高通量作物表型平臺(tái)在作物多組學(xué)研究與現(xiàn)代育種中的應(yīng)用

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)科研中，人工表型檢測(cè)效率低、精度差、數(shù)據(jù)碎，已成為制約多組學(xué)研究和作物育種的關(guān)鍵瓶頸。高通量表型檢測(cè)手段的缺失，不僅讓科研人員難以高效精準(zhǔn)獲取作物表型數(shù)據(jù)，限制了基因組學(xué)等多組學(xué)研究的深度與廣度，更阻礙了現(xiàn)代育種技術(shù)的突破應(yīng)用。         

由武漢谷豐光電科技有限公司支持建設(shè)的浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物表型平臺(tái)，作為智慧農(nóng)業(yè)標(biāo)志性項(xiàng)目，成功攻克了這一難題。該平臺(tái)構(gòu)建起全面系統(tǒng)的作物表型信息采集體系，通過(guò)智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)從人工檢測(cè)向高通量、自動(dòng)化檢測(cè)的跨越，有效解決了效率與精度痛點(diǎn)。依托先進(jìn)的數(shù)據(jù)整合分析能力，平臺(tái)既建立了豐富完整的表型數(shù)據(jù)庫(kù)，又實(shí)現(xiàn)了多組學(xué)數(shù)據(jù)深度融合分析，不僅顯著加速農(nóng)業(yè)科研育種進(jìn)程，更為現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)力技術(shù)支撐，開(kāi)啟了智慧農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代育種深度融合的新篇章。
 
核心設(shè)施
浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物表型平臺(tái)構(gòu)建了一套覆蓋 “基因 - 環(huán)境 - 表型” 的智能化耦合鑒定系統(tǒng)，該系統(tǒng)由五大核心設(shè)施系統(tǒng)構(gòu)成，包括“智能環(huán)境控制系統(tǒng)”、“田間作物高通量表型檢測(cè)系統(tǒng)”、“溫室作物表型分析系統(tǒng)”、“根系表型檢測(cè)系統(tǒng)”、“PlantArray 系統(tǒng)”，基于核心種質(zhì)資源實(shí)現(xiàn)了從“基因-環(huán)境控制-表型數(shù)據(jù)采集”的全鏈路智能化。
 
智能環(huán)境控制系統(tǒng)


配置的3間高性能玻璃溫室與 4 間人工氣候室，搭載自主研發(fā)的植物生理生化監(jiān)測(cè)模塊，可模擬熱帶、溫帶、干旱等典型氣候場(chǎng)景，滿(mǎn)足小麥、玉米等作物在不同生長(zhǎng)階段的環(huán)境需求。實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)灌溉、補(bǔ)光、CO₂調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) “環(huán)境參數(shù) - 作物響應(yīng)” 的閉環(huán)監(jiān)測(cè)，為多種研究提供可控實(shí)驗(yàn)條件。
 
田間作物高通量表型檢測(cè)系統(tǒng)

 

田間植物表型平臺(tái)有效覆蓋面積6畝，融合龍門(mén)自動(dòng)定位單元、光學(xué)成像陣列（RGB/高光譜/紅外/激光雷達(dá)）和智能數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。能夠?qū)崿F(xiàn)高通量自動(dòng)化采集田間作物地上部表型數(shù)據(jù)，如冠層生物量、冠層溫度、冠層光合、植株養(yǎng)分含量、植株含水率以及各器官部位的光譜指數(shù)等性狀。
①技術(shù)集成：融合龍門(mén)自動(dòng)定位單元、光學(xué)成像陣列（RGB / 高光譜 / 紅外 / 激光雷達(dá)）及AI數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。 
②數(shù)據(jù)維度：實(shí)時(shí)獲取冠層生物量、冠層溫度、植株養(yǎng)分含量等超150個(gè)關(guān)鍵性狀，同步生成植被指數(shù)與三維點(diǎn)云模型，為大田作物全生命周期監(jiān)測(cè)提供數(shù)字基礎(chǔ)。
③應(yīng)用場(chǎng)景：可應(yīng)用于作物脅迫研究、作物育種、種質(zhì)資源品種鑒定與篩選、基因功能解析等。

 
溫室作物表型分析系統(tǒng) 
 
平臺(tái)配備了4套溫室盆栽作物高通量表型檢測(cè)系統(tǒng)，每套檢測(cè)系統(tǒng)配備RGB可見(jiàn)光相機(jī)和高光譜相機(jī)兩個(gè)成像暗室，可實(shí)現(xiàn)盆栽作物表型參數(shù)全自動(dòng)、無(wú)損、高通量精準(zhǔn)采集，并具備自動(dòng)識(shí)別盆栽的標(biāo)簽功能和稱(chēng)重澆水功能。
 

