博普特植物表型組學(xué)、多光譜表型成像系統(tǒng)一站式解決方案

未來幾十年中，由于人口暴增、氣候變化、耕地限制、環(huán)境資源短缺等因素的影響，人類面臨巨大的糧食挑戰(zhàn)。需要從兩方面考慮來提高作物生產(chǎn)力：改良育種和栽培管理。對作物功能的描述和深入理解是改良育種和優(yōu)良栽培管理的基礎(chǔ)。將作物功能性狀與基因組關(guān)聯(lián)起來，將加速針對特定環(huán)境和管理方式的設(shè)計(jì)育種過程，以及加速遺傳資源的挖掘過程。同理，對植物功能的深入了解將極大促進(jìn)作物的栽培管理。作物功能模型可以集聚上述知識，促進(jìn)特定環(huán)境下的植物生長管理。

植物表型

指的是植物遺傳在特定環(huán)境下表達(dá)出來的植物特性，包括結(jié)構(gòu)、生化、能量傳遞過程等。植物表型組學(xué)可以認(rèn)為是研究植物表型特征的科學(xué)，涵蓋器官、植株、冠層功能等多種尺度。

植物表型組學(xué)是一種跨學(xué)科的科學(xué)，涵蓋生理學(xué)、生物學(xué)、遺傳學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)量學(xué)和其它相關(guān)學(xué)科。

植物表型成像系統(tǒng)的出現(xiàn)是學(xué)科發(fā)展的必然結(jié)果，便攜式、經(jīng)濟(jì)型植物表型分析設(shè)備已經(jīng)成為一種趨勢，在田間長期值守的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的設(shè)備廣受研究人員關(guān)注，在這個(gè)領(lǐng)域Aquation的自開合葉綠素?zé)晒庵凳販y量系統(tǒng)、Videometer Portable手持式多光譜測量系統(tǒng)以及Hiphen IoT田間多光譜測量值守系統(tǒng)代表了業(yè)界水準(zhǔn)，田間環(huán)境表型分布式測量系統(tǒng)，也逐漸為廣大客戶所接受。

WIWAM溫室植物表型成像系統(tǒng)集植物自動傳送技術(shù)、自動澆灌稱重技術(shù)、葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)、多光譜激光雷達(dá)成像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)、RGB成像技術(shù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)根窗技術(shù)全自動根系表型觀測，高通量、無損傷、全自動、實(shí)驗(yàn)觀測分析植物形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理功能形狀表型，成為表型組學(xué)與遺傳育種科研機(jī)構(gòu)的重要平臺，如比利時(shí)VIB所、比利時(shí)根特大學(xué)、澳大利亞表型組織、拜耳作物等等。 

WIWAM移動式植物表型成像系統(tǒng)

WIWAM Mobile移動式植物表型成像系統(tǒng)（WIWAM Mobile）為大型移動式植物表型成像系統(tǒng)，4輪驅(qū)動，以便于大田移動，適于溫室及野外作物原位表型成像分析測量，具備WIWAM幾乎所有成像分析功能及表型大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫等。標(biāo)配為RGB成像分析、葉綠素?zé)晒獬上穹治?、多光譜成像，可選配高光譜成像、紅外熱成像、激光雷達(dá)成像等功能模塊，成像高度可調(diào)（標(biāo)配植株高度可達(dá)1.5m），是田間作物高通量表型分析、植物生理生態(tài)研究的重要儀器設(shè)備，因采用了適合田間的傳感器，可直接對野外植物或田間栽培作物進(jìn)行原位成像測量分析。

WIWAM Imaging Box臺式植物表型成像系統(tǒng)

WIWAM臺式植物表型成像系統(tǒng)具備所有WIWAM植物表型成像分析功能，包括3D RGB成像分析、3D多光譜激光雷達(dá)成像分析、葉綠素?zé)晒獬上穹治觥⒏吖庾V成像分析（400-1700nm）、紅外熱成像分析，可進(jìn)行對植物進(jìn)行3維表型成像分析。適于實(shí)驗(yàn)室或溫室作物表型成像分析研究。 

