PlantScreen野外高通量植物表型分析平台

PlantScreen野外高通量植物表型分析平台

——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm 

建立对野外生长植物迅速、准确、高通量非损伤多性状表型分析能力，是21世纪作物遗传育种面临的最大挑战（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台对遗传学、生物技术、作物育种，及作物对气候变化、土壤、耕作管理的响应研究监测等，特别是现代农业、智慧农业都具有无比重要的意义。 

    PlantScreen野外高通量植物表型分析平台集成了自动化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物高光谱分析、RGB彩色成像分析及互联网＋表型大数据平台等现代先进技术，以最优化的方式实现野外植物原位高通量表型分析测量、植物胁迫响应与作物抗性成像分析测量筛选、植物生长分析测量、性状识别及植物生理生态分析研究等。作为全球第一家研制生产植物叶绿素荧光成像系统的厂家，PSI公司在植物表型成像分析领域处于全球的技术前列，大面积叶绿素荧光成像分析等成像分析平台使PlantScreen成为植物表型分析与功能成像分析的最为先进的仪器设备。

功能特点：

1)    大型多功能成像平台，集成了叶绿素荧光成像、RGB成像、红外热成像、LiDAR、高光谱成像等各种先进高端传感设备，全面分析：

a)    结构性状表型分析（RGB成像及LiDAR）

b)    功能表型分析（叶绿素荧光成像）

c)    性状与生长评估（RGB成像及LiDAR）

d)    光合作用表现（叶绿素荧光成像）

e)    生物胁迫与非生物胁迫响应（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像）

f)    生理生态表现包括光合生理、气孔动态、生化代谢指标等等（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像）

2)    可安装在拖拉机上进行移动式自动成像分析，也可安装在专用自动运行平台上进行自动扫描成像分析

3)    表型分析大数据平台，包括系统控制、数据采集、数据处理分析与可视化在线显示、数据库等

4)    可选配基于无人机技术（UAV-based）的PhenoUAS无人机高通量表型分析平台，使基于地面的表型分析scalling-up到空中大区域快速表型分析

5)    可选配土壤气象监测站，全面分析环境条件与表型性状的关系

主要技术指标：

1.    叶绿素荧光成像分析（标配）：620nm脉冲测量光、白色光化学光和最大饱和光闪、735nm红外光用于测量Fo’等，可选配GFP成像测量；单幅成像面积35x35cm；成像测量参数包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等叶绿素荧光参数

2.    RGB成像分析（标配）：可对植物的形状、颜色绿度等进行成像分析，分辨率5Mpx，并可自动对植物花朵数量、水稻分蘖等进行统计分析，主要分析测量参数包括：

1)叶面积（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate） 及其动态变化

2)植物紧实度／紧密度（Solidity/Compactness. Ratio between the area covered by the plant’s convex hull and the area covered by the actual plant）

3)叶片周长（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)叶圆度（Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness）

6)叶宽指数（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）

7)叶片细长度SOL (Slenderness of Leaves)

8)植物圆直径（Circle Diameter. Diameter of a circle with the same area as the plant）

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

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

11)扁平指数（Flattening index）

12)相对生长速率（Relative growth rate）

13)绿度指数与分级分析（暗绿、健康绿、浅绿等）

14)颜色分级与分区分析（Color segmentation for plant fitness evaluation）

15)其它性状与颜色分级动态分析

3.    3D激光扫描分析（选配）：用于植物结构表型分析，通过点云模型自动分析计算各种形态结构参数

4.    红外热成像分析（选配）：成像面积35x35cm，用于成像植物在光辐射情况下的冠层温度分布，并分析植物的气孔导度动态、干旱胁迫及抗干旱能力评估等，良好的散热可以使植物耐受较长时间的高光辐射或低水条件（干旱）

5.    高光谱成像分析（选配），可成像并分析归一化指数（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）简单比值指数（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）、改进的叶绿素吸收反射指数（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), 
Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）、优化土壤调整植被指数（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI)
, Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）、光化学植被反射指数（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）等

6.    野外自动运行平台：平台臂12m跨度可自动扫描12m宽度样方，平台高度2.5m，配备GPS系统（精度达厘米级），通过软件自动记录测量数据、位置、时间等，可由柴油发电机提供动力驱动整个平台移动

7.    可选配环境测量系统，自动监测记录PAR、环境CO2浓度、空气温湿度及风速、土壤水分等。

8.    系统控制与数据采集分析系统（表型大数据平台）：

1)用户友好的图形界面

2)GPS定位功能可进行空间分布信息及时空分布格局分析

3)用户定义、可编辑自动测量程序（protocols）

4)MySQL数据库管理系统，可以处理拥有上千万条记录的大型数据库，支持多种存储引擎，相关数据自动存储于数据库中的不同表中

5)可用默认程序进行所有测量，也可通过开发工具创建自定义的工作过程，或者手动操作LED光源开启或关闭、RGB扫面成像、叶绿素荧光成像等

6)实验程序（Protocols）具备起始键、终止键、暂停键