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PlantScreen 植物表型成像分析技術助力科研設備以舊換新
發布時間： 2025-05-14 點擊次數： 738次隨著基因組學研究的發展，與之對應的表型組學研究從21世紀10年代初逐漸成為生物學研究的熱點之一。從科學研究角度，表型組學研究能夠解釋基因組-環境-表型性狀的復雜遺傳與表達調控關系；從農業生產角度，植物表型組學則可以進一步提高作物產量并助力解決種質資源安全問題。因此，近十余年間，表型組學尤其是植物表型組學的研究得到了飛速的發展。
PCR技術和基因測序技術推動了基因組學研究的發展，甚至可以說構成了基因組學研究基礎的一部分。與之類似，植物表型組學研究也需要相應的植物表型研究技術來助力。與之相關的研究工作需要對兩方面的技術支持：
首先，對復雜的植物生長環境的監測與控制，用以模擬各種不同的環境條件來研究植物的反應。這方面需要的植物生長氣候室、智能溫室等技術已經較為成熟。
之后就要對大量植株的各種特征和性狀即表型組進行鑒別與分析。尤其需要實現對植物的無損、連續測量，以跟蹤植物的整個生活史，同時，獲取的表型數據要能夠反映植物深層次的生理過程。要實現這一點，目前技術方案就是植物表型成像分析技術。
PlantScreen植物表型成像分析技術在國際基因組學與遺傳育種研究機構、育種公司的得到廣泛應用，發表了大量學術論文和科研成果。國際上一些早期裝備了其它植物表型系統的科研單位，后來又采用PlantScreen技術升級原有系統或者直接購買最新型的PlantScreen系統，如德國萊布尼茨植物遺傳和作物研究所（Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research，IPK）在早年間安裝有三套來自于其他品牌型號的植物表型平臺，但這些平臺都不能進行調制式葉綠素熒光成像，其廠家也不具備進行升級的技術能力。2016-2017年間IPK為這三套系統升級了PlantScreen專用的FluorCam調制式葉綠素熒光成像單元以及配套的光適應室，而且葉綠素熒光成像單元可以與原有系統良好兼容，完成高通量光合表型測量。這一更新升級使其原來的表型系統補齊短板，煥發新生。這3套升級系統一直運行至今，利用升級后的FluorCam葉綠素熒光成像單元已發表不少于10篇SCI論文。
IPK發表的部分引用文獻：
1. Tschiersch H, Junker A, Meyer R C, et al. Establishment of integrated protocols for automated high throughput kinetic chlorophyll fluorescence analyses[J]. Plant Methods, 2017, 13: 1-16.
2. Li M, Hensel G, Melzer M, et al. Mutation of the ALBOSTRIANS ohnologous gene HvCMF3 impairs chloroplast development and thylakoid architecture in barley[J]. Frontiers in plant science, 2021, 12: 732608.
3. Lauterberg M, Tschiersch H, Papa R, et al. Engaging precision phenotyping to scrutinize vegetative drought tolerance and recovery in chickpea plant genetic resources[J]. Plants, 2023, 12(15): 2866.
4. Lauterberg M, Tschiersch H, Zhao Y, et al. Implementation of theoretical non-photochemical quenching (NPQ (T)) to investigate NPQ of chickpea under drought stress with High-throughput Phenotyping[J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 13970.
2024年初，國務院印發《推動大規模設備更新和消費品以舊換新行動方案》。其中明確提出“提升教育文旅醫療設備水平。推動符合條件的高校、職業院校（含技工院校）更新置換先進教學及科研技術設備，提升教學科研水平"。2025年1月，國家發展改革委、財政部再次發布《關于2025年加力擴圍實施大規模設備更新和消費品以舊換新政策的通知》，將支持范圍進一步擴展至電子信息、安全生產、設施農業等領域，重點支持智能化、綠色化設備應用。
在植物表型組學科研領域，這也意味著國內科研單位可以通過國家以舊換新政策支持，像IPK這樣升級更新自己原有的表型平臺，進一步增強基因組-表型組相關研究能力，著力解決種質資源“卡脖子"問題。
經過十多年不懈的改進與研發，PlantScreen植物表型成像技術已經得到了植物表型組學研究者的廣泛認可，全球安裝量超過60套，其核心的各種表型成像傳感器更是代表了目前植物表型成像技術的水平，具體請見下表：
基于這些成像傳感器技術，PlantScreen設計了多種運行平臺方案，以滿足不同用戶的實際需求。下面我們結合實際安裝案例與研究成果來一一介紹。您可以從中挑選適合的以舊換新方案。
一、PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統
PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統是目前功能全面安裝數量最多的PlantScreen型號。這一系統基于Plant-to-Sensor（PTS）運行模式，一般安裝與溫室或人工氣候室中，分為植物培養區和成像區兩個部分。植物樣品放置于貼有二維碼的樣品盆中，通過傳送系統自動在兩個區域間運轉。通過預設程序，實現自動化的培養與表型成像測量，結合自動稱重澆灌單元，理想情況下可以實現植物全生活史的無人值守自動培養與測量。這一系統既可用于測量擬南芥、煙草等模式植物，也可用于測量玉米、水稻等作物，番茄、生菜、西瓜等水果蔬菜，乃至松樹、椰子等苗木。
正式測量前，樣品先經過專門的適應室進行預適應處理，以消除不同培養位置細微差異可能造成的測量誤差。成像區則根據傳感器類型分為多個專用成像室。成像室的設計可以使樣品可順序進行測量，測量速度快；盡量消除環境干擾，數據精確度高；可同時進行頂端和側面成像。樣品在各成像室之間轉移與測量也都由系統自動完成。
引用文獻：
1. Wen Z, et al. 2019. Chlorophyll fluorescence imaging for monitoring effects of Heterobasidion parviporum small secreted protein induced cell death and in planta defense gene expression. Fungal Genetics and Biology 126: 37-49
2. Abdelhakim L O A, Pleska?ová B, Rodriguez-Granados N Y, et al. High Throughput Image-Based Phenotyping for Determining Morphological and Physiological Responses to Single and Combined Stresses in Potato. J. Vis. Exp, 2024, 208: e66255.
