葉綠素熒光技術(shù)在植物表型分析中的應用

WIWAM植物表型成像系統(tǒng)由比利時SMO公司與GHent大學VIB研究所研制生產(chǎn)，整合了LED植物只能培養(yǎng)、自動化控制系統(tǒng)、葉綠素熒光成像測量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、植物多光譜分析、植物CT斷層掃描分析、自動條碼識別管理、RGB真3D成像等多項*技術(shù)，以優(yōu)化的方式實現(xiàn)大量植物樣品以優(yōu)化的方式實現(xiàn)大量植物樣品——從擬南芥、水稻、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測量、植物脅迫響應成像分析測量、植物生長分析測量、生態(tài)毒理學研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。

植物表型分析技術(shù)是篩選優(yōu)良作物品種方法中，研究植物基因功能和環(huán)境效應的關(guān)鍵步驟，不僅適于研究外觀物理特性，還可以研究植物生長發(fā)育過程中基因型與環(huán)境因素相互作用所產(chǎn)生的，生理生化特性以及植物基因型與表型映射關(guān)系，已受到科研工作者的廣泛關(guān)注。

高通量植物表型分析技術(shù)通過整合傳感器、自動控制、環(huán)境調(diào)控以及數(shù)據(jù)挖掘等多種*技術(shù)，有效地解決傳統(tǒng)植物表型分析技術(shù)中存在的費時費力、精度低、適用性弱等問題，為闡明不同環(huán)境因子及基因型對植物生長、產(chǎn)量、質(zhì)量、生理狀態(tài)的影響及研究植物不同表型間的關(guān)系提供了有效的幫助。其中，光學技術(shù)以其非接觸性、快速、無損傷、高靈敏度、高分辨率等優(yōu)勢為高通量植物表型分析提供了技術(shù)支撐。光學成像技術(shù)主要包括RGB成像、多光譜/高光譜成像、葉綠素熒光成像和熱紅外成像等，這些技術(shù)在獲取植物的葉/冠層形態(tài)生長模型、逆境響應、養(yǎng)分生理、光合作用、冠層溫度等信息上具有很大的優(yōu)勢。其中，葉綠素熒光技術(shù)可以通過對葉綠素熒光的探測分析PSII內(nèi)的生理反應過程，如光化學反應、熱散失等，能反映實際生物學意義，該技術(shù)已應用于植物的逆境生理檢測、病蟲害檢測、光合作用機理及抗逆性生理等研究。此外，結(jié)合圖像技術(shù)，可以較好地反映植物在葉片和冠層水平的光合 生理的空間異質(zhì)性。葉綠素熒光圖像信息量豐富，利用數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等方法可進一步挖掘圖像的潛在信息。由于葉綠素熒光技術(shù)的多種優(yōu)勢，在高通量植物表型分析中的應用也越來越廣。

葉綠素熒光成像系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)熒光儀有限點測量的缺點而被逐漸廣泛應用。系統(tǒng)一般包括激發(fā)光源、濾波片、檢 測器、計算機和控制模塊等，可以獲得植物葉片或冠層的葉綠素熒光信號，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)可分析熒光強度在空間的分布情況。不同的測量方案可以獲得不同的熒光誘導猝滅曲線，其中光源和光照模式的設(shè)置是方案選擇的關(guān)鍵。光源的主要類型有測量光、光化光與飽和光。測量光用于激發(fā)暗適應后小熒光，通常選擇藍光或紅光；光化光是一種近似自然光的光源，光化光的光強與自然光十分相近，研究人員通常選擇藍光或紅光使植物的光合系統(tǒng)產(chǎn)生實質(zhì)上的光化學反應；飽和光的光強度超過植物光合系統(tǒng)的捕光能力，使葉綠素熒光強度達到高，通常選擇白光。不同光照模式可以獲取不同的光合作用信息。

植物表型成像分析系統(tǒng)WIWAM conveyor

    WIWAM conveyor是一款集成機器人解決方案，用于高通量可重復表型平臺，用于大型植物如玉米。該機器人可進行自動灌溉，允許定期對多種植物生長參數(shù)測量。WIWAM Conveyor代替了很多手工操作，省時省錢，精度高。該WIWAM機器人傳送帶網(wǎng)絡(luò)組成，可將植物傳送到1或多臺稱重澆水站以及成像柜，成像柜中安裝有一系列的非損害性照相系統(tǒng)。全套系統(tǒng)可以安裝在現(xiàn)有溫室，由高品質(zhì)工業(yè)部件構(gòu)成。典型應用是植物種植在不同各自花盆內(nèi)。這些花盆在傳送帶系統(tǒng)上以小車運輸?；ㄅ韬托≤嚲?識別碼(分別QR和RFID碼)，從其固定生長區(qū)域傳送到稱重和灌溉站以及成像柜，都可對每植株進行個性處理。成像平臺是封閉區(qū)域，配有適合照像的光照條件，配有旋轉(zhuǎn)平臺提升裝置，可從觀察角度穩(wěn)定獲得圖像，聚焦遠處感興趣部分。成像柜可以容納一系列照相系統(tǒng)，用于非損害性圖像獲取。

植物表型成像分析系統(tǒng)WIWAM conveyor特點

    稱重和灌溉站位置，植物在澆水時旋轉(zhuǎn)，以在花盆獲得水分布。灌溉精度*可達+/-1mL。澆水后，可應用容器中準備好的不同溶液。另外，灌溉可以基于對目標重量計算或固定量。這方法可以保證在整個實驗中的土壤濕度水平。通過集成光、溫度和濕度傳感器監(jiān)控環(huán)境，詳細記錄實驗生長條件。 

    該系統(tǒng)的精明之處在于包括1個處理區(qū)，系統(tǒng)可以提取和檢索所需號碼的屬于特定基因組或處理的植株。系統(tǒng)用戶可進入操作區(qū)，可視覺觀察植物或手工操作植物，如測量特定植物性扎狀，或提取部分植物做分子或化學分析。系統(tǒng)另外一精明特征是可將外部植物裝載到系統(tǒng)中，例如生長在另外一間溫室或生長箱中的植物，可將其在稱重和灌溉站成像和/或處理。