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“溫室自動化 + 高通量成像”技術
機器人技術、圖像分析和大規模計算能力的**結合全自動、高通量對大量植株進行3D成像，從幼苗到成株皆可
特別適合植物功能基因組學和植物表型組學
植物表型和生理研究的強大助手
遺傳育種、突變株篩選、表型篩選的強大工具全自動高通量植物3D成像系統——Scanalyzer 3D是一套可以全自動、高通量對大量植株（從幼苗到成熟植株即可）進行成像的系統，可以選擇配置可見光（VIS）成像、近紅外（NIR）成像、紅外（IR）成像、熒光成像或根系近紅外成像中的一種或多種，每個成像模塊包括頂部和側面兩個攝像頭，結合樣品旋轉裝置，就可以對植株進行3D形態學分析。如果做小植株（15 cm以下），也可選配激光掃描3D成像。每一種成像模塊都有單獨的成像區域（“暗房”），依次進行成像分析。（下載演示視頻）
小型版 只能自動傳送10盆植物，需手動更換花盆 | 大型定制版（溫室版） 可自動傳送1200盆植物的系統 |
該系統通過可見光成像可以測量植物的結構、寬度、密度、對稱性、葉長、葉寬、葉面積、葉角度、葉顏色、葉病斑、種子顏色、種子顏色面積等參數；通過近紅外成像可以分析植物的水分分布狀態、水力學研究、脅迫生理學研究等；通過根系近紅外成像分析植物根系和土柱中的水分分布情況；通過紅外成像可以進行植物干旱脅迫研究、蒸騰研究等；通過熒光成像可以分析植物的生理狀態。由于所有植物都通過條形碼或射頻標記，其整個生活史的的不同階段所有的表型數據都可定期進行測量。
整套系統包括傳送帶、成像模塊、“暗房”、運輸車、澆水和稱重裝置、控制系統等。其中傳送帶、運輸車和植物在溫室中運轉，所有的植物可以由軟件控制在傳送帶上進行動態分布，以避免由于溫室中的光、溫、濕分布不均勻造成的影響；成像模塊、“暗房”、澆水和稱重裝置安裝在獨立的空調房中，并通過傳送帶與溫室相連。
分析模式有兩種：一種是軟件控制溫室中的植物定期傳送到“暗房”進行成像分析；另一種是人工攜帶生長在其他溫室中的植物放到“暗房”前的傳送帶上，進行成像分析。
軟件通過成像分析的結果，根據表型數據可以對植株進行高通量篩選。
通過對成像結果的分析，可以進行表型組學研究。目前我國對于作物的研究主要是利用傳統的遺傳育種方法以及基因組學的方法進行研究， 然而僅停留在基因組學研究水平上顯然是不夠的，并不能全面、徹底地闡明作物的生理功能，特別是作物表型與其產量、生理狀態之間的相互關系，以及不同的環境條件對作物生長狀況、產量、種質質量等的影響。這就需要對作物進行表型組學的研究，通過研究不同的表型性狀來確定作物的遺傳性狀，并且尋找不同環境因子對作物各種指標影響的閾值，從而能夠更加科學地闡明作物生長機理，指導作物生產。
◆ 3D成像
可選VIS、NIR、IR、根系NIR成像、熒光成像中的一種或多種，每種成像有獨立的攝像區域（“暗房”），每個“暗房”的頂部和側面各安裝一個攝像頭（拍攝頂部和側面成像）。花盆底座有旋轉裝置，可以360度旋轉，這樣可以獲得植株4個側面的成像信息。結合頂部成像，可以獲得完整的植株3D成像信息。
針對15 cm以下的小植株，可以選擇配置激光掃描3D成像，獲得詳細的三維形態學信息。
◆ 自動傳送系統帶自動傳送裝置，所有花盆上都有電子標簽，所有拍攝數據根據電子標簽歸檔。可選傳送50、100、150、250、375、500、800、1400盆或更多盆的傳送裝置，花盆和植株的重量可以為1、4、10或25 kg，更重需要定制。
◆ 自動澆水和稱重裝置
在溫室系統中，可增加自動澆水和稱重裝置，軟件控制對不同編號的花盆采用不同的澆水量，并每日對花盆進行稱重。
◆ 自動加營養鹽裝置
在溫室系統中，與自動澆水裝置結合，可以在澆水的同時補充營養鹽。
◆ 自動噴淋裝置
在溫室系統中，根據電子標簽由軟件控制是否噴灑農藥，可用于檢測農作物對農藥的抗性或敏感性。
