植物表型成像分析系统

PlantScreen SC植物表型成像分析系统 PlantScreen SC移动式植物表型成像分析平台为实验室和温室植物表型分析的理想平台，植物传送系统与成像分析系统内置于一体式紧凑机箱内，有脚轮可以移动，方便大型温室内不同区域间移动使用，极大地提高了载样方便性和使用效率。植物样品放入平台传送带上自动传送至成像单元进行成像分析，最 后自动传送归原位完成一个测量循环。PlantScreen SC包括叶绿素荧光成像测量和RGB 3D成像测量，以提供完备的作物表型形态测量和光合生理测量分析，可选配或客户定制3D激光扫描三角测量、高光谱成像分析、红外热成像分析等其它成像测量单元。标配PlantScreen SC适于最 大高度70cm、冠幅50cm的植物表型分析，可定制其它规格大小。 功能特点l FluorCam叶绿素荧光成像分析l RGB三维成像形态结构与颜色分析l 传送带系统自动传送植物、自动定位成像分析、自动将植物传出l 整套系统有脚轮可以移动l 可选配3D激光扫描，三维形体结构测量并构建3D模型l 可选配高光谱成像、红外热成像、NIR近红外成像l 可选配大型步入式生长室 系统组成1. 传送系统PlantScreen SC配备半自动化的植物装载和识别系统。只需将盛有植物的标准托盘放于传送带上，按下装载按钮，植物即可进入封闭的成像室内进行成像测量，测量完成后自动传送出来。标准托盘上贴有二维码，进入成像室后能够被识读并录入数据库，用于植物的自动编号。传送系统使实验过程变得简单轻松。标准托盘有4种规格：5 × 4（盆，250 mL）、2 x 2（盆，1L）、1 x 2（盆，3L）、1 × 1（盆，5L），适用于拟南芥、草莓、草坪草、烟草及大豆、玉米等作物的幼苗。 2. 测量成像单元测量成像单元包含基本的RGB成像单元和叶绿素荧光成像单元。RGB成像单元包括顶端及侧面多角度的RGB成像，通过高质量RGB图像的采集和专业的图像分析，获得植物的形态参数（如冠层面积、株高、冠幅、形状系数）及颜色分布情况。 叶绿素荧光成像单元采用脉冲调制式叶绿素荧光成像技术，能够对植株的光合生理进行无损、非接触的测量，高灵敏度、高通量检测和评估各类胁迫因子对植株的生理影响。 3. 环境传感器系统包含温湿度等环境传感器，持续记录测量环境的温湿度变化。环境信息数据和测量数据同步存储在数据库中，便于特定实验的相关性分析。4. 软件系统配备的高性能服务器电脑预装了用于系统控制、实验规划、数据自动采集、数据自动分析和数据库管理的全套软件。此外，系统配备了RGB分析和叶绿素荧光成像分析的独立软件，便于数据的再处理。安装案例1. 瓦赫宁根大学Shared Research Facilities，2018年11月安装，是荷兰植物生态-表型中心（Netherlands Plant Eco-phenotyping centre）的第 一台安装完成的设备，面向科研用户和商业伙伴开放使用。 2. 成都某生物技术公司，2020年10月安装，是国内首套由公司购买使用，用于生物农药、植物源生物刺激剂及土壤调理剂研发的大型高通量表型分析系统。 3. 孟加拉国，2020年4月，技术和生物测试完成。 易科泰生态技术公司提供植物/作物表型分析全面技术方案：1) 叶绿素荧光成像分析、多光谱荧光成像分析2) 高光谱成像分析、Thermo-RGB成像分析3) 细胞亚细胞水平显微叶绿素荧光成像、多光谱荧光成像分析4) RhizoTron根系表型分析系统、PhenoTron实验室植物表型成像分析系统5) PlantScreen植物自动传送式、XYZ三维扫描式植物表型分析平台6) SpectraScan样带扫描式、田间机器人式及PhenoUAS无人机遥感植物表型分析平台Ecolab植物表型实验室装备有400-1700nm高光谱成像、FluorCam叶绿素荧光成像、多光谱荧光成像、Thermo-RGB红外热成像等先进表型分析仪器技术，并与中科院植物所PlantScreen表型分析平台合作，提供全面表型分析技术服务与合作研究。