Phenomobile移動式植物表型成像分析平臺

Phenomobile移動式植物表型成像分析平臺戶外植物表型成像分析專門設(shè)計(jì)，采用手工推動或馬達(dá)腳輪驅(qū)動方式，方便大型溫室內(nèi)或戶外不同區(qū)域間移動使用，極大地提高了載樣方便性和使用效率，所采用傳感器為適應(yīng)戶外使用傳感器，可在自然光條件下對植物樣品進(jìn)行成像分析，Phenomobile標(biāo)配包括4個(gè)功能模塊：多光譜成像模塊、3D激光掃描三角測量、RGB 3D成像測量、高光譜成像模塊，以提供完備的作物表型3D建模與成像測量分析。

Phenomobile全自動植物表型成像機(jī)器人

 全自動植物表型成像機(jī)器人系統(tǒng)Phenomobile

該P(yáng)henomobile植物表型成像車為法國Hiphen公司自主研制，專有軟件分析系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可在2.5m寬通道運(yùn)行，遠(yuǎn)程聚焦可達(dá)12m，可向各個(gè)方向移動，測量頭高度可在1.0-4.5m之間進(jìn)行調(diào)整。Phenomobile可沿微型田塊按照預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)行，因彩頁了RTK GPS定位，精度可達(dá)厘米級。

技術(shù)參數(shù)

田間多光譜表型測量平臺

Hiphen田間物聯(lián)網(wǎng)IoT是無線傳感器的*組合，用于不間斷監(jiān)控植物和環(huán)境狀態(tài)。Hiphen解決方案之一就是實(shí)現(xiàn)田間試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。土壤和環(huán)境條件是植物生長的重要因素，Hiphen的IoT系統(tǒng)設(shè)計(jì)了各種傳感器，包括氣象、土壤條件、PAR以及RGB圖像，數(shù)據(jù)15分鐘傳輸一次。日常數(shù)據(jù)和圖像由田間IoT傳感器采集，圖像處理后，獲得的有價(jià)值變量用于試驗(yàn)決策支持。變量以易于解讀的圖表在Hiphen科學(xué)網(wǎng)站界面上顯示，每天進(jìn)行更新。

以下是采用該IoT系統(tǒng)對西紅柿NDVI植被指數(shù)、土壤濕度、土壤溫度等進(jìn)行監(jiān)測的實(shí)例

Airphen遙感植物表型分析平臺

 Airphen遙感植物表型分析平臺搭載Airphen多光譜相機(jī)、RGB成像、紅外熱成像等單元組成的近地遙感植物表型成像分析平臺，可與地面Hiphen IoT、地面環(huán)境遙感平臺、葉綠素?zé)晒忾L期監(jiān)測系統(tǒng)等組合使用，從葉片水平到冠層水平，全面、高通量、無損傷觀測分析植物表型。多光譜成像系統(tǒng)Hiphen公司中國區(qū)總代理和技術(shù)中心，博普特將為廣大客戶提供從溫室到室外、從便攜到高通量的植物表型成像產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案。

臺式多光譜植物表型成像系統(tǒng) 

VideometerLab型多光譜表型成像系統(tǒng)多光譜成像傳感器是近幾年研究用于監(jiān)測不同環(huán)境中農(nóng)作物和植被的有效工具。植物的生理學(xué)，形態(tài)學(xué)或生物化學(xué)信息可以通過非接觸的方式以及不同尺度下評估。例如，利用多光譜傳感器用于植物表型分析或農(nóng)業(yè)中的生理脅迫研究。多光譜成像傳感器是近幾年研究用于監(jiān)測不同環(huán)境中農(nóng)作物和植被的有效工具。植物的生理學(xué)，形態(tài)學(xué)或生物化學(xué)信息可以通過非接觸的方式以及不同尺度下評估。例如，利用多光譜傳感器用于植物表型分析或農(nóng)業(yè)中的生理脅迫研究。截至目前，市面上有各種非成像和成像高光譜傳感器可供選擇，這些儀器進(jìn)行測量的過程相當(dāng)復(fù)雜，高光譜數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，迫切需要波段較多的手持式多光譜表型成像系統(tǒng)，因此，現(xiàn)代化檢測及研究中對易于用戶操作的多光譜傳感器的需求日益增加。 Videometer可一致地獲得了高質(zhì)量多光譜數(shù)據(jù)。同時(shí)，Videometerlab還可以實(shí)現(xiàn)對植物表型的鑒定以及病害研究檢測等，在植物科學(xué)研究及其他領(lǐng)域具有無限可能。