◆ 自動分選
在溫室系統中，只要在傳送裝置上增加多級T-Junction（丁字路口），就可根據成像結果對大批量的植株進行分選，分選用的閾值參數可以由用戶設定，分選級數取決于T-Junction的數目。
◆ 服務器存儲
由于數據量非常大，本系統必須用服務器存儲數據。
◆ 軟件分析
軟件分析功能非常強大，可以通過植株的編號（電子標簽）調出整個生活史的數據，進行時間動力學分析，對拍攝的照片進行動畫演示，對同一植株的時間動力學數據進行圖表統計分析，對不同植株的數據進行復雜的統計學分析和圖表分析。
◆ 遠程管理
通過專用遠程服務器管理軟件，可以在異地對本系統的運轉狀況進行監測、改變測量程序或分析測量數據。
◆ 系統大小*簡單的只能傳送10盆植物的系統可以安裝在室內，高度（Y軸）是4 m，寬度（Z軸）是2 m。如果只配置一個成像模塊，則系統長度（X軸）是4.5 m，每增加一個成像模塊，系統長度（X軸）增加1.5 m。
傳送上百甚至上千盆植物的系統，多安裝在溫室內。實際大小可根據現場情況進行定制。
主要功能◆ 全自動、高通量對植物等小型樣品進行可見光成像、近紅外成像、紅外成像、熒光成像（包括整株GFP成像）和/或激光掃描3D成像（每套系統可選擇一種或多種）
◆ 通過可見光成像可以測量植物的結構、寬度、密度、對稱性、葉長、葉寬、葉面積、葉角度、葉顏色、葉病斑、種子顏色、種子顏色面積等等50多個參數
◆ 通過近紅外成像可以分析植物的水分分布狀態、水力學研究、脅迫生理學研究等
◆ 通過根系近紅外成像分析植物根系和土柱中的水分分布情況
◆ 通過紅外成像可以進行植物干旱脅迫研究、蒸騰研究等
◆ 通過熒光成像可以分析植物的生理狀態
測量參數
* 植株高度、寬度和密度
* 植株結構分析、骨架分析、緊密性分析、對稱性分析
* 葉片長度、寬度、葉角度、葉面積
* 植株緊湊性（葉角度和緊密性）
* 植株體積
* 植株和葉片的顏色分析，包含發育狀態、病理學等信息
* 植株鮮重
* 植株和葉片含水量、玉米水分利用效率
* 植株生長速率
* 種子顏色、種子數目
* 開花時間、花穗顏色、大小、性狀等
應用領域
植物功能基因組學、植物表型組學、遺傳育種、突變株篩選、植物生理學、農業科學、植物病理學、植物形態建模、植物生物信息學、種子生理學、種子病理學、植物脅迫生理學、植物水力學等研究領域。
技術優勢和先進性
我們獲取電子版資料。
可以自動傳送10盆植物的小型系統 | T-Junction分選 |
自動灌溉裝置 | 側面、側面旋轉90度和頂部成像 |
應用實例
◆ 植物顏色分類
植物的顏色是反映植物健康狀態的關鍵指標之一，而人肉眼對顏色的敏感度較低，存在較大的視覺誤差。利用Scanalyzer系統可以在拍攝植物可見光照片的基礎上，通過軟件對獲得的顏色信息進行銳化處理，從而使原本肉眼不易區分的顏色差別，顯著的區分開來。
可見光成像 | 軟件銳化處理后的圖像 |
◆ 植物骨架/結構分析植物骨架和架構信息，是非常典型的植物表觀信息，是農業信息學的重要研究內容。對于雜交育種而言，Scanalyzer系統有助于快速進行表型篩選，也可用于了解整個生活史以及受到脅迫后的骨架/結構變化。
植物骨架分析 | 植物結構分析 |
◆ 植物形態學分析成像后，通過Lemna Tec公司專業的軟件工程師團隊開發的軟件，可以對植物進行詳細的三維形態學分析。對于所拍攝的每一張圖片，都可獲得50多個形態學參數。
| 對于本圖而言，可以獲得單個葉的長度、單個葉的面積、平均葉寬、莖長、莖寬、莖體積、彎曲度（Bent index）、葉卷曲指數（Leaf curling index）、葉朝向（Leaf orientation）、單個葉的顏色分類等等指標。 | 本圖用于詳細的植物朝向、角度分析。 |
通過頂部成像和多個側面成像，可以獲得植物X、Y、Z三個軸的信息，根據各個方向的葉面積、莖長、莖寬、葉長、顏色等來估算植物的生物量。實驗證明這種估算的生物量與實際生物量有非常好的線性關系。