太阳辐射照射到植物叶片上，其中的蓝色波段和红色波段大部分被叶片吸收进行光合作用，另一部分（包括绿色波段、红外波段等）以反射光的形式返回到大气中，少量以荧光的形式发射到大气中，还有部分则以热的形式耗散。通过对叶片反射光成像测量分析（RGB彩色成像、多光谱或高光谱成像等）、多光谱荧光成像测量分析及叶片温度测量分析（红外热成像），可以全面分析植物的性状特征包括外部形态颜色、光合作用效率、气孔动态、次级代谢等形态与生理生态特征，使植物表型数字化、生理生态及功能可视化。模块式植物表型成像分析系统由植物多光谱荧光成像单元、红外热成像单元、RGB彩色成像单元等组成，可全面分析植物叶片及冠层的形态结构、颜色、光合作用、生理状态、气孔动态、生化色素分布、胁迫生理等，是目前市场上配置最灵活、功能最全面、性价比最高的植物表型与生理生态观测分析系统。左图：西葫芦感染病原菌成像分析，其中(a)为RGB彩色成像、(b)为红外热成像、(c)为F520绿色荧光成像、(d)为F520/F680绿红荧光比值成像；右图：向日葵幼苗列当寄生后的多光谱荧光成像主要功能特点与技术指标：1) 植物多光谱荧光成像技术，可以对具有4个特征性波峰的植物荧光光谱进行成像分析，进而可全面分析植物初级代谢（光合效率）、次级代谢、生理生态、胁迫与抗性筛选等2) 可选配UV紫外光、白色LED光源（用于模拟自然光源）、青色LED光源（用于气孔功能研究）、绿色LED光源、红色LED光源、蓝色LED光源等不同激发光源3) 可对UV紫外光激发的4个波峰的荧光进行成像分析，包括兰光440nm（F440）、绿光520nm（F520）、红光690nm（F690）和远红外740nm（F740），其中F440和F520统称为BGF，由表皮及叶肉细胞壁和叶脉发出，F690和F740为叶绿素荧光Chl-F4) 红外热成像分析单元可测量分析叶片温度的异质性分布，并通过选区（ROI）工具得到不同区域的最高温度、最低温度、平均温度、温度分布频率直方图等，依次进一步分析气孔导度、水分胁迫等5) 40倍RGB成像可以对植物形态及颜色进行分析，既可明察秋毫到气孔分布，又可大视野宏观成像分析6) 配置灵活、使用方便，可选配不同单元组合7) 适于植物叶片、植物幼苗及小型全株植物，红外热成像可应用于植物冠层或多株植物成像分析8) 应用于作物遗传育种、遗传组学与表型组学研究、植物生理生态学、植物胁迫生理、抗性筛选等领域技术指标：1 红外热成像单元：1.1 非制冷红外焦平面检测器（uncooled VOx microbolometer），已经过欧盟标注校准，可直接测量温度，包括每个像素点的温度等1.2 分辨率：640x512像素1.3 光谱范围：7.5～13.5μm1.4 温度测量范围：-25～150°C1.5 灵敏度：≤0.03℃（30mK）@ 30℃1.6 帧频：9Hz或30Hz，最大60Hz1.7 数据传输：USB-3或千兆以太网1.8 19mm光学镜头，视野32℃x26℃，可选配13mm镜头或35mm镜头1.9 具备视频模式和快照模式1.10 具备14种调色板供任意选择，可多样化设置热成像假彩色1.11 具备差值功能，可内查图像形成平滑影像以避免像素化1.12 可通过软件设置大气温度、湿度、距离等参数1.13 具备等温模式功能，包括以上、一下、之间、及以下与以上四种等温模式1.14 结果在线报告功能，自动显示热影像、时距图及影像参数如发射率、反射温度、大气温度、湿度、外部光距离、传播等1.15 影像处理软件具备ROI选区功能，包括点、线、折线、矩形等，并可进行分区处理，每个ROI即时显示最小温度、最高温度、平均温度等1.16 热扫描功能及热剖面功能：可在线可视化显示线型ROI温度值、温度剖面图1.17 所有ROI工具的温度值均可显示在时距图中1.18 防护级：IP651.19 工作温度：-15°C～+50°C 1.20 支持GPS信息，可将位置信息显示在谷歌地图上2 植物多光谱荧光成像2.1 成像面积20x20cm2.2 紫外光激发多光谱荧光成像包括F440、F520、F690、F740四个波段的荧光成像2.3 高分辨率CCD镜头，20fps、1360x1024像素，有效像素大小为6.45μm，高速USB 2.0 (480Mbits/sec)，可像素叠加（binning）以提高灵敏度（2x2，3x3，4x4）；具备视频模式和快照模式2.4 自动测量分析功能（无人值守）：可预设1个或2个试验程序，系统可自动测量储存2.5 