作物表型组学给作物做“B 超”

试验田里，带有温室密封功能的舱体正在沿着轨道移动，舱体四周装有的传感设备在对地块上标注好型号的作物表型进行精准采集，数据传入后，通过各种光电传感器、成像传感器快速地获取作物的性状特征，再进行深度解析，进而实现品种改良、品种定制……

多学科多技术深度交叉新领域

表型组学是当前科学界公认的生命科学前沿，是解析生命规律的关键。2016年，《科学》杂志将表型组学列为六大科研前沿之一。2018年，《自然》杂志将“连接基因型和表型”列为改变生命科学研究的六大技术之一。

何为作物表型组学？先来看看有关它的科学定义。

表型（Phenotype），是生命体可观测的一切性状和特征，是基因型和环境互作的结果。

作物表型（Crop Phenotype），是指作物群体和个体可通过一定手段测定的诸如形状、大小、结构、颜色等外在表现以及除基因组（genome）以外的其他组学（如转录组、蛋白组、代谢组、离子组等）特定表达特征与生理生化过程。

表型分析（Phenotyping），是针对表型进行的测量分析，包括细胞、组织、器官、个体、群体等各个尺度。

表型组（Phenome），是某个基因组在特定环境（包括特定栽培管理条件）下形成的表型集，即为该基因组表达出的表型组；一个特定的基因组，在不同环境条件与栽培措施下可表现为多个表型组谱。

表型组学（Phenomics），是一门对植物基因组在不同（控制与非控制）环境条件和栽培措施下，完整采集并系统分析表型特征及其形成与控制的学科。其旨在从组学高度系统深入地挖掘“基因型-表型-环境”内在关联，以揭示作物多尺度结构和功能特征对遗传信息和环境变化的响应机制。

通俗地讲，表型是指观测到的生命体性状和特征；同一基因型响应不同生态环境，以及不同基因型响应同一生态环境而形成的表型千差万别。具体地说就是农作物能长多高，能适应什么环境，可以提前知晓。而作物表型研究，是一个多学科、多技术领域深度交叉的新领域，涵盖非标自动化机械设计、工业设计、自动化控制、智能生产制造、功能测试、软件开发、物联网应用、大数据分析、人工智能应用等领域，而作物表型全链条闭环检测装备研发，是深度揭示作物基因与环境互作规律的关键。

在南京国家农高区，南京慧瞳作物表型组学研究院（以下简称“慧瞳研究院”）即是专门分析作物在各种环境中反应的作物表型组学研究单位。前不久，这里刚刚监测完大豆的株高、叶片面积和叶片绿色程度。就像给作物做“B超”，慧瞳研究中心在田头搭建了田间作物移动表型舱，通过机器视觉、图像识别、深度学习等方法，监测作物全生命周期数据，而数据积累到一定程度，就可筛选出高产品种，并用大数据分析、提取作物形状，挖掘作物的高产基因。

站在作物表型技术装备前沿

慧瞳研究院是专注于设备研发、数据分析与技术支撑的新型智能农业科技研究院，2019年由南京农业大学作物表型组学领域核心团队创办。该研究院定位于引领和打造作物表型组学领域的前沿创新技术，依托作物遗传与种质创新国家重点实验室和农业农村部小麦区域技术创新中心两个国家级科研平台，运用人工智能等核心技术，进行表型研究和农业智能装备研发，为现代农业发展提供关键共性技术研发支持。

慧瞳研究院聚集了国家杰出青年、科技部中青年科技领军人才、万人计划科技创新领军人才、南京高层次创业人才等领域精英，组建了一支由相关学科专家、软件开发工程师、嵌入式开发工程师、机械设计师、电气工程师、装配工程师、专利工程师等组成的高素质专职研发团队，先后围绕作物表型组学在自动化设备、人工智能系统、软件开发、生物科技等领域的应用，为相关科研单位、育种企业提供精准高效产品、解决方案与服务，并承接表型组学相关的试验和数据分析，与高新技术伙伴开放合作，持续为客户创造价值，服务现代生物种业。