X軸為實際鮮重，Y軸為通過成像參數估算的鮮重 二者有非常好的線性關系 | 由于轉基因植物有很高的形態變異性， 因此對葉片和莖桿進行定量非常重要 |
◆ 利用近紅外（NIR）成像分析植株和土壤的水分利用情況近紅外成像可以直觀的反映植物不同部位的含水量，通過軟件處理加上代表不同含水量的顏色后，可以非常直觀的看出不同處理下植株不同部位的含水量變化。如果植物是生長在專用土柱中，還可以對植物根系和土壤的含水量變化進行定量分析。
玉米停止澆水8 h后（輕度干旱處理），植株含水量的變化可以通過近紅外成像明顯從看出來，特別是老葉片失水嚴重。不同葉片的失水情況還可以通過軟件獲得數據，并可做圖表分析。 |
土柱和玉米整株的近紅外成像（原始圖像） | 干旱過程中土柱的含水量變化 | 干旱0 h和8 h時土柱中不同層的含水量分布 |
注：LemnaTec公司設計的土柱筒，是透明聚丙烯塑料材質，內裝自然土壤，高50 cm，直徑5、8或10 cm，裝土1.5 3.0 5.0 kg，底部有排水孔。培養時土柱外部套上不透明PVC管遮蔭，放置苔蘚和土壤藻類滋生，測量時將遮光管取下即可。
◆ 利用近紅外（NIR）成像分析NIR成像分析小麥干燥過程中含水量的變化本例是小麥在高溫處理下，植株含水量的時間動力學變化可以通過NIR成像直觀的反映處來，并進行定量分析。
高溫處理16 h，小麥的NIR成像變化 | 小麥植株含水量變化的定量分析，可以看出， 隨著高溫處理時間的延長，小麥含水量逐漸降低 |
◆ 利用紅外（IR）成像檢測植物溫度差異紅外成像，也叫熱成像，用于檢測植株的溫度變化。由于植株溫度與植物的蒸騰作用和含水量密切相關，因此紅外成像常用于干旱脅迫研究、群體蒸騰等領域。
通過肉眼很難區分哪株玉米受到干旱脅迫 通過紅外成像，明顯看出右邊的玉米溫度更高，說明含水量低，受到干旱脅迫 |
◆ 利用紅外成像反映小麥氣孔的關閉照光時氣孔開放，葉片進行蒸騰作用。關光4 min后就檢測到葉片溫度的顯著上升，說明氣孔開始關閉。Scanalyzer 3D系統可以非常靈敏的檢測氣孔狀態。
隨著時間的延長，氣溫與葉片溫度的差異越來越小， 說明氣孔逐漸關閉 |
◆ 靜態根密度分析析Scanalyzer 3D系統可以拍攝生長在土柱中的植物根系可見光照片，軟件自動分析土柱表層的根系。由于土柱的運輸車下自帶程序控制的旋轉臺，就可以通過軟件控制自動順序旋轉90度角來完成4個不同側面的成像，獲得更完善的根系信息。
不同植物根系的靜態分析 | 同一株植物4個側面的根系成像 |
◆ 根系動態生長分析析Scanalyzer 3D系統可以全自動、高通量的拍攝植物根系照片，結合電子標簽，就可以對特定編號的植物根系數據進行時間動力學分析。從下圖中的結果可以看出，從第35-100天，根生長*快，從表層有大量的根往下生長，從第35-60天，澆水過量，導致底部很多根死亡。
左圖示出了一株植物根系隨時間的生長發育過程，右圖示出的是不同時間點的根系覆蓋面積隨深度分層的變化 |
◆ 鑒定非轉基因植物噴灑農藥后，沒有轉入抗農藥基因的植物，可以通過顏色鑒定出來。
◆ 植物個體和群體的形態學應用舉例Scanalyzer 3D成像系統可以獲得大量的形態學參數，并且針對不同的材料，可以獲得有針對性的參數。下面是幾個例子：
| 水稻植株成像的部分參數： * 葉片長度（即使交叉也可測量） * 葉片面積 * 葉片顏色 * 植物高度 * 植物寬度 * 葉片密度 * 葉片朝向 |
| 稻穗成像的部分參數： * 稻穗面積 * 稻穗顏色 * 稻穗長度 * 稻穗**長度 * 稻穗結構 * 稻穗骨架（skeleton） |
