將溫室打造為自動化植物表型工廠—PlantScreen-XYZ 高通量植物表型系統(tǒng)

我國作為農(nóng)業(yè)大國，土壤鹽漬化、干旱、高溫等非生物脅迫正成為制約作物產(chǎn)量與種質(zhì)創(chuàng)新的重要因素，開展作物耐逆生理機制研究、篩選優(yōu)質(zhì)耐逆種質(zhì)資源，是當前農(nóng)業(yè)科研的核心方向之一。而植物表型作為連接基因型與環(huán)境的關(guān)鍵橋梁，其精準、高通量的分析手段，直接決定了科研研究的效率與深度。傳統(tǒng)的植物表型測量多依賴人工手持儀器，存在通量低、破壞性強、數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，難以滿足規(guī)模化種質(zhì)篩選與精細化生理機制研究的需求。

PlantScreen-XYZ植物表型成像系統(tǒng)集成了自動化控制系統(tǒng)、智能LEDs光照培養(yǎng)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、植物高光譜成像分析等多項植物表型分析技術(shù)，可自動獲取100多個表型參數(shù)，完成大量植物樣品的生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，常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)分析等研究。

PlantScreen-XYZ核心功能特點

l Sensor-to-plant理念：采用“傳感器到植物"的概念，強調(diào)設備與植物監(jiān)測對象的直接關(guān)聯(lián)性；

l 自動化結(jié)構(gòu)特性：配備可在XYZ/XZ軸移動的傳感器和光源，機械臂攜帶成像陣列及光源，按照軟件預設的路徑模式直接移動到植物位置以提升表型分析效率；

l 廣泛環(huán)境適應性：適用于從實驗室到溫室乃至田間的多種環(huán)境，具備廣泛的場景應用能力；

l 傳感器靈活配置：集成了葉綠素熒光成像、紅外熱成像、多光譜熒光成像、植物高光譜成像、RGB成像等多種成像傳感器和環(huán)境傳感器，可全面采集植物表型數(shù)據(jù)；

l 定制化方案設計：針對體外培養(yǎng)或土壤栽培等不同種植方式，提供量身定制的解決方案；

當前，我國農(nóng)業(yè)科研正朝著精準化、高通量化、智能化方向發(fā)展，國家種業(yè)振興、農(nóng)業(yè)科技自立自強的戰(zhàn)略要求，對植物表型研究的技術(shù)手段提出了更高的要求。PlantScreen-XYZ作為高通量植物表型系統(tǒng)，以“高通量、非侵入、一體化、精準化"的核心優(yōu)勢，打破了傳統(tǒng)植物表型研究的局限，為國內(nèi)科研單位開展作物耐逆、高光效、種質(zhì)創(chuàng)新等研究提供了強有力的技術(shù)支撐。

案例：PlantScreen-XYZ 賦能作物耐逆研究高效突破

美國農(nóng)業(yè)研究服務局（USDA-ARS）加利福尼亞州薩利納斯作物改良與保護研究單位，針對土壤鹽漬化制約生菜生產(chǎn)力的核心問題，開展了生菜耐鹽性關(guān)鍵生理性狀識別研究。該團隊（Adhikari N D, 2019）選取10個生菜基因型（含栽培種與野生近緣種），旨在建立耐鹽與敏感基因型的生理參數(shù)基線，破解傳統(tǒng)測量通量低、數(shù)據(jù)片面的難題，為作物耐逆分子研究與種質(zhì)篩選奠定基礎。

本研究依托PlantScreen-XYZ系統(tǒng)實現(xiàn)高通量植物表型參數(shù)快速采集和分析，其全植株葉綠素熒光成像功能精準捕捉了鹽脅迫下不同基因型的光合動力學過程，結(jié)合配套軟件獲取的Fv/Fm、NPQ等核心參數(shù)，搭配同步采集的葉面積等形態(tài)數(shù)據(jù)，通過PCA分析清晰實現(xiàn)耐鹽與敏感基因型的聚類區(qū)分。實驗結(jié)果證實，耐鹽基因型能維持更高的光合效率，而敏感基因型光保護機制雖活躍但光合效率偏低，這套設備的高通量、非侵入式一體化測量，為精準解析生菜耐鹽機制、篩選優(yōu)質(zhì)種質(zhì)提供了核心數(shù)據(jù)支撐。

除了作物耐逆研究，PlantScreen-XYZ的應用場景可全面覆蓋國內(nèi)農(nóng)業(yè)科研的核心方向。在種質(zhì)資源篩選中，設備可批量處理水稻、小麥、蔬菜等各類作物的種質(zhì)資源，在鹽、旱、高溫等非生物脅迫下，快速獲取不同種質(zhì)的光合與形態(tài)表型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)耐逆種質(zhì)的高通量初篩，大幅縮短育種周期；在植物生理機制研究中，設備可精準解析環(huán)境因子對植物光合系統(tǒng)的影響，揭示作物耐逆、高光效的生理調(diào)控機制，為作物栽培調(diào)控提供理論支撐；在分子育種輔助研究中，設備可實現(xiàn)基因型與表型的精準關(guān)聯(lián)，為基因定位、功能驗證提供可靠的表型數(shù)據(jù)支撐，助力分子育種的精準化發(fā)展。

從實驗室的基礎生理機制研究，到種質(zhì)資源的規(guī)模化篩選，北京易科泰攜手PSI表型研究中心推出的PlantScreen-XYZ表型分析系統(tǒng)正成為國內(nèi)農(nóng)業(yè)科研單位的“科研好幫手"，以精準的表型數(shù)據(jù)賦能農(nóng)業(yè)科研創(chuàng)新，助力我國在作物耐逆育種、農(nóng)業(yè)生態(tài)研究等領域取得更多突破，為保障國家糧食安全、推動農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展注入科技動能。

1. Adhikari N D, Simko I, Mou B. Phenomic and physiological analysis of salinity effects on lettuce[J]. Sensors, 2019, 19(21): 4814.