激发光源包括紫外光、蓝色光源、红橙色光源，通过紫外激发荧光与红光LED激发荧光，可以分析植物类黄酮相对含量等2.6 成像分析软件具Live（实况测试）、Protocol（实验程序选择）、Pre-processing（成像预处理）、Result（成像分析结果）等功能菜单2.7 成像预处理可以自动选区或手动选择不同形状、不同数量、不同位置的区域（Region of interest，ROI），成像分析结果包括高时间解析度荧光动态图、直方图、不同参数成像图、不同ROI的荧光参数列表等2.8 Protocol实验程序可自由编辑，也可利用Protocol菜单中的向导程序模版客户自由创建新的实验程序2.9 多种Protocols供选配和自动运行，包括Fv/Fm、Kautsky诱导效应、叶绿素荧光淬灭曲线、光响应曲线等2.10 具备系统自动重复运行功能，可无人值守自动循环完成选定的实验程序,重复次数及间隔时间客户自定义,成像测量数据自动按时间日期存入计算机2.11 高度可调，以适应不同高度植株成像分析，最大植株高度50cm，可根据客户需求定制不同高度3. NDVI与PAR吸收成像模块：630nmLED红色光源和740nm LED红外光源，可对PAR（光合有效辐射）吸收及植物光谱反射指数NDVI成像分析 4. 可对绿色荧光蛋白GFP进行成像分析，可选配YFP成像分析5. RGB成像：科研级RGB成像镜头，分辨率2592x1944像素，信噪比54dB，1-40x放大，最小视野6.1x7.9mm（40x），最大视野20.8x25.4；可分析叶面积、长度、宽度、周长、比值、绿度指数、颜色分级分析、频率直方图等 应用案例与近期代表性参考文献： 西葫芦感染软腐病菌（Dickeya dadantii）RGB彩色成像、多光谱荧光成像及红外热成像分析（引自Maria L. Perez-Bueno等，Multicolor Fluorescence Imaging as a Candidate for Disease Detection in Plant Phenotyping. Frontiers in Plant Science, 2016）1) Monica Pineda etc. Detection of Bacterial Infection in Melon Plants by Classification Methods Based on Imaging Data. Frontiers in Plant Science2) Monica Pineda et. Use of multicolour fluorescence imaging for diagnosis of bacterial and fungal infection on zucchini by implementing machine learning. Functional Plant Biology, 20173) Carmen M. Ortiz-Bustos etc. Fluorescence Imaging in the Red and Far-Red Region during Growth of Sunflower Plantlets. Diagnosis of the Early Infection by the Parasite Orobanche Cumana. Frontiers in Plant Science, 2016 4)Maria Luisa Perez-Bueno etc. Spatial and temporal dynamics of primary and secondary metabolism in Phaseolus vulgaris challenged by Pseudomonas syringae. Physiologia Plantarum, 2015

