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  隨著基因組學研究的發(fā)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(huán)境-表型性狀的復雜遺傳與表達調(diào)控關系；從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度，植物表型組學則可以進一步提高作物產(chǎn)量并助力解決種質(zhì)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(fā)展

左圖：基因組與環(huán)境的相互作用造就表型組（Walter，2015）；右圖：植物表型組學研究相關文獻發(fā)表量逐年攀升（Tao，2022）

  PCR技術和基因測序技術推動了基因組學研究的發(fā)展，甚至可以說構(gòu)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(huán)境的監(jiān)測與控制，用以模擬各種不同的環(huán)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(jīng)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(xiàn)對植物的無損、連續(xù)測量，以跟蹤植物的整個生活史，同時，獲取的表型數(shù)據(jù)要能夠反映植物深層次的生理過程。要實現(xiàn)這一點，目前最優(yōu)的技術方案就是植物表型成像分析技術。

左圖：2013年與澳大利亞國立大學合作研發(fā)的基于PlantScreen植物表型成像技術的科研用表型設施（Brown，2014）；右圖：2013與年杜邦先鋒合作建設PlantScreen表型成像分析系統(tǒng)用于玉米育種

  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(gòu)、育種公司的得到廣泛應用，發(fā)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(tǒng)的科研單位，后來又采用PlantScreen技術升級原有系統(tǒng)或者直接購買最新型的PlantScreen系統(tǒng)，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(diào)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(tǒng)升級了PlantScreen專用的FluorCam調(diào)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(tǒng)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(tǒng)補齊短板，煥發(fā)新生。這3套升級系統(tǒng)一直運行至今，利用升級后的FluorCam葉綠素熒光成像單元已發(fā)表不少于10篇SCI論文。

左圖：IPK原有表型系統(tǒng)升級的光適應室與FluorCam調(diào)制式葉綠素熒光成像單元；右圖：升級完成后使用擬南芥、煙草和玉米進行葉綠素熒光成像測試

左圖：IPK利用這套升級系統(tǒng)發(fā)表的部分文獻數(shù)據(jù)與成像圖；右圖：IPK后續(xù)建設的大型PlantScreen植物表型成像平臺

IPK發(fā)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(fā)《推動大規(guī)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(yī)療設備水平。推動符合條件的高校、職業(yè)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(fā)展改革委、財政部再次發(fā)布《關于2025年加力擴圍實施大規(guī)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(chǎn)、設施農(nóng)業(yè)等領域，重點支持高端化、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(nèi)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(zhì)資源“卡脖子”問題。

  經(jīng)過十多年不懈的改進與研發(fā)，PlantScreen植物表型成像技術已經(jīng)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最高水平，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(jié)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(tǒng)

  PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統(tǒng)是目前功能最全面、安裝數(shù)量最多的PlantScreen型號。這一系統(tǒng)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(yǎng)區(qū)和成像區(qū)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(tǒng)自動在兩個區(qū)域間運轉(zhuǎn)。通過預設程序，實現(xiàn)自動化的培養(yǎng)與表型成像測量，結(jié)合自動稱重澆灌單元，理想情況下可以實現(xiàn)植物全生活史的無人值守自動培養(yǎng)與測量。這一系統(tǒng)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。

荷蘭瓦格寧根大學-荷蘭植物生態(tài)表型中心（NPEC）裝備的PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統(tǒng)，左圖為培養(yǎng)區(qū)，右圖為成像區(qū)

  正式測量前，樣品先經(jīng)過專門的適應室進行預適應處理，以消除不同培養(yǎng)位置細微差異可能造成的測量誤差。成像區(qū)則根據(jù)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(huán)境干擾，數(shù)據(jù)精確度高；可同時進行頂端和側(cè)面成像。樣品在各成像室之間轉(zhuǎn)移與測量也都由系統(tǒng)自動完成。

芬蘭赫爾辛基大學裝備的PlantScreen傳送帶版高通量植物表型成像分析系統(tǒng)，樣品從培養(yǎng)區(qū)經(jīng)過適應室進入成像室

左圖：赫爾辛基大學研究小孔異擔子菌基因編碼的小分泌蛋白質(zhì)（SSP）對本氏煙的表型影響，表型數(shù)據(jù)包括RGB與葉綠素熒光成像；右圖：歐洲PSI公司與荷蘭烏特勒支大學、瓦赫寧根大學共同研究干旱、高溫、積水等多種脅迫對馬鈴薯表型組的影響，研究結(jié)果綜合了頂端和側(cè)面RGB形態(tài)成像、葉綠素熒光成像、紅外熱成像、VNIR/SWIR高光譜成像。這一研究由歐盟地平線2020 ADAPT馬鈴薯育種項目資助

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(tǒng)

