“温室自动化 + 高通量成像”技术

机器人技术、图像分析和大规模计算能力的**结合全自动、高通量对大量植株进行3D成像，从幼苗到成株皆可

特别适合植物功能基因组学和植物表型组学

植物表型和生理研究的强大助手

遗传育种、突变株筛选、表型筛选的强大工具全自动高通量植物3D成像系统——Scanalyzer 3D是一套可以全自动、高通量对大量植株（从幼苗到成熟植株即可）进行成像的系统，可以选择配置可见光（VIS）成像、近红外（NIR）成像、红外（IR）成像、荧光成像或根系近红外成像中的一种或多种，每个成像模块包括顶部和侧面两个摄像头，结合样品旋转装置，就可以对植株进行3D形态学分析。如果做小植株（15 cm以下），也可选配激光扫描3D成像。每一种成像模块都有单独的成像区域（“暗房”），依次进行成像分析。（下载演示视频）

该系统通过可见光成像可以测量植物的结构、宽度、密度、对称性、叶长、叶宽、叶面积、叶角度、叶颜色、叶病斑、种子颜色、种子颜色面积等参数；通过近红外成像可以分析植物的水分分布状态、水力学研究、胁迫生理学研究等；通过根系近红外成像分析植物根系和土柱中的水分分布情况；通过红外成像可以进行植物干旱胁迫研究、蒸腾研究等；通过荧光成像可以分析植物的生理状态。由于所有植物都通过条形码或射频标记，其整个生活史的的不同阶段所有的表型数据都可定期进行测量。

整套系统包括传送带、成像模块、“暗房”、运输车、浇水和称重装置、控制系统等。其中传送带、运输车和植物在温室中运转，所有的植物可以由软件控制在传送带上进行动态分布，以避免由于温室中的光、温、湿分布不均匀造成的影响；成像模块、“暗房”、浇水和称重装置安装在独立的空调房中，并通过传送带与温室相连。

分析模式有两种：一种是软件控制温室中的植物定期传送到“暗房”进行成像分析；另一种是人工携带生长在其他温室中的植物放到“暗房”前的传送带上，进行成像分析。

软件通过成像分析的结果，根据表型数据可以对植株进行高通量筛选。

通过对成像结果的分析，可以进行表型组学研究。目前我国对于作物的研究主要是利用传统的遗传育种方法以及基因组学的方法进行研究， 然而仅停留在基因组学研究水平上显然是不够的，并不能全面、彻底地阐明作物的生理功能，特别是作物表型与其产量、生理状态之间的相互关系，以及不同的环境条件对作物生长状况、产量、种质质量等的影响。这就需要对作物进行表型组学的研究，通过研究不同的表型性状来确定作物的遗传性状，并且寻找不同环境因子对作物各种指标影响的阈值，从而能够更加科学地阐明作物生长机理，指导作物生产。

◆ 3D成像

可选VIS、NIR、IR、根系NIR成像、荧光成像中的一种或多种，每种成像有独立的摄像区域（“暗房”），每个“暗房”的顶部和侧面各安装一个摄像头（拍摄顶部和侧面成像）。花盆底座有旋转装置，可以360度旋转，这样可以获得植株4个侧面的成像信息。结合顶部成像，可以获得完整的植株3D成像信息。

针对15 cm以下的小植株，可以选择配置激光扫描3D成像，获得详细的三维形态学信息。

◆ 自动传送系统带自动传送装置，所有花盆上都有电子标签，所有拍摄数据根据电子标签归档。可选传送50、100、150、250、375、500、800、1400盆或更多盆的传送装置，花盆和植株的重量可以为1、4、10或25 kg，更重需要定制。

◆ 自动浇水和称重装置

在温室系统中，可增加自动浇水和称重装置，软件控制对不同编号的花盆采用不同的浇水量，并每日对花盆进行称重。

◆ 自动加营养盐装置

在温室系统中，与自动浇水装置结合，可以在浇水的同时补充营养盐。

◆ 自动喷淋装置

在温室系统中，根据电子标签由软件控制是否喷洒农药，可用于检测农作物对农药的抗性或敏感性。

◆ 自动分选

在温室系统中，只要在传送装置上增加多级T-Junction（丁字路口），就可根据成像结果对大批量的植株进行分选，分选用的阈值参数可以由用户设定，分选级数取决于T-Junction的数目。

◆ 服务器存储

由于数据量非常大，本系统必须用服务器存储数据。

◆ 软件分析

软件分析功能非常强大，可以通过植株的编号（电子标签）调出整个生活史的数据，进行时间动力学分析，对拍摄的照片进行动画演示，对同一植株的时间动力学数据进行图表统计分析，对不同植株的数据进行复杂的统计学分析和图表分析。

◆ 远程管理

通过专用远程服务器管理软件，可以在异地对本系统的运转状况进行监测、改变测量程序或分析测量数据。

◆ 系统大小*简单的只能传送10盆植物的系统可以安装在室内，高度（Y轴）是4 m，宽度（Z轴）是2 m。如果只配置一个成像模块，则系统长度（X轴）是4.5 m，每增加一个成像模块，系统长度（X轴）增加1.5 m。