群體表型成像的部分參數： * Criteria of plant growth * 高度 * 緊密性（Compactness） * 葉朝向– 彎曲指數 * 密度 * 對稱性 * 單位高度的平均植物寬度 | 基于復雜的形態學指標的表型分析： * 結構朝向 * momentum of inertia * 高度 * 寬度 * 圓度（roundness） * 緊密性 |
◆ 植物開花過程的動態監測由于絕大多數植物的花的顏色與莖葉不同，利用Scanalyzer 3D成像系統的高通量、全自動、帶電子標簽的特性，就可以自動監測植物是否開花、開花時間、花朵數目、花朵發育階段、花敗時間等信息。
| 開花過程監測的部分參數： * 葉面積 * 白化（Chlorosis） * 黑斑（Necrosis） * 衰老（Senecence） * 角果數目 * 角果長度 * Start flowering * End flowering * Stay green * Morphology * 生長速率 |
Scanalyzer 3D系統與PL和HTS系統的比較
Scanalyzer PL | Scanalyzer HTS | Scanalyzer 3D | |
| 高通量 | 否 | 是 | 是 |
| 小植株成像 | 是 | 是 | 是 |
| 96孔板成像 | 是 | 是 | 否 |
| 大植株成像 | 否 | 否 | 是 |
| 根系研究 | 否 | 否 | 是 |
| 可見光成像 | 可以 | 可以 | 可以，3D |
| 熒光成像 | 可以 | 可以 | 可以，3D |
| 紅外成像 | 可以 | 可以 | 可以，3D |
| 近紅外成像 | 可以 | 可以 | 可以，3D |
| 根系近紅外成像 | 否 | 否 | 可以，3D |
| 激光掃描3D成像 | 否 | 可以 | 可以，只限高度15 cm以下的小植株 |
部分用戶* 澳大利亞植物功能基因組中心（Australian Centre for Plant Functional Genomics）
位于阿德雷德(Adelaide)大學，建有澳大利亞植物表型組設施(Australia Plant Phenomics Facility)——植物加速器(Plant Accelarator)和高精度植物表型組中心（The High Resolution Plant Phenomics Centre）。
2010年1月28日，造價超過3000萬美金的“植物加速器”（The Plant Accelerator）正式運行，并對全球科學家開放。
“植物加速器”是一套國際上到目前為止進行植物表型組研究的*復雜、造價*昂貴的設備。它的核心由4個140平米的溫室以及兩套“全自動高通量植物3D成像系統Scanalyzer 3D”組成，所有進行植物表型研究的成像設備，包括傳送帶、成像模塊、“暗房”、運輸車、控制系統等都由德國LemnaTec公司提供。每套Scanalyzer 3D系統占有兩個140平米的溫室，帶可見光成像、近紅外成像、根系近紅外成像、紅外（熱）成像和熒光成像模塊，以及自動澆水和稱重的設備，并配有可自動傳送2400盆植物的傳送帶和運輸車。兩套Scanalyzer 3D系統的傳送帶長度加起來達1.2公里。
如果兩套系統24 h連續運轉，每天可以獲得4000-6000盆植物的表型成像數據，一年可以獲得30-60T的數據量。根據實際實驗情況，預計“植物加速器”一年可以進行16萬盆植物的實驗。
高精度植物表型組中心有一套不帶溫室傳送的基礎型Scanalyzer 3D系統，已運轉多年。
* 法國農業科學研究院（I’institut National de la Recherche Agronomique，INRA，French National Institute for Agricultural Research）
是世界上*有科研實力和競爭力的農業研究機構之一。INRA Montpelier（蒙彼利埃）正在建設一套傳送1400盆植物的系統，2010年中完工；INRA Dijon（第戎）正在建設一套傳送1482盆植物的系統，2010年底完工。