  PlantScreen SC植物表型成像分析系統(tǒng)為應荷蘭瓦格寧根大學NPEC需求專門開發(fā)的。這一系統(tǒng)相當于將PlantScreen傳送帶版高通量系統(tǒng)的成像區(qū)獨立出來并改進成一套能自行工作的系統(tǒng)。該系統(tǒng)對安裝環(huán)境要求大大降低，可在溫室、步入式植物培養(yǎng)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(tǒng)的樣品加載位，系統(tǒng)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(shù)據(jù)的成像測量。日常使用與維護工作都更加簡便。

NPEC、愛爾蘭國立都柏林大學、英國詹姆斯赫頓研究所等裝備的PlantScreen SC系統(tǒng)

左圖：荷蘭瓦格寧根大學使用PlantScreen SC研究細胞器變異與光合系統(tǒng)性能表型變異的關系，左上圖為專用樣品托盤中待測的擬南芥樣品和研究中使用的葉綠素熒光動力學測量程序，左下圖為4項葉綠素熒光參數(shù)與基因位的質(zhì)型關聯(lián)研究（PAS），這一研究發(fā)表于2024年《PNAS》；右圖：愛爾蘭都柏林大學使用PlantScreen SC研究不同品種大麥對積水的響應與恢復，表型數(shù)據(jù)包括葉綠素熒光、頂端和側(cè)面的植物形態(tài)、顏色構(gòu)成與變化等

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(tǒng)

  PlantScreen XYZ三維移動式植物表型成像分析系統(tǒng)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(jù)下方樣品的位置、高度自動調(diào)整并測量。這一系統(tǒng)的優(yōu)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(tǒng)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(yǎng)室或步入式培養(yǎng)箱。

  NPEC在2022-2023年間陸續(xù)安裝了3套PlantScreen XYZ系統(tǒng)，左圖可見掃描平臺上安裝的RGB、葉綠素熒光、高光譜、紅外熱成像等各種成像傳感器。這三套系統(tǒng)同時配套了大型步入式動態(tài)光照水培植物生長室，實現(xiàn)動態(tài)光照培養(yǎng)、營養(yǎng)液調(diào)控與表型測量的有機結(jié)合。

左圖：美國農(nóng)業(yè)部從2019年開始，利用一套PlantScreen XZ系統(tǒng)對萵苣等蔬菜進行葉綠素熒光及高光譜表型測量，用以研究萵苣對不同脅迫的響應機制，目前已發(fā)布至少5篇相關研究論文；右圖：捷克帕拉茨基大學通過PlantScreen XYZ系統(tǒng)研究多種生物刺激素對鹽脅迫下擬南芥萌發(fā)和生長的影響，結(jié)合RGB與高光譜成像數(shù)據(jù)證明生物刺激素確實能夠減輕脅迫并促進植物生長

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(tǒng)

  PlantScreen緊湊式植物表型成像分析系統(tǒng)將表型成像測量、LED光照培養(yǎng)和自動稱重澆灌等功能融為一體，實現(xiàn)對擬南芥、小株煙草、作物/蔬菜幼苗的自動培養(yǎng)與連續(xù)表型測量。成像室與培養(yǎng)室由自動控制的氣動門隔開，多個樣品托盤根據(jù)設定程序，由傳送帶從培養(yǎng)室依次進入成像室測量，測量完畢后再回到培養(yǎng)室原位置。這一系統(tǒng)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(yǎng)室中。

中科院植物研究所、西北農(nóng)林科技大學，赫爾辛基大學等均裝備了PlantScreen緊湊式植物表型成像分析系統(tǒng)。左圖為培養(yǎng)室，右圖為成像室

蘇黎世聯(lián)邦理工學院使用PlantScreen緊湊式系統(tǒng)對擬南芥氣孔保衛(wèi)細胞糖轉(zhuǎn)運蛋白突變體進行了表型組測量。結(jié)果表明，糖轉(zhuǎn)運蛋白突變造成的氣孔功能缺陷進一步嚴重影響到了植物表型。首先是氣孔導度下降造成了氣孔導度下降、葉溫升高；葉綠素含量及綠度色彩豐富度沒有顯著變化，但實際光合能力顯著降低；最終造成突變體葉面積、生物量、生長速率等形態(tài)指標嚴重降低。

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(tǒng)

  為解決地下根系表型測量，PlantScreen在高通量傳送帶式系統(tǒng)基礎上設計了專門的根系表型成像分析系統(tǒng)。這一系統(tǒng)配備專用的根盒，通過透明根窗來對根系形態(tài)與生長動態(tài)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(xiàn)對根系的均勻澆灌。系統(tǒng)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(xiàn)植物地上地下的全方位表型測量。

法國亞眠大學、匈牙利科學院生物科學研究中心等裝備的PlantScreen植物根系表型成像分析系統(tǒng)