传送上百甚至上千盆植物的系统，多安装在温室内。实际大小可根据现场情况进行定制。

主要功能◆ 全自动、高通量对植物等小型样品进行可见光成像、近红外成像、红外成像、荧光成像（包括整株GFP成像）和/或激光扫描3D成像（每套系统可选择一种或多种）

◆ 通过可见光成像可以测量植物的结构、宽度、密度、对称性、叶长、叶宽、叶面积、叶角度、叶颜色、叶病斑、种子颜色、种子颜色面积等等50多个参数

◆ 通过近红外成像可以分析植物的水分分布状态、水力学研究、胁迫生理学研究等

◆ 通过根系近红外成像分析植物根系和土柱中的水分分布情况

◆ 通过红外成像可以进行植物干旱胁迫研究、蒸腾研究等

◆ 通过荧光成像可以分析植物的生理状态

测量参数

* 植株高度、宽度和密度

* 植株结构分析、骨架分析、紧密性分析、对称性分析

* 叶片长度、宽度、叶角度、叶面积

* 植株紧凑性（叶角度和紧密性）

* 植株体积

* 植株和叶片的颜色分析，包含发育状态、病理学等信息

* 植株鲜重

* 植株和叶片含水量、玉米水分利用效率

* 植株生长速率

* 种子颜色、种子数目

* 开花时间、花穗颜色、大小、性状等

应用领域

植物功能基因组学、植物表型组学、遗传育种、突变株筛选、植物生理学、农业科学、植物病理学、植物形态建模、植物生物信息学、种子生理学、种子病理学、植物胁迫生理学、植物水力学等研究领域。

技术优势和先进性

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应用实例

◆ 植物颜色分类

植物的颜色是反映植物健康状态的关键指标之一，而人肉眼对颜色的敏感度较低，存在较大的视觉误差。利用Scanalyzer系统可以在拍摄植物可见光照片的基础上，通过软件对获得的颜色信息进行锐化处理，从而使原本肉眼不易区分的颜色差别，显著的区分开来。

◆ 植物骨架/结构分析植物骨架和架构信息，是非常典型的植物表观信息，是农业信息学的重要研究内容。对于杂交育种而言，Scanalyzer系统有助于快速进行表型筛选，也可用于了解整个生活史以及受到胁迫后的骨架/结构变化。

◆ 植物形态学分析成像后，通过Lemna Tec公司专业的软件工程师团队开发的软件，可以对植物进行详细的三维形态学分析。对于所拍摄的每一张图片，都可获得50多个形态学参数。

通过顶部成像和多个侧面成像，可以获得植物X、Y、Z三个轴的信息，根据各个方向的叶面积、茎长、茎宽、叶长、颜色等来估算植物的生物量。实验证明这种估算的生物量与实际生物量有非常好的线性关系。

◆ 利用近红外（NIR）成像分析植株和土壤的水分利用情况近红外成像可以直观的反映植物不同部位的含水量，通过软件处理加上代表不同含水量的颜色后，可以非常直观的看出不同处理下植株不同部位的含水量变化。如果植物是生长在专用土柱中，还可以对植物根系和土壤的含水量变化进行定量分析。

注：LemnaTec公司设计的土柱筒，是透明聚丙烯塑料材质，内装自然土壤，高50 cm，直径5、8或10 cm，装土1.5 3.0 5.0 kg，底部有排水孔。培养时土柱外部套上不透明PVC管遮荫，放置苔藓和土壤藻类滋生，测量时将遮光管取下即可。

◆ 利用近红外（NIR）成像分析NIR成像分析小麦干燥过程中含水量的变化本例是小麦在高温处理下，植株含水量的时间动力学变化可以通过NIR成像直观的反映处来，并进行定量分析。

◆ 利用红外（IR）成像检测植物温度差异红外成像，也叫热成像，用于检测植株的温度变化。由于植株温度与植物的蒸腾作用和含水量密切相关，因此红外成像常用于干旱胁迫研究、群体蒸腾等领域。

◆ 利用红外成像反映小麦气孔的关闭照光时气孔开放，叶片进行蒸腾作用。关光4 min后就检测到叶片温度的显著上升，说明气孔开始关闭。Scanalyzer 3D系统可以非常灵敏的检测气孔状态。

◆ 静态根密度分析析Scanalyzer 3D系统可以拍摄生长在土柱中的植物根系可见光照片，软件自动分析土柱表层的根系。由于土柱的运输车下自带程序控制的旋转台，就可以通过软件控制自动顺序旋转90度角来完成4个不同侧面的成像，获得更完善的根系信息。

◆ 根系动态生长分析析Scanalyzer 3D系统可以全自动、高通量的拍摄植物根系照片，结合电子标签，就可以对特定编号的植物根系数据进行时间动力学分析。从下图中的结果可以看出，从第35-100天，根生长*快，从表层有大量的根往下生长，从第35-60天，浇水过量，导致底部很多根死亡。

