平臺等現代先進技術，以ZY化的方式實現野外植物原位高通量表型分析測量、植物脅迫響應與作物抗性成像分析測量篩選、植物生長分析測量、性狀識別及植物生理生態分析研究等。作為DY家研制生產植物葉綠素熒光成像系統的廠家，PSI公司在植物表型成像分析領域處于的技術前列，大面積葉綠素熒光成像分析等成像分析平臺使PlantScreen成為植物表型分析與功能成像分析的為先進的儀器設備。

功能特點：

1)大型多功能成像平臺（Multi-functional sensor platform），集成了葉綠素熒光成像、RGB成像、紅外熱成像、LiDAR、高光譜成像等各種先進高端傳感設備，全面分析：

a)結構性狀表型分析（RGB成像及LiDAR）

b)功能表型分析（葉綠素熒光成像）

c)形狀與生長評估（RGB成像及LiDAR）

d)光合作用表現（葉綠素熒光成像）

e)生物脅迫與非生物脅迫響應（葉綠素熒光成像、高光譜成像、紅外熱成像）

f)生理生態表現包括光合生理、氣孔動態、生化代謝指標等等（葉綠素熒光成像、高光譜成像、紅外熱成像）

2)領先的FluorCam葉綠素熒光成像技術，是作物生理生態功能性狀的必備分析技術，智能LED光源提供調制測量光可以在白天自動成像測量光適應條件下的葉綠素熒光及光合效率；配備獨有的高靈敏度葉綠素熒光成像鏡頭，成像面積達35cm x 35cm（可客戶定制80cm x 80cm），是世界上單幅葉綠素熒光成像面積ZD的技術設備

3)可安裝在拖拉機上進行移動式自動成像分析，也可安裝在專用自動運行平臺上沿樣帶軌道自動運行的同時進行樣帶全覆蓋自動掃描成像和在線分析

4)表型分析大數據平臺，包括系統控制、數據采集、數據處理分析與可視化在線顯示、數據庫等

5)PSI表型研究中心專家團隊技術支持，每年在美國和歐洲分別組織舉辦一次世界植物表型研討會

6)可選配基于無人機技術（UAV-based）的PhenoUAS無人機高通量表型分析平臺，使基于地面的表型分析scalling-up到空中大區域快速表型分析

7)可選配土壤氣象監測站，全面分析環境條件與表型性狀的關系

8)可選配植物生理生態監測系統，同步監測植物光合作用及果實生長等信息

9)可選配自動稱重數字化培養盆，進行精確稱重、土壤水分監測、自動澆灌等

主要技術指標：

1.一體式多功能自動成像分析平臺，集成了智能LED光源及葉綠素熒光成像模塊、RGB成像分析模塊及其它如紅外熱成像、LiDAR激光掃描、高光譜等選配成像模塊，通過操作系統自動運行、自動分類存儲、自動在線分析等

2.葉綠素熒光成像分析（標配）：

a)3色智能LED激發光源，620nm脈沖測量光、白色光化學光和ZD飽和光閃、735nm紅外光用于測量Fo’等

b)可選配藍色光源與7位濾波輪用于多光譜多波段熒光測量如GFP成像測量

c)獨有高靈敏度CCD葉綠素熒光成像傳感器，幀頻達50fps，有效捕捉葉綠素熒光瞬變，分辨率720x560像素，A/D 12比特，具備視頻模式和快照模式；可選配高分辨率CCD，分辨率1360x1024，幀頻20fps，A/D 16比特

d)單幅成像面積35x35cm

e)成像測量參數：可進行黑夜暗適應測量及白晝光適應測量，測量參數包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等葉綠素熒光參數，用于分析植物光合效率、適合度、生物與非生物脅迫及作物抗性、恢復力等

f)Fv/Fm、Kautsky誘導效應、熒光淬滅分析等完備自動化測量程序（protocols）與測量參數，如Fv/Fm程序測量時間僅需10s

g)葉綠素熒光數據在線分析，包括柱狀圖、測量參數圖、數據表格等，具備自定義圖像分割等功能，可進行不同時間尺度（如日、月、整個生長季節等）的多參數動態分析

h)是真正的二維同步成像，所得葉綠素熒光參數是真正的基于像素點的二維分布參數，避免簡單化的“激光誘導成像”（優點是輕便、省電）僅僅是一維成像（點或線）、不能同步化二維成像、易受環境因素影響（如風吹草動即產生嚴重誤差）、成像參數只是模擬參數（根據激光掃描快慢得到的快速測量熒光與慢速測量熒光不是真正的小熒光和ZD熒光，所得參數“光量子產量”只是模擬光量子產量需要用進行校準后參數才能使用）、測量參數單一（只能得到快速測量熒光和慢速測量熒光及由此計算出的模擬光量子產量或稱光量子效率）、技術不成熟（找不到參考文獻）等問題

i)是世界上用于植物高通量表型分析應用廣、發表論文多的技術手段

3.RGB成像分析（標配）：可對植物的形狀、顏色綠度等進行成像分析，分辨率5Mpx，并可自動對植物花朵數量、水稻分蘗等進行統計分析，主要分析測量參數包括：

1)葉面積（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate） 及其動態變化

2)植物緊實度／緊密度（Solidity/Compactness. Ratio between the area covered by the plant’s convex hull and the area covered by the actual plant）