* 德國萊布尼茨植物遺傳和作物研究所（Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung，IPK，Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research）
IPK是德國的**公立研究所，在大麥雜交育種方面很有名。到2010年底有三套Scanalyzer系統運轉：
1） 目前正在運轉一套能600盆植物的系統，專門做大麥研究
2） 一套做擬南芥的S慘案了原則讓 3D系統，能傳送600盆擬南芥，2010年春天投入運轉
3） 目前正在建設一套大的能傳送600盆玉米的系統，預計2010年底投入運轉
* 意大利麥塔龐特市植物生物技術研究所（Metapontum Agrobios Research Centre for Plant Biotechnology）
歸政府所有，但以企業化運作，特點在于小麥、西紅柿等的基因改良。有一套能傳送500盆植物的系統，2009年開始運轉
* 先鋒（Pioneer）/杜邦（Dupont）
先鋒良種國際有限公司是杜邦集團的子公司，是國際玉米育種巨頭！先鋒從2005年開始運轉一套能傳送1500盆植物的系統。
* 荷蘭Keygene公司
在瓦赫寧根，是幾家農業公司合資建的一個做研究的公司，有一套小的系統在運轉，正在建設一套能傳送1100盆植物的系統。
LemnaTec公司與Keygene公司合作，承擔了一個EuroStar的PhenoCrop項目：Innovation in vegetable plant breeding by large scale deep phenotyping。項目目的：“The overall objective is to develop new deep phenotyping applications for the LemnaTec Scanalyzer for vegetable crops. Correlation of genotypic data and phenotyping results will lead to new molecular markers or gene clones that positively contribute to complex commercial traits in vegetable plants”。項目總經費達142萬歐元，預計2011年結題。
* 巴斯夫（BASF）
國際化工巨頭，從1998年開始介入植物科學研究，兼并了比利時CropDesign公司，并與孟山都有密切合作，在玉米、土豆、甜菜、苜蓿等的遺傳育種方面取得了豐碩成果。
2006年，BASF USA和BASF Germany分別建立了一套能傳送800盆和300盆植物的Scanalyzer 3D系統。
* 英國草地與環境研究所（Institute of Grassland and Environmental Research，IGER）
正在建設一套可以傳送800盆植物的系統，預計2010年底或2011年初運轉
* 拜耳作物科學公司（Bayer CropScience）
是拜耳集團三大業務子集團之一、全球**的創新型作物科學公司。拜耳作物科學公司的銷售額（2009年）為65.10億歐元，約占拜耳集團銷售額的20.8%。拜耳作物科學公司在水稻、油菜以及蔬菜育種方面占有很大市場份額。
到2010年中，Bayer CropScience Belgium將建成一套可傳輸600盆植物的系統；到2010年底，Bayer CropScience Germany將建成可傳輸1200盆植物的系統。
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