高通量植物表型平台综述

周水琴 林乐鹏

（杭州职业技术学院，浙江 杭州 310018）

表型、表型组和表型组学是生命科学领域的三个重要的概念。表型是指基因型和环境决定的形状、结构、大小、颜色等生物体的外在性状。表型组又是指某一生物的全部性状特征，不仅局限于农艺性状，还应更加关注植株所表现出来的生理状态。随着多数代表植物全基因组测序的结束，科研人员越来越认识到植物表型研究的重要性，并将其提到的“组学”的高度。植物表型组学是研究植物的生长、表现和组成的科学，其研究可以从小至核苷酸序列细胞，大至组织、器官种属群体的表型来研究分析，并且可以进一步整合到基因组学研究中；而从系统生物学角度来看，从基因组到转录组、蛋白质组、代谢组以及表型组，表型组是各种组的表现形式。因此，植物表型组学的研究将涉及植物各个方面的研究领域。

传统的表型数据获取通过手动测量分析植物的表型生理特征，需要耗费大量时间和精力，对于大规模的试验并不合适，并且测量结果受人为因素影响较大，具有不可靠性，差异太大造成没有办法统计,这些缺点大大限制了大规模遗传育种筛选的效率。智能育种选种是实现农业生产高品质、高产量的技术基础和保障。鉴于大量的植物表型组学数据，表型信息的联用对功能基因组学的研究意义巨大，必须要依托客观准确科学的高通量植物表型平台去完成工作。

1.高通量表型技术

近年来，水稻、小麦、玉米等主要农作物基因组测序相继完成，作物功能基因组学研究已进入大数据和高通量时代，高通量作物表型技术可实现大规模检测，它的发展水平直接影响作物功能基因组和作物育种的发展。随着图像采集、网络传输技术、图像处理等技术的发展，利用合适的植物表型监测系统辅助基因组学研究有助于缩短育种周期、研发新的作物品种、监测作物生长情况、客观评价作物非生物胁迫以及抗病虫害的能力等。通过该系统可测量植物重要的表型特征，如结构、株高、颜色、体积、枯萎程度、鲜花、果实的数目等。研究人员将这些数据与特定植物的已知遗传数据对比，将基因型-表型进行关联分析，从而达到高级遗传育种与基因改良的目的。

2.高通量植物表型平台

根据使用环境不同，高通量植物表型平台分为面向温室和面向田间两种。面向温室的植物表型平台主要按照植物移动或传感器移动两种方式来实现。“植物移动”就是传感器保持固定、目标植物通过传送带输送进入到采集区进行图像采集，但传送带的移动或转盘的旋转会导致植物尤其是叶片微小、茎秆细长型植物的器官抖动，影响表型信息采集的质量，图像的噪声过大，会影响对植物微小表型信息的采集和分析。“传感器移动”就是植物原地生长、通过移动传感器到目标植物种植区域进行图像采集等表型信息获取，这种作业方式保持植物位置的固定，对植物的真实生长干扰少，传感器移动的灵活性大，工作效率高，成为当前研发的主要方向。但传感器在移动过程中实时采集大规模植物数据并实现高通量表型参数提取，对于硬件集成和软件开发而言都是巨大的挑战。面向田间的植物种植模式决定了只能采用“传感器移动”的方式，对有效观测区内固定植物进行连续观测，表型平台面临着环境因素影响、高密度种植、采集规模等问题，难点在于环境光的复杂性和不稳定性，这给图像处理带来了很大的难度。另外，在田间，植株以群体而非单株的形式生长，不同植株问相互遮挡，不同器官间密度也存在差异，这给研究群体条件下单株植株表型带来了很大困难。

德国著名的作物表型监测设备公司 LemnaTec开发了Scanalyzer系列设备（图1），包括台式作物表型分析箱Scanalyzer PL、实验室作物表型分析平台Scanalyzer HTS、温室3D作物表型分析平台Scanalyzer 3D和野外作物表型监测平台Scanalyzer Field。

图1 LemnaTec公司Scanalyzer系列设备

按照搭载方式不同，植物表型采集平台按可分为台式、传送带式、车载式、自走式、门架式、悬索式以及无人机式植物表型平台，表1列举对比了部分表型信息采集平台性能。 植物表型平台为通量化作物表型测量提供了一种新的解决方案，通过搭载多种传感器(高分相机、成像光谱仪、热成像仪等)，平台系统可短时间内完成多源数据的采集和分析，成为表型测量研究的国际发展趋势。

