PlantScreen野外高通量植物表型分析平臺

——Field-basedHigh-throughput PhenotypingPlatForm

建立對野外生長植物迅速、準確、高通量非損傷多性狀表型分析能力，是21世紀作物遺傳育種面臨的**挑戰（Andrade-Sanchez etal.2014，Furbank and Tester 2011， Houle et al. 2010）。野外高通量植物表型分析平臺對遺傳學、生物技術、作物育種，及作物對氣候變化、土壤、耕作管理的響應研究監測等，特別是現代農業、智慧農業都具有無比重要的意義。

功能特點：

1) 大型多功能成像平臺，集成了葉綠素熒光成像、RGB成像、紅外熱成像、LiDAR、高光譜成像等各種先進高端傳感設備，全面分析：

a) 結構性狀表型分析（RGB成像及LiDAR）

b) 功能表型分析（葉綠素熒光成像）

c) 性狀與生長評估（RGB成像及LiDAR）

d) 光合作用表現（葉綠素熒光成像）

e) 生物脅迫與非生物脅迫響應（葉綠素熒光成像、高光譜成像、紅外熱成像）

f) 生理生態表現包括光合生理、氣孔動態、生化代謝指標等等（葉綠素熒光成像、高光譜成像、紅外熱成像）

2) 可安裝在拖拉機上進行移動式自動成像分析，也可安裝在專用自動運行平臺上進行自動掃描成像分析

3) 表型分析大數據平臺，包括系統控制、數據采集、數據處理分析與可視化在線顯示、數據庫等

4) 可選配基于無人機技術（UAV-based）的PhenoUAS無人機高通量表型分析平臺，使基于地面的表型分析scalling-up到空中大區域快速表型分析

5) 可選配土壤氣象監測站，全面分析環境條件與表型性狀的關系

主要技術指標：

1. 葉綠素熒光成像分析（標配）：620nm脈沖測量光、白色光化學光和**飽和光閃、735nm紅外光用于測量Fo’等，可選配GFP成像測量；單幅成像面積35x35cm；成像測量參數包括Fo， Fm， Fv， Fo’， Fm’， Fv’， Ft， Fv/Fm， Fv’/Fm’， Phi_PSII， NPQ， qN， qP， Rfd等葉綠素熒光參數

2. RGB成像分析（標配）：可對植物的形狀、顏色綠度等進行成像分析，分辨率5Mpx，并可自動對植物花朵數量、水稻分蘗等進行統計分析，主要分析測量參數包括：

1) 葉面積（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate）及其動態變化

2) 植物緊實度／緊密度（Solidity/Compactness. Ratio between the area covered by the plant’s convex hull and the area covered by the actual plant）

3) 葉片周長（Leaf Perimeter: Particularly useful for the basic leaf shape and width evaluation (combined with leaf area)）

4) 偏心率（Eccentricity: Plant shape estimation， scalar number， eccentricity of the ellipse with same second moments as the plant (0...circle， 1...line segment)）

5) 葉圓度（Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness）

6) 葉寬指數（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）

7) 葉片細長度SOL (Slenderness of Leaves)

8) 植物圓直徑（Circle Diameter. Diameter of a circle with the same area as the plant）

9) 凸包面積（Convex Hull Area. Useful for compactness evaluation）

10) 植物質心（Centroid. Center of the plant mass position (particularly useful for the eccentricity evaluation)）

11) 扁平指數（Flattening index）

12) 相對生長速率（Relative growth rate）

13) 綠度指數與分級分析（暗綠、健康綠、淺綠等）

14) 顏色分級與分區分析（Color segmentation for plant fitness evaluation）

15) 其它性狀與顏色分級動態分析

3. 3D激光掃描分析（選配）：用于植物結構表型分析，通過點云模型自動分析計算各種形態結構參數

4. 紅外熱成像分析（選配）：成像面積35x35cm，用于成像植物在光輻射情況下的冠層溫度分布，并分析植物的氣孔導度動態、干旱脅迫及抗干旱能力評估等，良好的散熱可以使植物耐受較長時間的高光輻射或低水條件（干旱）

5. 高光譜成像分析（選配），可成像并分析歸一化指數（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）簡單比值指數（Simple Ratio Index， Equation: SR = RNIR / RRED）、改進的葉綠素吸收反射指數（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1)， ?Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）、優化土壤調整植被指數（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI)?， Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）、光化學植被反射指數（Photochemical Reflectance Index (PRI)， Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）等

6. 野外自動運行平臺：平臺臂12m跨度可自動掃描12m寬度樣方，平臺高度2.5m，配備GPS系統（精度達厘米級），通過軟件自動記錄測量數據、位置、時間等，可由柴油發電機提供動力驅動整個平臺移動

7. 可選配環境測量系統，自動監測記錄PAR、環境CO2濃度、空氣溫濕度及風速、土壤水分等。

8. 系統控制與數據采集分析系統（表型大數據平臺）：

1) 用戶友好的圖形界面

2) GPS定位功能可進行空間分布信息及時空分布格局分析

3) 用戶定義、可編輯自動測量程序（protocols）

4) MySQL數據庫管理系統，可以處理擁有上千萬條記錄的大型數據庫，支持多種存儲引擎，相關數據自動存儲于數據庫中的不同表中

5) 可用默認程序進行所有測量，也可通過開發工具創建自定義的工作過程，或者手動操作LED光源開啟或關閉、RGB掃面成像、葉綠素熒光成像等

6) 實驗程序（Protocols）具備起始鍵、終止鍵、暫停鍵

產地：歐洲PSI