植物表型組學(xué)概念和測量方法討論

說到育種不得不提到“表型”的概念，在生物學(xué)和遺傳育種領(lǐng)域，特別是作物育種領(lǐng)域，表型是指基因型和環(huán)境決定的形狀、結(jié)構(gòu)、大小、顏色等生物體的外在性狀。表型組又是指某一生物的全部性狀特征，不僅僅局限于農(nóng)藝性狀，還應(yīng)更加關(guān)注植株所表現(xiàn)出來的生理狀態(tài)。隨著多數(shù)代表植物全基因組測序的結(jié)束，科研人員越來越認(rèn)識到植物表型研究的重要性，并將其提到的“組學(xué)”的高度。植物表型組學(xué)是研究植物的生長、表現(xiàn)和組成的科學(xué)，它的研究可以從小至核苷酸序列細(xì)胞，大至組織、器官種屬群體的表型來研究分析，并且可以進(jìn)一步整合到基因組學(xué)研究中；而從系統(tǒng)生物學(xué)角度來看，從基因組到轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組以及表型組，表型組是各種組的表現(xiàn)形式。因此，植物表型組學(xué)的研究將是涉及植物各個(gè)方面的研究領(lǐng)域。

植物表型參數(shù)的分析與育種息息相關(guān)。傳統(tǒng)的表型數(shù)據(jù)的獲取主要是通過手工測量和照相后軟件分析進(jìn)行。手工測量可以獲取植物直徑、葉長、葉片數(shù)目等指標(biāo)，照相后軟件分析或通過葉面積儀可以獲取植物的葉長、葉寬、葉面積、葉傾角等指標(biāo)。這些測量都需要花費(fèi)大量時(shí)間，測量結(jié)果準(zhǔn)確性較低，工作繁瑣，工作量大，這些缺點(diǎn)大大限制了大規(guī)模遺傳育種篩選的效率。此外，國內(nèi)目前采用的這些傳統(tǒng)方法都只能獲得植物表型的部分指標(biāo)，優(yōu)良株型的選擇等也只能依靠科研人員經(jīng)驗(yàn)選擇，而每個(gè)人的選擇標(biāo)準(zhǔn)不同，甚至差異很大，造成沒有辦法統(tǒng)計(jì)。鑒于大量的植物表型組學(xué)數(shù)據(jù)，表型信息的聯(lián)用對功能基因組學(xué)的研究意義巨大，必須要依托準(zhǔn)確科學(xué)的高通量植物表型平臺去完成工作。

隨著自動化技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)在表型領(lǐng)域的應(yīng)用，高通量、精準(zhǔn)高效的植物表型測定技術(shù)已得到日新月異的發(fā)展。高通量植物表型平臺是一種未來化“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”技術(shù)，它是遺傳學(xué)、傳感器以及機(jī)器人的結(jié)合體。它可被用于研發(fā)新的作物品種，或提高作物營養(yǎng)含量、耐抗旱以及抗病蟲害的能力。高通量植物表型平臺技術(shù)可以采用多個(gè)傳感器測量植物的重要物理數(shù)據(jù)，比如結(jié)構(gòu)、株高、顏色、體積、枯萎程度、鮮重、花/果實(shí)的數(shù)目等。這些都屬于表型特征，也是植物遺傳代碼的物理表達(dá)�？茖W(xué)家可以將這些數(shù)據(jù)與特定植物的已知遺傳數(shù)據(jù)對比,將基因型-表型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，從而達(dá)到高級遺傳育種之目的。

高通量植物表型平臺包括溫室型和田間型。

溫室型高通量植物表型平臺一般包括植物傳送系統(tǒng)和成像單元兩部分。植物種在花盆中，每個(gè)花盆有唯一的“身份證號”，根據(jù)程序設(shè)置傳送到成像單元進(jìn)行表型成像。在過去多采用工業(yè)無塵車間的物流系統(tǒng)來傳送植物，但這種工業(yè)物流系統(tǒng)到了溫室中會遭遇高濕、高溫、水濺出、土濺出等惡劣條件，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)故障。

現(xiàn)在國際上主流的表型平臺供應(yīng)商都已采用了捷克PSI的溫室物流系統(tǒng)來傳送植物。這種溫室物流系統(tǒng)本身就是為溫室內(nèi)工作而設(shè)計(jì)的，堅(jiān)固耐用，制造成本和維護(hù)成本都大大低于工業(yè)物流系統(tǒng)。

對于成像單元而言，目前在技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可見光成像、近紅外成像、紅外（熱）成像、高光譜成像、穩(wěn)態(tài)熒光成像、非調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上�、根系CT成像、三維激光掃描等功能。

這其中，可見光成像是植物表型分析的核心。

近紅外成像和紅外（熱）成像由于能夠測量植物水分和干旱狀態(tài)而一度在表型平臺建設(shè)上廣受追捧，但當(dāng)系統(tǒng)真正運(yùn)行時(shí)才發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)成像單元的像素只有640x480，根本不能滿足整株植物分析的需要。

高光譜成像理論上可以獲取很多植物內(nèi)在的信息，但目前在技術(shù)上對數(shù)據(jù)的解析能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，再加上造價(jià)昂貴，因此也鮮有人問津。

穩(wěn)態(tài)熒光成像曾經(jīng)作物一個(gè)獨(dú)立的成像單元存在過，但在數(shù)據(jù)分析中沒有實(shí)際價(jià)值而成為雞肋，PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)整合了葉綠素?zé)晒鈩恿�學(xué)成像、植物形態(tài)學(xué)和RGB真彩3D成像、植物熱成像、植物高光譜成像、植物NIR成像、自動水分和施肥管理、自動稱重、成像室內(nèi)環(huán)境控制、自動成像系統(tǒng)、植物傳輸系統(tǒng)、自動條形碼識別管理、植物圖像控制軟件和植物表型數(shù)據(jù)分析等系統(tǒng)，用于植物高通量表型成像分析測量、植物脅迫響應(yīng)分析測量、植物生長分析測量、植物生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。

對于田間植物表型平臺而言，而行走式表型平臺包括人工驅(qū)動行走和自動行走等多種模式，可以配置多種成像單元，PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)整合了葉綠素?zé)晒鈩恿�學(xué)成像、植物形態(tài)學(xué)和RGB真彩3D成像、植物熱成像、植物高光譜成像、植物近紅外成像、自動條形碼識別管理、植物圖像控制軟件和植物表型數(shù)據(jù)分析等系統(tǒng)，通過外接傳感器和軟件系統(tǒng)可測量光合有效輻射、空氣溫濕度、CO2、風(fēng)速等環(huán)境因子，用于植物高通量表型成像分析測量、植物脅迫響應(yīng)分析測量、植物生長分析測量、植物生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。