表1 不同搭载方式的植物表型平台

无 人机式澳大利亚联邦科学与工业研究组织Helipod搭载热成像仪与RGB相机，获取冠层温度和RGB图像澳大利亚堪培拉州高温表型试验

2.1 台式植物表型平台

台式植物表型平台是一种专门针对小型植物、用于小批量采样的系统，通常以生长箱为依托，用于实验室中。可选择可见光、近红外、红外或荧光摄像头中的一种或多种，一般采用摄像头固定、植物运动的方式进行成像，由于没有传送装置，必须手工更换样品。

2.2 传送带式植物表型平台

传送带式植物表型平台是在温室内使用的表型平台（图2）。利用工作构件的旋转运动或往复运动，使盆栽植物定期输送，在有成像装置的暗箱或传感器处进行表型数据的采集，采集完成后继续移动，形成闭合环路。

图2 传送带植物表型平台（植物运动）——应用于南京农业大学

2.3 车载式植物表型平台

车载式植物表型平台主要是指由农机进行驱动。根据植物种类和生长状况布置传感器，同时搭载其他所需配件(如电力设备、数据存储器等)。这种平台旨在降低成本、减少人力和提高工作效率。这类平台可以在GPS、陀螺仪等配合下实现自动导航。该平台受土壤情况限制较大，在一定程度上阻碍了表型信息的采集。

2.4 自走式植物表型平台

自走式植物表型平台也称为机器人表型平台，其自身可以提供驱动动力、行走动力，实现表型信息采集作业。自走式植物表型系统由移动平台、导航定位、仪器装备和数据管理4个部分组成。其优势是设置好行走导航线路后就不需要人工控制，可全天24小时连续获取表型信息，且体积较小。

2.5 门架式植物表型平台

为获得高精度表型信息，且对植物进行全天监测、防止设备抖动而影响成像质量，门架式田间表型平台应运而生。门架式表型平台是指在田间搭建固定轨道，利用电机驱动传感器系统对植物进行监测的移动平台。该系统是采集高分辨率表型信息较为理想的田间平台。

2.6 悬索式植物表型平台

悬索式植物表型平台固定在某一个地块，采集的表型数据来源于自然环境，可靠度高，缺点是采样地块固定，植物种植面积和品种有限。

2.7 无人机植物表型平台

无人机植物表型平台是利用小型无人机获得作物生长参数的平台，与其他平台相比具有更广泛的测量面积与更高的测量效率。缺点是采集数据时间短，受载荷限制，只能携带小型传感器，受天气特别是气流影响较大。目前利用无人机植物表型平台搭载热像仪监测小麦和玉米冠层温度、气孔导度和叶片水分状态等指标的精度较高，而在棉花应用上精度较低。

3.展望和建议

随着人民生活水平的提高，对农产品的市场需求日益增大。选育高产的优良农产品品种是解决国内农产品产量供需不平衡的关键方法之一。研究作物智慧表型测量技术是一系列适应粮食安全、符合我国作物育种发展方向和满足省工省时的市场化经济需要的技术；研发作物智能表型平台能对作物产量相关表型性状参数进行全自动高通量解析，克服传统人工测量方法所存在的缺陷，提高作物表型测量的效率和准确度，可有效地打破国外表型观测技术壁垒，为开展作物育种研究可提供有力的科学工具，促进作物功能基因解析和品种改良研究，具有广阔的应用前景。

植物表型信息采集通常是采用自动化平台，其可获取植物整个生命周期与表型相关的数据。本文按照搭载方式、从采集植物规模大小顺序对表型平台进行了分类，对每个表型平台特点作了分析比较。无论哪一种表型平台，获取图像是植物表型信息采集平台的基本功能，实现图像的快速分析与特征提取是当前重要的挑战。对于玉米、水稻、高粱等单子叶作物的全生长阶段和大豆、棉花、花生等双子叶植物的早期生长阶段，可提取各个表型性状，估测叶面积或地上部生物量。但对于长大后的植物需结合生长天数、形态学参数、纹理参数等能反映植株生长情况的特征参数来提高生物量的估测精度。

除了台式植物表型平台外，其他植物表型平台价格昂贵，因此开发低成本高通量的表型平台是今后需要努力的方向。