◆ 鉴定非转基因植物喷洒农药后，没有转入抗农药基因的植物，可以通过颜色鉴定出来。

◆ 植物个体和群体的形态学应用举例Scanalyzer 3D成像系统可以获得大量的形态学参数，并且针对不同的材料，可以获得有针对性的参数。下面是几个例子：

◆ 植物开花过程的动态监测由于绝大多数植物的花的颜色与茎叶不同，利用Scanalyzer 3D成像系统的高通量、全自动、带电子标签的特性，就可以自动监测植物是否开花、开花时间、花朵数目、花朵发育阶段、花败时间等信息。

Scanalyzer 3D系统与PL和HTS系统的比较

部分用户* 澳大利亚植物功能基因组中心（Australian Centre for Plant Functional Genomics）

位于阿德雷德(Adelaide)大学，建有澳大利亚植物表型组设施(Australia Plant Phenomics Facility)——植物加速器(Plant Accelarator)和高精度植物表型组中心（The High Resolution Plant Phenomics Centre）。

2010年1月28日，造价超过3000万美金的“植物加速器”（The Plant Accelerator）正式运行，并对全球科学家开放。

“植物加速器”是一套国际上到目前为止进行植物表型组研究的*复杂、造价*昂贵的设备。它的核心由4个140平米的温室以及两套“全自动高通量植物3D成像系统Scanalyzer 3D”组成，所有进行植物表型研究的成像设备，包括传送带、成像模块、“暗房”、运输车、控制系统等都由德国LemnaTec公司提供。每套Scanalyzer 3D系统占有两个140平米的温室，带可见光成像、近红外成像、根系近红外成像、红外（热）成像和荧光成像模块，以及自动浇水和称重的设备，并配有可自动传送2400盆植物的传送带和运输车。两套Scanalyzer 3D系统的传送带长度加起来达1.2公里。

如果两套系统24 h连续运转，每天可以获得4000-6000盆植物的表型成像数据，一年可以获得30-60T的数据量。根据实际实验情况，预计“植物加速器”一年可以进行16万盆植物的实验。

高精度植物表型组中心有一套不带温室传送的基础型Scanalyzer 3D系统，已运转多年。

* 法国农业科学研究院（I’institut National de la Recherche Agronomique，INRA，French National Institute for Agricultural Research）

是世界上*有科研实力和竞争力的农业研究机构之一。INRA Montpelier（蒙彼利埃）正在建设一套传送1400盆植物的系统，2010年中完工；INRA Dijon（第戎）正在建设一套传送1482盆植物的系统，2010年底完工。

* 德国莱布尼茨植物遗传和作物研究所（Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung，IPK，Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research）

IPK是德国的**公立研究所，在大麦杂交育种方面很有名。到2010年底有三套Scanalyzer系统运转：

1） 目前正在运转一套能600盆植物的系统，专门做大麦研究

2） 一套做拟南芥的S惨案了原则让 3D系统，能传送600盆拟南芥，2010年春天投入运转

3） 目前正在建设一套大的能传送600盆玉米的系统，预计2010年底投入运转

* 意大利麦塔庞特市植物生物技术研究所（Metapontum Agrobios Research Centre for Plant Biotechnology）

归政府所有，但以企业化运作，特点在于小麦、西红柿等的基因改良。有一套能传送500盆植物的系统，2009年开始运转

* 先锋（Pioneer）/杜邦（Dupont）

先锋良种国际有限公司是杜邦集团的子公司，是国际玉米育种巨头！先锋从2005年开始运转一套能传送1500盆植物的系统。

* 荷兰Keygene公司

在瓦赫宁根，是几家农业公司合资建的一个做研究的公司，有一套小的系统在运转，正在建设一套能传送1100盆植物的系统。

LemnaTec公司与Keygene公司合作，承担了一个EuroStar的PhenoCrop项目：Innovation in vegetable plant breeding by large scale deep phenotyping。项目目的：“The overall objective is to develop new deep phenotyping applications for the LemnaTec Scanalyzer for vegetable crops. Correlation of genotypic data and phenotyping results will lead to new molecular markers or gene clones that positively contribute to complex commercial traits in vegetable plants”。项目总经费达142万欧元，预计2011年结题。

* 巴斯夫（BASF）

国际化工巨头，从1998年开始介入植物科学研究，兼并了比利时CropDesign公司，并与孟山都有密切合作，在玉米、土豆、甜菜、苜蓿等的遗传育种方面取得了丰硕成果。

2006年，BASF USA和BASF Germany分别建立了一套能传送800盆和300盆植物的Scanalyzer 3D系统。

* 英国草地与环境研究所（Institute of Grassland and Environmental Research，IGER）

正在建设一套可以传送800盆植物的系统，预计2010年底或2011年初运转

* 拜耳作物科学公司（Bayer CropScience）

是拜耳集团三大业务子集团之一、全球**的创新型作物科学公司。拜耳作物科学公司的销售额（2009年）为65.10亿欧元，约占拜耳集团销售额的20.8%。拜耳作物科学公司在水稻、油菜以及蔬菜育种方面占有很大市场份额。

到2010年中，Bayer CropScience Belgium将建成一套可传输600盆植物的系统；到2010年底，Bayer CropScience Germany将建成可传输1200盆植物的系统。

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