1、Videometer Portable 多光譜表型成像系統(tǒng)對小植株的生理脅迫研究

通過植被指數(shù)可評估不同狀態(tài)下植被的生理結(jié)構(gòu)和功能特性，包括生物量、冠層結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)、葉綠素含量以及植物冠層的光利用效率等。研究表明，Videometer 可用于擬南芥中葉綠素（NDVI）和葉黃素（PRI）的含量的檢測，并能評估植株樣本的狀態(tài)。通過驗(yàn)證具有代表性的植被指數(shù)，可為其它植被指數(shù)的評估計(jì)算提供樣例，并為在植被研究領(lǐng)域獲得更多生理信息奠定了基礎(chǔ)。

2、Videometer對種子病害的研究

 Videometer 可對種子真菌感染，如鐮刀菌感染情況進(jìn)行研究，例如病斑所占比例等。

 3.Videometer 大麥白粉病的研究

歌本哈根大學(xué)的專家利用Videometer多光譜表型研究平臺在Frontiers in Plant　Sciences 上發(fā)表了名“Screening of Barley Resistance Against Powdery Mildew  by Simultaneous High-Throughput Enzyme Activity Signature Profiling and Multispectral Imaging”的文章，研究人員利用了Videometer公司開發(fā)的多光譜表型研究平臺，波段范圍從400-1000nm，共計(jì)10個(gè)波段。

 多光譜成像作為非接觸式的測量傳感器，在植物疾病嚴(yán)重程度與宿主植物對特定植物病原體的易感性的評估方面有很大的應(yīng)用。根本哈根大學(xué)利用Videometer設(shè)備研究利用其評估了不同大麥品種在冠層尺度上的白粉病嚴(yán)重程度，并通過多光譜成像結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法評估品種的不同疾病嚴(yán)重程度。

VideometerMR根系多光譜成像系統(tǒng)

根系是植物的重要組成部分，植物吸收土壤中的水分與養(yǎng)分全依賴根系，所以根系的研究對于植物各學(xué)科來說都至關(guān)重要，根系是陸地生態(tài)系統(tǒng)“隱藏的一半”，而且是動態(tài)生長的，對其進(jìn)行準(zhǔn)確取樣、觀察和測定存在一定困難。所以，根系研究方法的選擇，相對于對地上部分而言對研究結(jié)果具有更大的影響。 丹麥Videometer公司開發(fā)的根系多光譜原位監(jiān)測系統(tǒng)是世界目前一款根系多光譜測量系統(tǒng)，整體性能指標(biāo)處于水準(zhǔn)，已經(jīng)在丹麥歌本哈根大學(xué)使用并取得了成績。

廣大科研工作者為了研究根系，應(yīng)用了很多方法，從傳統(tǒng)的挖掘法、根鉆法、玻璃壁法、容器法等等，到現(xiàn)代的根窗法、微根管法等等，取得了很多科研成果。隨著科技的發(fā)展，越來越多的現(xiàn)代高精尖技術(shù)應(yīng)用到根系研究中來，多光譜成像技術(shù)就是其中一種，它集光譜和圖像為一體，含有海量的光譜信息和空間信息，這些信息體現(xiàn)了植物各種器官、組織的諸多表型特性，該技術(shù)圖譜合一的特性使其在根系表型方面具有較大潛力。

丹麥Videometer公司開發(fā)的根系多光譜原位監(jiān)測系統(tǒng)，是做根系研究的革新性專業(yè)裝備，無論對于淺根系蔬菜還是淺根系喬木，都具有現(xiàn)實(shí)性研究意義。目前在根系研究領(lǐng)域中，對于玉米根系和小麥根系所作的研究比較多，但大多還采用傳統(tǒng)不可重復(fù)的挖掘方法。植物根系原位監(jiān)測儀的出現(xiàn)，改變了這種情況，使得植物研究人員在對根系進(jìn)行研究的過程中，可以使用原位的方式，無損傷的進(jìn)行監(jiān)測。