3)葉片周長（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)葉圓度（Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness）

6)葉寬指數（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）

7)葉片細長度SOL (Slenderness of Leaves)

8)植物圓直徑（Circle Diameter. Diameter of a circle with the same area as the plant）

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

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

11)扁平指數（Flattening index）

12)相對生長速率（Relative growth rate）

13)綠度指數與分級分析（暗綠、健康綠、淺綠等）

14)顏色分級與分區分析（Color segmentation for plant fitness evaluation）

15)其它性狀與顏色分級動態分析

4.3D激光掃描分析（選配）：用于植物結構表型分析，通過點云模型自動分析計算植物結構、生物量、葉片數量、葉面積、葉片傾斜角度、植物高度等各種形態結構參數

5.紅外熱成像分析（選配）：焦平面陣列微測熱輻射計，分辨率 640×480 像素，波段7.5-13μm，溫度范圍 -20 – 120℃，分辨率<0.05℃@30℃/50mK，成像面積35x35cm，用于成像植物在光輻射情況下的冠層溫度分布，并分析植物的氣孔導度動態、干旱脅迫及抗干旱能力評估等，良好的散熱可以使植物耐受較長時間的高光輻射或低水條件（干旱）

6.高光譜成像分析（選配）：波長范圍380-1000nm，光譜帶數（波段數）675個波段，可成像并分析歸一化指數（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）簡單比值指數（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）、改進的葉綠素吸收反射指數（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）、優化土壤調整植被指數（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI) , Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）、光化學植被反射指數（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）等

7.野外移動平臺：平臺臂12m跨度，多功能成像平臺可在移動平臺上左右自動掃描成像分析，可自動掃描寬度達10m的樣帶，每一次掃描成像面積可達10x0.35m（3.5m2），完成一次掃描時間從不足1分鐘到幾分鐘（根據實驗測量程序Protocol而定），移動平臺可沿軌道自動運行，運行距離原則上不受限制（受軌道長度限制）；移動平臺高度2.5m，多功能成像平臺高度可調節，以適應不同高度作物成像分析；移動平臺4個橡膠輪既可在軌道上通過控制系統自動運行并自動掃描成像，還便于在一般地面上移動、拐彎等，對于75x20m的樣方，移動平臺可以載荷多功能成像平臺一次完成75x10m的樣帶，然后手動拐彎后再自動完成另一半75x10m的成像分析；配備GPS系統精度達2cm，通過軟件自動記錄測量數據、位置、時間等，可由柴油發電機提供動力驅動整個平臺移動

8.可選配環境測量傳感器網絡，自動監測記錄PAR、環境CO2濃度、空氣溫濕度、降雨量及土壤水分等。

9.系統控制與數據采集分析系統（表型大數據平臺）：

1)用戶友好的圖形界面

2)GPS定位功能可進行空間分布信息及時空分布格局分析

3)已內置各種成熟的Protocols，具備用戶定義、可編輯自動測量程序（protocols），根據用戶設定程序自動完成全部實驗。數據結果自動存儲并分析，分析的數據結果可自動以動態曲線的形式顯示

4)MySQL數據庫管理系統，可以處理擁有上千萬條記錄的大型數據庫，支持多種存儲引擎，相關數據自動存儲于數據庫中的不同表中

5)可用默認程序進行所有測量，也可通過開發工具創建自定義的工作過程，或者手動操作LED光源開啟或關閉、RGB掃面成像、葉綠素熒光成像等

6)實驗程序（Protocols）具備起始鍵、終止鍵、暫停鍵

7)系統可通過互聯網無線遠程控制，允許用戶通過互聯網遠程訪問，進行數據處理、下載及更改實驗設計，具備用戶權限分級功能，防止其他人員誤操作影響實驗

產地：歐洲PSI

應用案例：

應用FluorCam葉綠素熒光技術，對野外植物進行原位不同季節長期監測，同時監測植物光合作用（CO2同化）A，結果參見下圖。FluorCam葉綠素熒光技術采用激發光脈沖調制技術、高靈敏度CCD傳感器（采樣頻率達每秒50次）技術及智能LED光源，可以大面積（標配每幀成像面積35x35cm）植物／作物成像分析，在野外既可在夜間進行暗適應條件下的葉綠素熒光成像分析，還可在環境光適應條件下進行葉綠素熒光成像分析，比簡單的激光誘導葉綠素熒光測量（通過一束點狀或線型單色激發光源激發葉綠素熒光并進行測量，優點是省電且可以更輕便）相比有諸多功能優勢，不僅測量參數多、可以進行各種葉綠素熒光實驗程序成像測量分析，而且一次二維成像（真正的成像分析）避免了點狀或線型激發光掃描造成的葉綠素熒光測量不同步、野外風吹草動分辨率嚴重降低等問題。

附：其它野外表型成像分析系統：

1)PhenoUAS無人機高通量大田作物表型分析平臺

2)FluorCam野外移動式葉綠素熒光與RGB成像分析系統

3)FluorCam樣帶掃描式葉綠素熒光與RGB成像分析系統（可選配紅外熱成像）