國外田間高通量植物表型平臺FieldScan應用案例介紹

隨著高通量植物表型測量技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究人員和育種家開始采用這一新興的技術(shù)進行研究。

植物表型組學時代已經(jīng)來臨！植物表型組學是一個跨學科的研究領(lǐng)域，它必須與基因組學、生物信息學、大數(shù)據(jù)計算相結(jié)合才能更好的為育種服務。

由國際植物表型組織（IPPN）、歐盟植物表型組織（EPPN）和德國植物表型組織（DPPN）聯(lián)合進行的一項調(diào)查表明，田間表型、數(shù)據(jù)管理、費用、根系表型、非生物脅迫、行業(yè)標準、技術(shù)限制、生物信息學、通量等是制約植物表型組學發(fā)展的主要問題。  

這其中，田間表型（Field Phenotyping）被公認為是植物表型研究和植物表型組學發(fā)展所遇到的最大挑戰(zhàn)！

國際上第一個真正意義上的商業(yè)化高通量植物田間表型平臺是于2014年初在印度國際半干旱地區(qū)作物研究所（ICRISAT）投入正式運轉(zhuǎn)的FieldScan系統(tǒng)（視頻鏈接）。

印度國際半干旱地區(qū)作物研究所FieldScan系統(tǒng)配置有8個PlantEye傳感器，可以在16 m x 200 m范圍內(nèi)對全自動高通量測量。目前該平臺每天重復測量10次，已經(jīng)連續(xù)運轉(zhuǎn)了兩年多時間。

歐洲領(lǐng)先的植物和微生物科學研究中心——英國John Innes Center，即約翰英納斯中心（JIC）——也有一套田間高通量植物表型平臺FieldScan系統(tǒng)（視頻鏈接）。與印度國際半干旱地區(qū)作物研究所主要關(guān)注田間植物不同的是，約翰英納斯中心的FieldScan系統(tǒng)是對長在自然土壤里的農(nóng)作物進行高通量表型測量。

而德國馬普學會分子植物生理研究所則將一套小型的FieldScan系統(tǒng)安裝到溫室中，用于馬鈴薯的高通量植物表型測量。

關(guān)于FieldScan系統(tǒng)
FieldScan系統(tǒng)是由大名鼎鼎的荷蘭PhenoSpex公司專為田間高通量植物表型測量設計的表型平臺，可在任何環(huán)境條件下全天候測量。

FieldScan的設計，采用植物激光三維掃描測量儀PlantEye作為核心，并集成了其它多種傳感器。PlantEye用于獲取植物生長情況。通過3D的頂部成像，不僅能獲得葉面積、葉傾角、冠層等參數(shù)，同時還能得到相對于其他技術(shù)更高的精度和通量。當然在需要時，也可以集成其他傳感器。（視頻鏈接）

在任何光照情況下，F(xiàn)ieldScan都能在不影響植物本身生長的情況下，每天能對上萬株植物（取決于系統(tǒng)大�。┻M行10次重復測量，為用戶提供有價值的數(shù)據(jù)，方便了解植物在田間的生長情況。

FieldScan不僅可直接掃描種植在田間土壤的植物，同時還可掃描盆栽植物。在采用盆栽植物培養(yǎng)時，可根據(jù)壓力傳感器跟蹤每株植物的重量，計算其蒸騰速率。

設計理念——在高通量與準確性之間找到平衡
在現(xiàn)代植物研究與育種中，田間表型是表型組學最亟需發(fā)展的領(lǐng)域之一，一直面臨著各種挑戰(zhàn)。例如從全日照到夜間，溫度的巨大變化和降雨等外界環(huán)境不僅影響測量技術(shù)，同時對植物也可能產(chǎn)生很大的影響。因此，對測量技術(shù)來講，需要設定非常合理的信噪比以準確地獲取表型信息；同時也需要在有限的時間段里，高通量地獲取植物的表型信息；當然對環(huán)境因子的同步監(jiān)測也十分必要。

在開發(fā)FieldScan時，我們的目標是提供一套可在任何環(huán)境下使用；每天可進行多次掃描；同時可剔除低質(zhì)量數(shù)據(jù)的田間表型獲取系統(tǒng)。如果側(cè)重通量和靈活性，我們可以在田間使用拖拉機或UAV等移動設備。但為了獲得毫米級的高精度測量，我們決定不再使用這些傳統(tǒng)移動設備，而高精度的測量僅適用于固定式的系統(tǒng)。為此我們需要開發(fā)一套能同時滿足高精度和高通量的移動平臺。

同時適用于溫室和田間
FieldScan系統(tǒng)既然已經(jīng)能夠適應嚴苛的田間環(huán)境，當然也就能夠在溫室內(nèi)進行高通量測量。我們已經(jīng)為不同的客戶安裝了數(shù)套在溫室內(nèi)的系統(tǒng)，與田間系統(tǒng)一樣，都取得了出色的測量結(jié)果。