PhenoTron-YZ植物表型与种质资源成像分析系统，是由易科泰生态技术公司最新推出的一款基于光谱成像与机器视觉技术的多功能、高通量实验室表型性状分析系统，采用国际先进的光谱成像传感器技术和易科泰光谱成像与无人机遥感研究中心设计研发的STP（Sensor-To-Plant）全自动作物表型XYZ扫描成像分析平台技术，可用于实验室高通量植物表型成像分析、作物种质资源检测鉴定、作物遗传育种、作物胁迫与抗性筛选、高通量考种等。系统采用STP技术，由主机系统和光谱成像系统组成，主机系统包括主机箱、控制单元、触摸显示屏、数据处理服务器等组成；光谱成像系统由光谱成像传感器、光源系统、自动扫描Y轴及Z轴同步升降双轴系统等组成。主要技术特点：1) 标配400-1000nm高光谱成像，或400-1000与900-1700nm双镜头高光谱成像，可选配1000-2500nm高光谱成像2) 选配Thermo-RGB红外热成像与RGB成像分析3) 选配叶绿素荧光成像分析4) 选配3D激光扫描5) 称重式360度旋转平台（选配），可实现植株顶部和侧面（Z轴）全方位成像分析6) 全自动样带式扫描（Y轴）成像，可同时对多盆植株成像分析，还可对样品盘内的根系、叶片、果实、种子进行高通量成像分析7) 模块式结构，主机系统采用5G通信技术，星型组网物联网模块，可任意扩展增加传感器和控制模块如光源、秤重、旋转平台、温湿度监测等8) 可远程控制、自动运行数据采集存储等功能9) 系统自动保护功能，发生短路、过载、欠压时自动紧急断电，避免设备损坏10) 系统平台具万向脚轮，方便移动主要技术指标：1) 控制单元为嵌入式操作系统，全中文触控屏，方便系统调试、试运行等2) 用户可通过PC端全中文GUI软件实现远程操控相机及平台3) 10英寸触摸显示屏，集移动扫描、同步升降、相机控制、光源开关、快门触发、一键秤重及显示于一体4) 支持组合命令：最高可设置10条命令，实现无人值守工作5) 模块式结构，5G无线通信技术，传感器及控制单元星型组网，具备强大的扩展功能6) Y轴自动移动扫描行程1.2m，Z轴同步升降行程60cm，安全负载高达40kg7) 移动速度与精度：1-40mm/s可调，移动及定位精度1mm8) 有效扫描成像范围：120cm×60cm9) VNIR高光谱成像：a) 波段范围：400-1000nmb) 波段数：224通道c) 光谱分辨率：FWHM 5.5nmd) 空间分辨率：不低于1024×1024e) 信噪比600:1f) 分析参数：可成像测量分析作物生化、生理指标如叶绿素含量、花青素含量、胡萝卜素含量、光利用效率、健康指数、覆盖度、胁迫等20多个参数10) SWIR近红外高光谱成像：a) 波段范围：900-1700nmb) 波段数：224通道c) 光谱分辨率：FWHM 8nmd) 空间分辨率：不低于640×640e) 信噪比：1000:1f) 分析参数：可成像测量分析NDNI归一化N指数、NDWI归一化水指数、MSI水分胁迫指数等 11) 红外热成像：a) 分辨率：640×512像素b) 测量温度范围：-25℃－150℃c) 灵敏度：0.03℃（30mK）@30℃d) 光谱范围：7.5－13.5μme) 传感器：非制冷红外焦平面感应器，已多点校准（具校准证书）f) 1-14倍数码变焦g) 软件具备调色板（自然、彩虹、灰度、梯度等14种颜色组合）、差值技术、温度范围设置（以改变颜色分布或突出选择范围等）、等温线模式、选区分析（点、线、多边形等）、温度扫描（显示所选线的温度分布曲线等）、剖面温度、时间图等；可显示图片信息；具备报告模式等；可进行控制设置12) RGB彩色成像：高分辨率 RGB 成像，分辨率达 18MPixels，10 倍光学变焦，可选配其它分辨率镜头，配备专业形态测量与颜色分析软件13) 叶绿素荧光成像单元（选配）：a) 专业高灵敏度叶绿素荧光成像CCD，帧频50fps，分辨率720x×560像素，像素大小8.6×8.3μmb) 光化学光最大1000μmol.m-2. s-1可调，饱和脉冲3900μmol.m-2. s-1c) 可自动运行Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭分析、光响应曲线等protocolsd) 50多个叶绿素荧光自动测量分析参数，包括：Fv/Fm、Fv’/Fm’、Y(II)、NPQ、qN、qP、Rfd、ETR等，自动形成叶绿素荧光参数图e) 自动同步显示叶绿素荧光参数及参数图、叶绿素荧光动态曲线、叶绿素荧光参数频率直方图14) 可选配ENVIS环境因子监测模块，如空气温湿度监测及CO监测等15) 系统平台规格：标配约190cm×170cm×60cm（长×宽×高）