根系是植物主要吸水、營養(yǎng)物等器官，通過對根系監(jiān)測和研究，能優(yōu)化水肥方案，促進(jìn)農(nóng)作物、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)增效，有利于土地荒漠化治理、土壤修復(fù)等。但長期以來，對根系研究主要是采用挖掘法、土鉆法、土柱法、容器法、剖面法等傳統(tǒng)方法，采樣破壞性大、工作量大，嚴(yán)重阻礙了根系研究的深入開展?！犊茖W(xué)》雜志曾出版專輯認(rèn)為，“人類對自己腳下土壤的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對宇宙的了解”，更是佐證了地下生態(tài)學(xué)研究難度之大。因此，對根系研究方法的選擇和改進(jìn)，對科研結(jié)果影響巨大。

丹麥根本哈根大學(xué)科學(xué)家等利用多光譜成像系統(tǒng)對植物植株、根系進(jìn)行成像研究，取得了前瞻性的成果。

該研究以深根系大麥為研究對象，將大麥下方埋了有3m長的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光譜成像系統(tǒng)，定期通過根窗透明面對根系成像分析。原始光譜圖像經(jīng)過Videometer自帶軟件一系列算法處理后得到目標(biāo)根系圖像，隨后進(jìn)行閾值分割、模糊聚類等模型分析，得到根系的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的RGB可見光成像技術(shù)是利用顏色識別根系，前提是根系和土壤之間要有比較明顯的色差，但實(shí)際根系生長在土壤中，顏色差異并不明顯，這樣根系識別可能會造成比較大的誤差，RGB可見光成像技術(shù)使用就會受限。歌本哈根將多光譜成像技術(shù)和傳統(tǒng)的RGB成像技術(shù)進(jìn)行了對比，顯示多光譜成像技術(shù)基于光譜特征在根系識別上的明顯優(yōu)勢，并且對多光譜成像另一項(xiàng)*的功能進(jìn)行了初步探討——即光譜特征對于根系生化特性的識別（例如細(xì)根發(fā)生、成熟、衰老、死亡的周轉(zhuǎn)過程；例如根際分泌物成分的變化等），顯示了多光譜成像技術(shù)在根系研究領(lǐng)域的巨大潛力。

Videometer系列多光譜成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于：植物/作物表型組學(xué)研究分析；根系分析；作物育種與種子品質(zhì)檢測；植物/作物脅迫生理響應(yīng)；作物病理學(xué)分析與病原檢測；食品檢測；中藥成分分析與品質(zhì)檢測。來自哥本哈根大學(xué)、丹麥理工大學(xué)以及丹麥Videometer公司的專家在剛剛利用該設(shè)備在Plant and Soil上發(fā)表了題為A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis的文章，早些利用該設(shè)備進(jìn)行研究的文章題為Frontiers in Plant　Sciences，Screening of Barley Resistance Against Powdery Mildew  by Simultaneous High-Throughput Enzyme Activity Signature Profiling and Multispectral Imaging。

Frauhofer植物根系計(jì)算機(jī)CT斷層掃描系統(tǒng)

基于X光的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域，如制藥、納米科學(xué)、材料科學(xué)以及植物科學(xué)等領(lǐng)域。得益于X光CT技術(shù)，在農(nóng)業(yè)以及植物科研進(jìn)展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無損、無干擾測量植物根系統(tǒng)成為可能，也使得植物生長期間對下游復(fù)雜機(jī)制的研究成為可能。到目前為止，已經(jīng)采集到大量植物CT掃描數(shù)據(jù)，但如何有效、對其進(jìn)行分析，還面臨著挑戰(zhàn)。科研人員經(jīng)過對植物根系3D CT斷層掃描的有效的統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算方法進(jìn)行了回顧?；趫D像的植物根系分析方法劃分如下 (1) 根分區(qū)切割，例如，（1）將根系與非根背景區(qū)分；(2)根系統(tǒng)重建；(3) 提取高層級表型性狀。

在設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域，德國Frauhofer研究院毫無疑問處于執(zhí)牛耳的位置，專門成立的植物表型研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了系列適用植物科學(xué)研究的計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)，如便攜式計(jì)算機(jī)掃描系統(tǒng)，臺式高精度計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及落地式大成像面積計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及高通量根系表型斷層掃描系統(tǒng)。

北京博普特科技有限公司擁有全面植物表型成像產(chǎn)品和系統(tǒng)解決，致力于為植物表型組學(xué)發(fā)展提供全面、的一站式解決方案。