 
RGB 可見(jiàn)光成像單元：360° 旋轉(zhuǎn)拍攝結(jié)合三維建模技術(shù)，可提取株高、葉面積、葉片夾角等 40 + 形態(tài)學(xué)指標(biāo)，同步生成植株生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)。
 
高光譜成像單元：覆蓋400-1000nm和900-1700nm波段，可實(shí)時(shí)解析葉綠素含量、葉片氮素、含水量等生理參數(shù)，為光合作用機(jī)制研究提供量化數(shù)據(jù)。此外，可根據(jù)用戶(hù)需求，定制化開(kāi)發(fā)表型分析軟件，滿(mǎn)足不同作物不同性狀的采集需求。
 
根系表型檢測(cè)平臺(tái)

 
根系表型檢測(cè)平臺(tái)，集成了植株生長(zhǎng)根盒陣列、自動(dòng)澆灌裝置、智能行走檢測(cè)機(jī)器人、遠(yuǎn)程終端控制模塊、工作站模塊、云端存儲(chǔ)模塊、及智能圖像采集和分析模塊，可實(shí)現(xiàn)高通量、全自動(dòng)根系表型的采集和分析（地上+地下）。
 

PlantArray系統(tǒng)


該表型平臺(tái)配備了多種先進(jìn)的植物生理生化監(jiān)測(cè)裝置，并搭載了PlantArray多傳感器生理表型系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于環(huán)境與稱(chēng)重動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可全自動(dòng)、不間斷地采集植物生長(zhǎng)過(guò)程中的各項(xiàng)生理與環(huán)境數(shù)據(jù)，包括蒸騰速率、水分利用效率、生物量積累速率、莖稈水分流動(dòng)、根系吸水力等關(guān)鍵生理指標(biāo)，以及土壤濕度、光照、溫度等環(huán)境參數(shù)，全面反映植物在不同環(huán)境條件下的生理響應(yīng)與生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。
 
核心功能
 
01高通量表型分析（種質(zhì)資源精準(zhǔn)鑒定）    
1、形態(tài)結(jié)構(gòu)：地上部包括株高、葉面積、生物量、植株黃綠葉比、莖粗、分蘗數(shù)（水稻、小麥等）；地下部：根系結(jié)構(gòu)如根長(zhǎng)、根寬、最大根夾角等幾何特征。
2、生理指標(biāo)：葉綠素含量、水分含量及分布、植物營(yíng)養(yǎng)元素分布、水分利用效率（熱成像）、生物量（RGB/高光譜）。
3、應(yīng)用場(chǎng)景：如高低產(chǎn)品種篩選、種質(zhì)資源鑒定；抗逆性評(píng)估：干旱、鹽堿、病蟲(chóng)害脅迫下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。
 
02基因型-表型關(guān)聯(lián)研究    
結(jié)合GWAS（全基因組關(guān)聯(lián)分析）或QTL定位，挖掘調(diào)控關(guān)鍵性狀的基因位點(diǎn)。    
 
03育種輔助服務(wù)   
1、輔助分子設(shè)計(jì)育種，如篩選理想株型、抗病或高產(chǎn)材料。
2、篩選早期世代（F2/F3）大規(guī)模群體，縮短育種周期。   
3、開(kāi)發(fā)表型預(yù)測(cè)模型（機(jī)器學(xué)習(xí)+多組學(xué)數(shù)據(jù)）。   
 
04智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用    
1、田間表型監(jiān)測(cè)，優(yōu)化灌溉、施肥方案。   
2、表型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)決策支持。    
 
05環(huán)境互作研究   
表型和環(huán)境互作分析，解析環(huán)境對(duì)表型的影響，如模擬溫度變化、土壤濕度對(duì)作物表型的影響（可控人工氣候室）。
 
未來(lái)，谷豐光電將持續(xù)深化與高校、科研機(jī)構(gòu)的合作，聚焦作物表型技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)科研與育種提供更高效、精準(zhǔn)的技術(shù)支撐。通過(guò)技術(shù)賦能，攜手產(chǎn)學(xué)研各方，共同助力糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
 
（文章部分內(nèi)容來(lái)源：浙江省農(nóng)科院公眾號(hào)：省農(nóng)科院作物表型平臺(tái)——智慧育種新引擎https://mp.weixin.qq.com/s/TXT7mOKC-Fv24F14Qq3uvw）