技術前沿 | 溫室環境下植物表型研究平臺

2020-09-05 溫室園藝


溫室環境下植物表型研究平臺

植物表型


多數植物的全基因組測序已經完成，但對這些基因組進行解析的難度要遠大於測序的難度，多數基因功能並不清楚。植物的性狀（Trait），也就是表型（Phenotype）——受到基因和環境的雙重影響，難以進行可重複的精確測量。植物的表型是基因型和環境因素複雜交互的結果，基因型是表型得以表達的內因，而環境是表型得以表達的外因。植物表型研究是研究在特定條件下植物所表現出的可觀察的結構、功能等形態特徵及其變化規律，正成為學術和產業界公認的核心研究和應用領域之一，是解決面向未來的農業挑戰（糧食安全、環境可持續發展、生物能源、人口老齡化等）的核心技術領域之一。國際表型界對表型研究也達成了研究策略共識（圖1），植物表型的突破可以為育種、栽培和農業實踐提供大數據決策支持。


目前植物表型研究集中在小麥、擬南芥、水稻、玉米、高粱、大麥、西紅柿、豆類和葡萄等植物上。表型測量主要分為形態學參數和生理學參數。形態學參數包括作物高度、莖粗、葉面積指數、葉角、莖杆長度、株間距等。生理學參數包括葉綠素、光合速率、水分脅迫、生物量、耐鹽性和葉片含水量等。這些參數都可以影響或表徵作物的成長。


如果用醫學的發展比對植物表型研究，更能清晰的獲得未來植物表型的研究方向。如圖2所示，未來的植物表型研究也會對植物內部和外部的全部物理、生理和生化特徵進行規範化的表徵。可見，對植物表型的研究受制於現代檢測儀器研發進程。



植物表型研究平臺


隨著高通量植物表型測量技術的快速發展，越來越多的植物表型研究平臺投入使用。下面介紹幾個典型的研究平臺。


1. 澳大利亞國家植物表型研究設施——植物加速器（PlantAccelerator）

澳大利亞國家植物表型研究設施—植物加速器造價2656萬美元，2010年建成並對外開放，如圖3、4所示。


建築面積4485m2，其中2340m2為溫室。由4個140m2的全自動溫室以及兩套「全自動高通量植物3D成像系統Scanalyzer3D組成，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Scanalyzer3D系統佔有兩個140m2的溫室，帶可見光成像、近紅外成像、根系近紅外成像、紅外（熱）成像和螢光成像模塊，以及自動澆水和稱重設備，並配有可自動傳輸2400盆植物的傳送帶和運輸車。2套Scanalyzer3D系統的傳送帶長度加起來達1.2km。通過可見光成像可以觀測植物的結構、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乾旱脅迫研究、蒸騰研究等，通過螢光成像可以分析植物的生理狀態。所有植物都通過條形碼或射頻標記，其整個生長發育階段表現數據都可定期進行測量。兩套系統24h連續運轉，每天可以獲得4000~6000盆植物的表型成像數據。


2. WPS公司植物表型研究設施——全自動和半自動植物表型研究平臺

荷蘭WPS公司提供全自動和半自動植物表型研究平臺，其中全自動化平臺（圖5）可以確保試驗密切連續執行，半自動化主要藉助現有溫室生產採用專用的轉運輸送系統（圖6~7），是一種低成本的表型研究平臺。無論是全自動還是半自動都需要裝配高精度澆水設備（圖8），保證實驗的準確性。



3. 日本半自動3D植物表型模擬系統

日本千葉kazusaDNA研究院前沿技術研究所開發了一套半自動3D植物表型模擬系統（圖9）用於育種研究，栽培區放置在溫室中，每個植物需要拍照72張，耗時10min，才能重構植物3D模型。


植物表型研究相關組織


目前，植物表型研究還處於研究發展初期，田間表型、數據管理、費用、根系表型、非生物脅迫、行業標準、技術限制、生物信息學、通量等是制約植物表型組學發展的主要問題。目前，國際上主要有國際植物表型組織（IPPN）、歐盟植物表型組織（EPPN）和德國植物表型組織（DPPN）等相關組織，通過舉辦以植物表型為主題的學術會議，擴大植物表型研究的影響力。其中，以IPPN影響較大，該組織2009年在澳大利亞舉辦了第一屆國際植物表型研討會（InternationalPlantPhenotypingSymposium），2011、2014、2016、2018年相繼在德國、印度、墨西哥、澳大利亞召開，在國際植物學界產生了重要影響。2019年10月22~26日第6屆國際植物表型大會將在南京舉辦，給中國研究領域相關人士提供了近距離學習交流的機會。


發展展望


植物表型研究隨著大數據、雲計算和人工智慧和檢測技術的發展呈現快速發展態勢，對於溫室園藝領域，無論是學界還是業界都應提前布局相關的研究和開發工作，為植物表型研究在溫室領域的應用建立研究平臺。植物表型研究平臺可以加速研究進程，在高通量條件下對植物進行無損分析，植物在整個生命周期中被多次成像，利用幾個月的時間就可以積累過去幾年才能獲得的數據。各國都在加大植物表型研究的重大科研平臺建設。如荷蘭表型研究中心和英國國家表型研究中心相繼投入建設了科研平臺，加大在表型上的研究（圖10~11）。中國的科研工作者也應積極參加植物表型研究的相關會議，同時密切關注跟蹤植物表型研究動態。從上文可知，藉助溫室，相對簡易的植物表型研究平臺也可以實現低成本投入。




對於溫室產業，植物表型研究的重要載體大多依賴於溫室，溫室成為植物表型研究、作物生長的加速器。溫室企業應主動入位，積極探索研究開發植物表型研究用溫室及其配套的物流運輸系統，針對中國的地域分布，研究開發不同規模的溫室，開發物流運輸系統、栽植盆、精確灌溉系統以及數據採集系統，發揮溫室產業在重大科研平臺建設中的作用。

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