二、PlantScreen SC(Self-Containing) 植物表型成像分析系統
PlantScreen SC植物表型成像分析系統為應荷蘭瓦格寧根大學NPEC需求專門開發的。這一系統相當于將PlantScreen傳送帶版高通量系統的成像區獨立出來并改進成一套能自行工作的系統。該系統對安裝環境要求大大降低，可在溫室、步入式植物培養箱、甚至一般實驗室中使用，同時配備萬向輪，可以在各個使用場景間移動。用戶僅需將樣品托盤放置在系統的樣品加載位，系統即可自動完成包括RGB、葉綠素熒光、紅外熱成像等所有表型數據的成像測量。日常使用與維護工作都更加簡便。
引用文獻：
1. Theeuwen T P J M, Wijfjes R Y, Dorussen D, et al. Species-wide inventory of Arabidopsis thaliana organellar variation reveals ample phenotypic variation for photosynthetic performance. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121(49): e2414024121.
2. Langan P, Cavel E, Henchy J, et al. Evaluating waterlogging stress response and recovery in barley (Hordeum vulgare L.): an image-based phenotyping approach. Plant Methods, 2024, 20(1): 146.
三、PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統
PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統基于Sensor-to-Plant運行模式設計，無需樣品傳送帶，也不設置成像室。所有成像傳感器均安裝與一個掃描成像平臺上。這個掃描成像平臺通過機械裝置可以在XYZ三個方向自由移動，根據下方樣品的位置、高度自動調整并測量。這一系統的優點在于樣品可以種植在樣品盆中，也可直接種在土壤中，還可以進行水培。系統的大小可靈活定制，既可安裝在大型溫室中，也可以用于小型培養室或步入式培養箱。
引用文獻：
1. Kumar P, et al. 2021. Molecular Mapping of Water-Stress Responsive Genomic Loci in Lettuce (Lactuca spp.) Using Kinetics Chlorophyll Fluorescence, Hyperspectral Imaging and Machine Learning. Front. Genet. 12:634554
2. Simko I, Zhao R. Phenotypic characterization, plant growth and development, genome methylation, and mineral elements composition of neotetraploid lettuce (Lactuca sativa L.). Frontiers in Plant Science, 2023, 14: 1296660.
3. Adhikari N. D, Simko I, Mou B. 2019. Phenomic and Physiological Analysis of Salinity Effects on Lettuce. Sensors 19, 4814.
4. Ugena L, et al. 2018. Characterization of Biostimulant Mode of Action Using Novel Multi-Trait High-Throughput Screening of Arabidopsis Germination and Rosette Growth. Front. Plant Sci. 9:1327
四、PlantScreen緊湊式植物表型成像分析系統
PlantScreen緊湊式植物表型成像分析系統將表型成像測量、LED光照培養和自動稱重澆灌等功能融為一體，實現對擬南芥、小株煙草、作物/蔬菜幼苗的自動培養與連續表型測量。成像室與培養室由自動控制的氣動門隔開，多個樣品托盤根據設定程序，由傳送帶從培養室依次進入成像室測量，測量完畢后再回到培養室原位置。這一系統占地面積較小，對安裝條件要求不高，可安裝在一般實驗室或培養室中。
引用文獻：
1. Flütsch S, et al. 2020. Glucose uptake to guard cells via STP transporters provides carbon sources for stomatal opening and plant growth. EMBO Reports 21:e49719
五、PlantScreen植物根系表型成像分析系統
為解決地下根系表型測量，PlantScreen在高通量傳送帶式系統基礎上設計了專門的根系表型成像分析系統。這一系統配備專用的根盒，通過透明根窗來對根系形態與生長動態進行測量。在不需要測量的時候，通過擋板遮蓋住根窗，防止外界光線對根系生長造成影響。根盒配備3層定位（頂部、中部、底部）根系澆灌單元，實現對根系的均勻澆灌。系統可同時對地上部植株進行RGB、葉綠素熒光等表型成像測量分析，實現植物地上地下的表型測量。
引用文獻：
1. Ebrahimi Naghani S, ?meringai J, Pleska?ová B, et al. Integrative phenotyping analyses reveal the relevance of the phyB-PIF4 pathway in Arabidopsis thaliana reproductive organs at high ambient temperature. BMC Plant Biology, 2024, 24(1): 721.
