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面向温室植物的移动式表型采集平台设计
摘要：近年来，植物基因组得到迅猛发展，植物基因组学的完善与多数植物的全基因组测序完成，但因缺乏足够表型数据限制了人类解析数量性状遗传学的能力，通过开发高通量植物表型监测平台可有效解决这个问题。本文主要介绍国内外植物表型平台的研究概况，并总结了目前植物表型监测技术存在的问题，并对植物表型平台的前景做出展望。
关键词：植物表型；表型平台；图像处理
前言
随着人口的增长，可用土地资源的减少，气候的剧烈变化，全球农作物增长缓慢成为人类面临的重大问题之一，粮食增产刻不容缓。如何解决这一问题已成为各国研究的热点。科学家经过多年研究发现，通过将基因组与表型相结合，可能培育出比现在更高产，更耐胁迫的作物。比如通过筛选长势好、产量高的作物，为育种者提供潜在基因改良样本，从而加快改良速率。然而由于缺乏足够表型数据，限制了我们解析与生长速率，产量和适应压力相关基因的能力。想要解析基因与表型的关系，就需要对大量植物的表型进行鉴别与分析，并对植物复杂生活环境进行监测与控制。
植物表型是指受基因和环境决定或影响的、能够反映植物细胞、组织、器官、植株和群体结构及功能特征的物理、生理和生化性状，包括生长、发育、耐性、抗性、生理、结构、产量等。植物表型具有复杂性、受环境影响多变及全程动态变化等特性，所包含的信息量和复杂程度已远远超出人们的预估。传统的表型信息依靠手工测量方式进行，具有样本量小，效率低，误差大，适应性差、连续性弱、破坏性强等缺点，已成为制约植物生物学研究包括遗传、生理的重要因素。高通量、自动化、高分辨率的植物表型信息采集平台对于加快植物改良和育种、提高产量和抗病虫害能力至关重要。
目前在农林业领域中，育种、栽培、移植等研究都需要大量的植物表型信息的数据支持。当前植物表型研究集中在小麦、水稻、玉米、高粱、西红柿、豆类和葡萄等农作物上。植物表型测量主要分为形态学参数和生理学参数。形态学参数包括株高、株径、叶倾角、叶面积指数、叶片宽度、叶片数量等。生理学参数包括叶绿素、光合速率、水分胁迫、生物量、耐盐性和叶片含水量等。形态学参数和生理学参数都会表征植物的成长情况，所以对植物表型信息采集的研究刻不容缓[1]。最早的植物表型监测技术是通过人工手动测量，由于方法效率低，容易使植物受损且耗时耗力，终被淘汰。采用高通量技术，搭建植物表型平台可对植物表型信息进行无损采集，并且速度快，效率高。针对复杂的植物表型特征，要求我们集成自动化平台装备和信息化技术手段，系统、高效地获取植物表型信息，通过环境传感、无损成像、光谱分析、机器视觉和激光雷达等手段协同采集植物的表型数据。植物表型平台信息采集装备集成多个传感器，用于解析基因组信息，定量研究与生长、产量和适应生物或非生物胁迫相关的复杂性状，是采集植物高维、丰富表型数据集的重要途径，满足了填补基因组信息与植物表型可塑性之间空白的需要。目前可见光成像技术、光谱技术、机器视觉技术、激光雷达等技术手段日渐成熟，借助现代计算机技术、统计学和生物信息学等学科相关技术，可以实现对植物的整个生命周期的表型信息实时捕捉监测[2]。本文从国内国外的植物研究进展出发，介绍了植物表型平台的概况，并对未来的发展提出了展望。
2国内外研究概况
2.1植物表型采集技术发展与应用
植物表型研究始于20世纪末，其核心是获取高质量、可重复的性状数据，进而量化分析基因型和环境互作效应(genotype-by．environment intemctions，GxE)及其对产量、质量、抗逆等相关的主要性状的影响。相对于单一性状，植物表型组能为植物研究提供全面的科学证据。特别是伴随着基因组学的快速发展，表型组学的理论基础和研究方法在过去10年间得到了极大的完善。2011年澳大利亚植物表型研究所(Australian Plant Phenomics Facility，csIRO)植物学家Robert Furbank在总结分析当时主流植物表型平台技术的基础上，提出了著名的表型研究瓶颈问题，包括多环境中对产量相关性状的多季重复测量、遥感技术在田间监测中的误差和关键表型的高通量分析等。
为解决这些问题，世界上很多顶尖科研团队和商业机构开发了一系列高通量、高精度植物表型平台，涵盖了环境传感(envimnmental sensor)、非侵入式成像(non—invasive imaging)、反射光谱(renectance spectroscopy)、机器人技术(mbotics)、机器视觉(computer vision)和高通量细胞表型筛选(high．content screening)等技术领域[3]。为了得到更加全面的表型参数，各种先进的传感器被应用在植物表型平台上。通过在植物表型平台上搭载多种传感器（CCD相机、热成像仪、光谱成像仪等）对植物进行监测，从而在更短的时间内获得较多的表型参数，满足了科研需求[4]。
将植物表型研究技术与医学对比，如图1所示可以看出未来表型研究技术的研究方向，不仅研究表型的性状特征，更是将表型与植物内部的理化性质联系。