迄今，慧瞳研究院围绕植物表型组学研究，研发了一系列相关表型装置，致力于实现从种子和物料仓储、播种、装配、填土、灌溉和成像等一系列环节的全自动化无人化运行，结合自主研发的配套控制软件（表型工厂管理与控制软件）、项目管理软件、ERP软件、作物表型分析软件等，力图为科研人员提供表型检测的一站式科研外包服务。

自2019年5月成立以来，签订合同科研14项，科研合同金额288.42万元，实现合同科研到账收入151.82万元，在研在孵项目14个。累计孵化引进企业4家，其中孵化企业4家。2020年申请PCT、发明专利、实用新型专利等共98项，获授权实用新型专利29项，软件著作权6项。

创新特色智能装置研发模式

在作物表型智能装置研发方面，慧瞳研究院正在构建一系列国际领先的表型检测装置与配套辅助装置。侧吊式扁根盒自动化闭环成像环线装置，能够实现单套16个/分钟的成像通量，同时解决根系栽培时的遮光与成像对光照环境要求的矛盾问题，能够实现栽培与成像的高标准环境模拟，彻底解决国际上在该领域长期遗留的问题，领先于国际知名研究机构德国尤利希研究所的根系检测装置GrowScreen-Rhizo系统，为国际根系研究领域创新了一个标准化成像样板。推拉式扁根盒自动化成像单机，能够实现扁根盒的原位成像，为实现立体表型舱内的多工位实时根系成像建立了基础，能够实现大量作物根系的实时同步监测，目前国际上未见类似模式的成像方法，而研究院也为自身开创了一个新的栽培与实时原位根系成像模式。基于高低双筒圆根盒的根系自动化并行成像工作站，不仅栽培容器创新，成像模式和成像并行化也实现了创新，同时也可实现多工位的大量作物根系的实时成像，利于并行监控根系的实时动态生长，提高监测的效率和灵敏度。该栽培容器与成像模式也不同于法国INRA的Rhizotube系统，开创了一种土培式圆容器栽培与成像的新系统。

作物根系检测与监测，不仅需要创新型的栽培容器、考虑遮光与见光的栽培与成像并行的模式，同时也需要考虑灌溉的实时性、精准性和同步性。为此，慧瞳研究院创新性地研发了基于扁根盒和圆根盒容置框的配套灌溉装置，不仅实现了上述需求，同时也利于实现立体表型舱内的实时多工位灌溉。该模式灌溉通量和精准度远超国际同行，为同行树立了一个全新的灌溉模式。

为了实现无人化操作与高度空间的充分利用，该研究院自研多种模式作物表型检测立体库，实现栽培容置框、灌溉装置、成像装置的搬运与定位。目前正在研发超高通量苗期作物的表型检测立体库，在一定场地条件下，可实现千万级的日植株检测通量，为高通量筛选作物优质种质和适应特定环境的作物种质提供无人化的平台。目前正在研发的基于扁根盒和圆根盒容置框的表型检测立体库，可实现地上部与地下部的同步检测，实现十万级的日检测通量。上述两种表型检测立体库，其先进性、检测通量、配套辅助装置，在国际上均为最先进模式。

植物表型检测装备与配套辅助装置的研发成功，将诞生表型工厂。表型工厂的建成可推动科学仪器设备的定制、科学实验服务的定制与外包，为高校科研院所、良种企业、政府品种鉴定提供高标准、高速的科研与商业检测平台。表型工厂的整体落地，将成为国内第一个植物表型工厂，为表型工厂的建设制定标准，引领国内外表型工厂的建设，也为其他科研院所和国际同行的商业化定制提供一个样本，将成为本企业可整体输出的一个工程典范。表型工厂将起到强有力的人才和企业集聚作用，将集聚国内外该领域的各大科研院所的科学家、育种企业的从事者相继到南京溧水区的表型工厂进行学术交流、从事科学研究、开展品种鉴定和举办国际表型会议。表型工厂所应用的技术势必带动传统植物工厂的转型升级，推动室内外种植和生产的转型升级。表型工厂及其相关技术集成和研发，将带动地方经济和科技的发展。