捷克馬薩里克大學利用PlantScreen根系系統(tǒng)研究高溫環(huán)境下擬南芥生長發(fā)育與phyB-PIF4通路的相關性，左圖：根系表型成像及生長動態(tài)數(shù)據(jù)；中圖：地上部發(fā)育過程的RGB形態(tài)成像；右圖：高光譜動態(tài)數(shù)據(jù)（包括歸一化植被指數(shù)NDVI、光化學指數(shù)PRI等）和葉綠素熒光動態(tài)數(shù)據(jù)（包括最大光化學效率QYmax，即為Fv/Fm；實際量子產(chǎn)額QY_Lss，即為ΦPSII等）

引用文獻：

1. Ebrahimi Naghani S, Šmeringai 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(tǒng)

  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(tǒng)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(jù)植物高度進行調(diào)整，從而適用于各種不同的植物樣品。這一系統(tǒng)也可以部署到溫室甚至實驗室中進行相關表型測量。

北京農(nóng)林科學院、芬蘭自然資源研究所、PSI表型研究中心等裝備的各種類型的PlantScreen野外移動式表型成像分析系統(tǒng)

波蘭Strzelce植物育種公司與波蘭植物育種和馴化研究所合作，使用一臺安裝與拖拉機平臺的PlantScreen野外系統(tǒng)對黑小麥冠層密度進行測量，左圖：PlantScreen拖拉機野外系統(tǒng)及實驗樣地規(guī)劃；中圖：黑小麥冠層成像圖；右圖：黑小麥冠層密度與種植技術和品種的相關性

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(yǎng)植物表型成像分析系統(tǒng)

  PlantScreen全自動高通量瓊脂培養(yǎng)植物表型成像分析系統(tǒng)是一套專門為瓊脂平板培養(yǎng)植物進行自動接種、培養(yǎng)與表型成像分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(yǎng)皿的全自動全流程高通量表型分析。系統(tǒng)由具備GMO（轉(zhuǎn)基因生物）控制區(qū)的環(huán)控室（可選配）、操作臺、培養(yǎng)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(tài)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）分析及香豆素熒光高光譜成像分析等。

荷蘭植物生態(tài)表型中心NPEC已經(jīng)裝備了至少6套PlantScreen植物表型成像系統(tǒng)，應用于擬南芥、煙草、番茄、藜麥等植物的表型研究。PlantScreen全自動高通量瓊脂培養(yǎng)植物表型成像分析平臺是根據(jù)其研究需要進行的專門設計與合作開發(fā)，于2023年剛剛建設完成。

八、PlantScreen藻類表型成像分析系統(tǒng)

  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(tǒng)專門用來對多孔板中的藻類樣品進行表型測量。系統(tǒng)包括藻類自動培養(yǎng)、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(zhuǎn)運都通過機器人完成，從而實現(xiàn)無人值守的高通量藻類表型自動測量。

澳大利亞悉尼科技大學裝備的PlantScreen藻類表型成像分析系統(tǒng)

  易科泰生態(tài)技術公司致力于“生態(tài)、農(nóng)業(yè)、健康”科學研究與監(jiān)測/檢測技術方案推廣、研發(fā)與應用服務，為國內(nèi)高校科研與生產(chǎn)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(xié)助數(shù)十家科研單位完成了葉綠素熒光成像、種質(zhì)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。

非成像設備升級為成像設備               單一功能設備升級為多功能設備

單純測量設備升級為培養(yǎng)測量一體設備          半自動測量設備升級為高通量全自動設備

  作為PlantScreen植物表型成像技術的中國唯一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(nèi)科研單位安裝了8套各種型號的PlantScreen植物表型成像系統(tǒng)。這些系統(tǒng)已經(jīng)助力相關單位取得了初步的科研成果。

近兩年易科泰為國內(nèi)科研單位安裝了多套PlantScreen植物表型成像系統(tǒng)

  上面我們介紹了目前PlantScreen系統(tǒng)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(nèi)容都較為簡單。歡迎各位老師與易科泰聯(lián)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(chǎn)品的國產(chǎn)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(xiàn)科研技術水平、費用和安裝場地空間的最優(yōu)化。

• 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(tǒng)
• FluorTron®多功能高光譜成像分析系統(tǒng)、FluorTron®光合表型成像分析系統(tǒng)
• PhenoTron®一體式智能LED培養(yǎng)與表型在線檢測復式平臺，適于組織培養(yǎng)、種子萌發(fā)及種苗表型分析、光生物學研究，為植物提供最佳光配方
• PhenoTron-SR，F(xiàn)rom 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
• 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
• RhizoTron®植物根系多功能高光譜成像分析系統(tǒng)
• 大田機器人表型成像分析系統(tǒng)
• Thermo-RGB紅外熱成像與可見光數(shù)據(jù)融合技術方案

心動不如行動，歡迎各位老師與易科泰聯(lián)系咨詢！