PlantScreen 植物表型成像分析平台应用案例

PlantScreen

一、植物表型组学与PlantScreen 植物表型成像分析技术

自 20 世纪 90 年代初以来，生命科学领域出现了最为引人注目的“组学”新概念和新学科，如基因组学（genomics ）、转录组学（transcriptomics ）、蛋白质组学（proteomics ）和代谢组学（metabolomics ）等。伴随各种组学的不断兴起和发展，90年代末，人们提出了表型组（phenome ）和表型组学（phenomics ）的概念。2013年Monya Baker 在《Nature 》发表文章“THE ‘OMES PUZZLE ”将表型组学称为“前景光明（Aspiring ）”的组学研究项目[1]。

表型组定义为：在细胞、组织、器官、生物体或

种属水平上表现出的所有表型的组合。表型组学可定

义为一门在基因组水平上系统研究某一生物或细胞

在各种不同环境条件下所有表型的学科[2]

DNA 芯片技术的进一步完善，为植物功能基因

组学研究提供契机[3]。而之前植物表型组学一直缺乏

合适的研究仪器，研究者不得不使用传统方法来获取

表型组学的海量数据。随着近几年FluorCam 叶绿素

荧光成像技术、RGB 彩色成像分析技术乃至集合了

多种最先进表型成像分析技术和植物自动培养技术

的PlantScreen 植物表型成像分析技术逐渐成熟，直

接促进了植物表型组学的发展，同时为基因组、蛋白

组、代谢组及表型组数据进一步整合起来研究提供了

新的挑战和可行性。关于FluorCam 叶绿素荧光成像

技术与RGB 彩色成像分析技术在表型组学中的应用，

请见：

植物表型组学研究技术（一）——FluorCam 叶

绿素荧光成像技术

植物表型组学研究技术（二）——叶绿素荧光成

像与 RGB 彩色成像分析系统

PSI 公司在功能强大的FluorCam 叶绿素荧光成像技术基础上，结合LED 植物智能培养、自动化控制系统、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、自动条码识别管理、RGB 真彩 3D 成像、自动称重与浇灌系统等多项先进植物表型技术，开发出了PlantScreen 植物表型成像分析系统。这一大型系统切合国际最新的植物表型组学研究，以最优化的方式实现了拟南芥、小麦、水稻、玉米乃至 目前各种热门与不热门的组学项目，表型组(phenome)被认为是“前景极为光明的”[1]

各种其它植物的全方位生理生态与形态结构高通量自动成像分析，用于高通量植物表型成像分析测量、植物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。

表型组学借助这些高通量的表型分析技术和平台与基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学结合在一起，已成为系统生物学的主要技术平台，应用于复杂的生命系统的研究。目前已经装备PlantScreen 植物表型成像分析系统的大学、科研单位与大型跨国育种公司有：

&

巴斯夫公司CropDesign

目前，植物生理学研究已经发展到了在全基因组测序的基础上，对特定基因型进行高通量的定量表型研究。通过对表型和基因型的对照研究鉴定并预测可遗传的性状。现代技术的发展也为科学家达到这一目标提供了支持。但是现在的挑战是：1.如何将这些技术整合起来，建立用于不同植物物种的表型平台；2.缩小实验室与野外研究的差距。

澳大利亚国立大学、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）植物表型组学中心和PSI公司合作建设了高通量表型（High throughput phenotyping，HTP）研究平台[4]。将HTP与全基因组关联研究（genome wide association studies，GWAS）整合起来，有可能会革命性地提高性状的发现率和表型的预测。这一表型平台即为PlantScreen植物表型成像分析系统。

图1.（a）多波段LED提高不同的光质与光强；（b）量化叶绿素荧光和绿色像素表型；（c）GWAS分析；（d）PSI提供的PlantScreen植物表型成像分析系统[4]

这一套PlantScreen植物表型成像分析系统能进行环境条件可控的植物培养，并实时进行可见光谱（RGB）成像、热成像和叶绿素荧光成像分析（也可以增加其他成像分析功能如近红外成像、高光谱成像）。实时分析增加了实验分辨率，例如，成像分析设定可以最优化改善遗传相关性。此外，在关键时间点的成像数据可以进一步探索遗传相关性，多余的数据可以删除掉从而提高通量（图1）。

植物结构功能模型（Functional structural plant models，FSPMs，图2）传统上用于模拟环境条件驱动

的植物生理过程是如何控制影响植物反应与生长的。

量大量的表型数据。这些植物生长的表型数据与环境数据才能使FSPMs实现参数化。这在进行大田条件研究之前是极为重要的测试阶段。

图2.（a）植物功能模型，包含环境因素；（b）结构模型，包含植物株型；两者用于根据环境与遗传变量预测植物表

型[4]

澳大利亚国立大学的科学家希望以后这套系统可以发展成模块化、可扩展的设计方式，从而用于表型组学研究设施、小型实验室和野外实验站。现在，PSI公司已经可以根据用户需求，灵活提供多种型号的表型分析系统，满足不同条件下的研究工作。这在植物表型组学研究技术（一）——FluorCam叶绿素荧光成像技术与植物表型组学研究技术（二）——叶绿素荧光成像与RGB 彩色成像分析系统中都有详细介绍。

三、PlantScreen用于植物逆境表型研究

2013年，帕拉茨基大学即装备了两套PlantScreen植物表型成像分析系统（图3）。

一套为可同时培养1200个拟南芥标准盆的PlantScreen XYZ三维移动成像版植物表型成像分析系统。它的叶绿素荧光成像单元、可见光谱（RGB）成像单元和VIS-NIR高光谱成像单元安装在机械臂上，可自动移动到要测量的植物上方进行测量。另一套为PlantScreen植物自动传送版表型成像分析系统，可对640株拟南芥、谷物或其他作物进行表型分析。培养的植物可以经过传送带运输到成像室进行叶绿素荧光成像、可见光谱（RGB）成像单元、热成像和SWIR高光谱成像分析，同时具备自动称重与浇灌功能[5]。