六、PlantScreen野外移動式表型成像分析系統
為了對野外植物與大田作物進行原位表型測量，PlantScreen將XYZ系統的表型掃描平臺安裝在各種野外機動平臺，包括手動平臺、電動助力平臺、拖拉機平臺以及自動掃描平臺。掃描平臺高度可根據植物高度進行調整，從而適用于各種不同的植物樣品。這一系統也可以部署到溫室甚至實驗室中進行相關表型測量。
引用文獻：
1. Stefański P, Rybka K, Matysik P. Phenotyping of winter triticale canopy density in field conditions using an RGB camera[J]. Biuletyn Instytutu Hodowli I Aklimatyzacji Ro?lin, 2024
七、PlantScreen全自動高通量瓊脂培養植物表型成像分析系統
PlantScreen全自動高通量瓊脂培養植物表型成像分析系統是一套專門為瓊脂平板培養植物進行自動接種、培養與表型成像分析的系統。該系統為全自動機器人操作，包括傾倒瓊脂、播種、層積催芽、接種、成像分析全自動運行。可容納2160個特制培養皿的全自動全流程高通量表型分析。系統由具備GMO（轉基因生物）控制區的環控室（可選配）、操作臺、培養柜（包括層積催芽柜）、機器人及成像工作站等組成，可進行根系形態成像分析、GFP等熒光蛋白成像分析、葉綠素熒光成像分析、多光譜成像分析、高光譜成像（透射光）分析及熒光高光譜成像分析等。
八、PlantScreen藻類表型成像分析系統
由于藻類樣品的特殊性，對藻類進行表型成像分析需要進行專門的設計。PlantScreen藻類表型成像分析系統專門用來對多孔板中的藻類樣品進行表型測量。系統包括藻類自動培養、樣品加注、葉綠素熒光成像與高光譜成像等功能。樣品多孔板的轉運都通過機器人完成，從而實現無人值守的高通量藻類表型自動測量。
易科泰生態技術公司致力于“生態、農業、健康"科學研究與監測/檢測技術方案推廣、研發與應用服務，為國內高校科研與生產應用提供各種定制化的葉綠素熒光與植物表型成像技術方案，助力本次設備更新與升級，已協助數十家科研單位完成了葉綠素熒光成像、種質資源檢測、植物表型成像分析、光合儀等科研設備的以舊換新項目。
作為PlantScreen植物表型成像技術的中國技術推廣與服務中心，僅2023年初至2025年初兩年間，易科泰已為國內科研單位安裝了8套各種型號的PlantScreen植物表型成像系統。這些系統已經助力相關單位取得了初步的科研成果。
上面我們介紹了目前PlantScreen系統的各種型號功能、部分安裝案例與科研成果。由于篇幅所限，內容都較為簡單。歡迎各位老師與易科泰聯系咨詢，索取詳細介紹、用戶目錄、科研文獻等。
同時，易科泰還可以提供各種具備自主知識產品的國產化植物表型成像平臺與技術方案。使用的表型傳感器技術可比肩PlantScreen，成像平臺則更加靈活多樣，可為用戶量身打造，實現科研技術水平、費用和安裝場地空間的優化。
w PhenoTron®系列植物表型成像分析平臺，自動傳送版、XYZ三維自動掃描成像版，或其它客戶定制系統
w FluorTron®多功能高光譜成像分析系統、FluorTron®光合表型成像分析系統
w PhenoTron®一體式智能LED培養與表型在線檢測復式平臺，適于組織培養、種子萌發及種苗表型分析、光生物學研究，為植物提供最佳光配方
w PhenoTron-SR，From shoots to roots，植物根系與種苗（土壤以上部分）高通量表型成像分析
w PhenoPlot®作物表型成像分析平臺，基于易科泰近地遙感技術，輕便型或大型懸浮雙軌平臺，適于大田或溫室作物原位表型成像分析
w RhizoTron®植物根系多功能高光譜成像分析系統
w 大田機器人表型成像分析系統
w Thermo-RGB紅外熱成像與可見光數據融合技術方案
心動不如行動，歡迎各位老師與易科泰聯系咨詢！