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高通量植物表型成像平台的发展

发表时间:2018-11-30 09:37:41点击:3944

来源:北京博普特科技有限公司

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    表型是指基因型和环境决定的形状、结构、大小、颜色等生物体的外在性状。表型组又是指某一生物的全部性状特征,不仅仅局限于农艺性状,还应较加关注植株所表现出来的生理状态。随着多数代表植物全基因组测序的结束,科研人员越来越认识到植物表型研究的重要性,并将其提到的“组学”的高度。植物表型组学是研究植物的生长、表现和组成的科学,它的研究可以从小至核苷酸序列细胞,大至组织、器官种属群体的表型来研究分析,并且可以进一步整合到基因组学研究中;而从系统生物学角度来看,从基因组到转录组、蛋白质组、代谢组以及表型组,表型组是各种组的表现形式。植物表型参数的分析与育种息息相关。传统的表型数据的获取主要是通过手工测量和照相后软件分析进行。随着图像采集、网络传输技术、图像处理等技术的发展,植物表型监测技术的实际研究与应用日益得到重视.为了从整体上梳理植物表型监测技术的研究成果和存在问题,有效地推动植物表型监测技术发展和农业现代化进程,本研究介绍了植物表型监测技术的国内外研究进展,同时归纳了现阶段比较先进的植物表型平台产品,分析了其技术组成。随着图像采集、网络传输技术、图像处理等技术的发展,植物表型监测技术的实际研究与应用日益得到重视.为了从整体上梳理植物表型监测技术的研究成果和存在问题,有效地推动植物表型监测技术发展和农业现代化进程,本研究介绍了植物表型监测技术的国内外研究进展,同时归纳了现阶段比较先进的植物表型平台产品,分析了其技术组成。

    手工测量可以获取植物直径、叶长、叶片数目等指标,照相后软件分析或通过叶面积仪可以获取植物的叶长、叶宽、叶面积、叶倾角等指标。这些测量都需要花费大量时间,测量结果准确性较低,工作繁琐,工作量大,这些缺点大大限制了大规模遗传育种筛选的效率。这些传统方法都只能获得植物表型的部分指标,优良株型的选择等也只能依靠科研人员经验选择,而每个人的选择标准不同,甚至差异很大,造成没有办法统计。鉴于大量的植物表型组学数据,表型信息的联用对功能基因组学的研究意义巨大,必须要依托准确科学的高通量植物表型成像平台去完成工作。

    基因型、表型和环境三者构成了遗传学研究的铁三角,人类在很早之前就根据自己的需要有意识的驯化动植物,而对于动植物表型的考察历史要远远早于对基因型的研究。随着现代分子生物学 的发展,基因型研究得到了迅猛发展,尤其是近年来随着高通量测序技术的应用,测序成本的不断降低,大量动植物的基因组得以破译,基因组学和转录组学得到了空前发展。同时质谱、色谱技术的发展也带动了蛋白质组学和代谢组学等各种组学的发展。然而,由于表型本身的复杂性和动态变化,研究者通常只专注于少数几个表型,进行静态粗略的研究,而且传统的表型调查效率很低,不同调查者具有主观性,导致不同调查人员的调查结果误差很大;同时由于表型研究技术发展相对滞后,导致表型研究严重滞后于各种组学研究。传统的表型检测手段已经成为制约植物基础生物学研究包括遗传、基因功能研究、生理等的主要限制因素。为充分挖掘基因组、转录组和蛋白质组等各种组学的信息以动植物育种的效率,加快高通量、高分辨率的表型研究显得尤为重要。表型组学是研究生物体表现型特征的学科,利用目标群体详细的表型信息结合生物的基因型将为功能基因组学研究提供坚实的基础,现已经应用于复杂的生命系统研究中。表型组学较早于1996年提出,但相关研究呈逐年上升趋势,这说明人们已经越来越意识到加快表型组学研究的重要性。

    WIWAMconveyor高通量植物表型成像平台是一款集成机器人解决方案,用于高通量可重复表型平台,用于大型植物如玉米。该机器人可进行自动灌溉,允许定期对多种植物生长参数测量。WIWAM Conveyor高通量植物表型成像平台代替了很多手工操作,省时省钱,精度高。该WIWAM机器人传送带网络组成,可将植物传送到1或多台称重浇水站以及成像柜,成像柜中安装有一系列的非损害性照相系统。全套系统可以安装在现有温室,由高品质工业部件构成。典型应用是植物种植在不同各自花盆内。这些花盆在传送带系统上以小车运输。花盆和小车均有少有识别码(分别QR和RFID码),从其固定生长区域传送到称重和灌溉站以及成像柜,都可对每植株进行个性处理。成像平台是封闭区域,配有适合照像的光照条件,配有旋转平台提升装置,可从观察角度稳定获得图像,聚焦远处感兴趣部分。成像柜可以容纳一系列照相系统,用于非损害性图像获取。称重和灌溉站位置,植物在浇水时旋转,以在花盆获得较佳水分布。灌溉精度较高可达+/-1mL。浇水后,可应用指定容器中准备好的不同溶液。另外,灌溉可以基于对目标重量计算或固定量。这方法可以保证在整个实验中的有效土壤湿度水平。通过集成光、温度和湿度传感器监控环境,详细记录实验生长条件。 

    该系统的精明之处在于包括1个处理区,系统可以提取和检索所需号码的属于特定基因组或处理的植株。系统用户可进入操作区,可视觉观察植物或手工操作植物,如测量特定植物性扎状,或提取部分植物做分子或化学分析。系统另外一精明特征是可将外部植物装载到系统中,例如生长在另外一间温室或生长箱中的植物,可将其在称重和灌溉站成像或处理。

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