高通量作物器官表型檢測(cè)平臺(tái)在植物根系微觀表型研究中的應(yīng)用

高通量作物器官表型檢測(cè)平臺(tái)依托高精度三軸成像平臺(tái)自動(dòng)完成從樣本定位、掃描到圖像采集全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)超大范圍、自動(dòng)化、高速率的微觀圖像數(shù)據(jù)采集，并同步輸出高分辨率器官局部顯微圖像與超高分辨率完整器官圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)待測(cè)樣本整體表型與局部微觀表型數(shù)據(jù)的全域精準(zhǔn)分析。
 
核心功能
01超穩(wěn)固成像支撐
依托高精度三軸位移平臺(tái)與大理石平臺(tái)的雙重抗干擾設(shè)計(jì)，設(shè)備可主動(dòng)隔絕環(huán)境震動(dòng)與雜散光，搭配能兼容各類顯微觀察樣本（如器官、組織切片）的放置區(qū)域，確保微觀成像兼具極致清晰度與高度穩(wěn)定性。
 

箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

 
02全自動(dòng)高精度掃描
搭載三維高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠全自動(dòng)完成樣本宏觀巡弋、微觀目標(biāo)定位、對(duì)焦與高速掃描成像；還支持鍵盤(pán)實(shí)時(shí)操控機(jī)械軸運(yùn)動(dòng)，以及固定距離輸入控制，實(shí)現(xiàn)高通量無(wú)人工干預(yù)檢測(cè)。
 
03自動(dòng)規(guī)劃采集路徑
區(qū)別于市面上的3D超景深顯微鏡，該平臺(tái)可根據(jù)全視野RGB相機(jī)視角下拍攝的圖像，分析需要采集區(qū)域，并自動(dòng)規(guī)劃微觀圖像采集路徑（支持手動(dòng)規(guī)劃路徑），提高采集效率，減少不必要的空白信息采集。
 
04高通量顯微成像
顯微RGB相機(jī)采集微觀圖像，微觀鏡頭支持34X-250X放大，且可以靈活調(diào)節(jié)白平衡與曝光時(shí)間。顯微圖像拼接生成的超高清全景圖，支持任意位置微觀圖像精準(zhǔn)調(diào)取。
 
05超大成像范圍
突破傳統(tǒng)成像范圍，擁有300mm×300mm超大成像范圍，領(lǐng)先市面同類設(shè)備，無(wú)需多次移動(dòng)樣本或拼接圖像，即可實(shí)現(xiàn)大尺寸樣品微米級(jí)完整圖像采集。
 
06智能數(shù)據(jù)解析與量化
集成實(shí)例分割、形態(tài)學(xué)處理及拼接重建等算法，自動(dòng)完成圖像拼接、目標(biāo)識(shí)別與參數(shù)提取，量化輸出根系構(gòu)型、器官形態(tài)、葉片結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)等關(guān)鍵表型數(shù)據(jù)。
同時(shí)支持針對(duì)不同研究方向的表型分析算法定制開(kāi)發(fā)，可適配作物遺傳育種、生理生態(tài)等差異化研究場(chǎng)景的表型分析需求。
 

 
07采集速率高
以SOPTOP系統(tǒng)為對(duì)照，測(cè)試50mm單行拍攝耗時(shí)：高通量作物器官表型檢測(cè)平臺(tái)平均耗時(shí)僅為前者的1/7。核心優(yōu)勢(shì)源于高速連續(xù)運(yùn)動(dòng)拍攝策略，規(guī)避了傳統(tǒng)系統(tǒng) “停-拍” 的頻繁操作。
 

植物根系微觀表型研究應(yīng)用案例
如圖1所示，固定樣品，采集該樣品植物根系全景與微觀圖像；
 

圖1 待檢測(cè)植物根系

 
如圖2所示，采集全景視角相機(jī)下的根系分割效果圖；
 

圖2 根系分割效果圖

 
如圖3所示，根據(jù)全視野相機(jī)視角下的根系圖像，分析需要采集區(qū)域，并自動(dòng)規(guī)劃微觀圖像采集路徑；
 

圖3 自動(dòng)規(guī)劃微觀圖像采集路徑

 
如圖4所示，左圖為單張顯微圖像，右圖為通過(guò)拼接算法由微觀顯微圖像拼接成的超高清、超高分辨率全景根系圖，可查看任一位置的微觀圖像；
 

圖4 單張顯微圖像&超高分辨率完整根系圖像

 
如圖5所示，基于上述采集的超高清圖像可對(duì)根系根毛進(jìn)行分割，可全面分析多類根毛表型：
根毛基礎(chǔ)形態(tài)：根毛密度、根毛面積、根毛長(zhǎng)度（平均長(zhǎng)度、最大長(zhǎng)度、最小長(zhǎng)度）；
根毛縱向分布：根軸不同區(qū)段（根尖、伸長(zhǎng)區(qū)、成熟區(qū)）的根毛密度 / 長(zhǎng)度差異；
根毛聚類程度：根毛在局部區(qū)域的聚集系數(shù)（反映生長(zhǎng)分布均勻性）；
 

圖5 根毛表型采集

 
注：上述植物根系微觀表型相關(guān)研究資料，由合作院校提供；相關(guān)研究論文目前尚未發(fā)表，擬于近期正式投稿發(fā)表。
 
依托上述高通量作物器官表型監(jiān)測(cè)平臺(tái)提取的根系表型信息，可以做以下科學(xué)研究：
1、非生物脅迫響應(yīng)機(jī)制研究
依托根毛密度動(dòng)態(tài)變化、成熟區(qū)長(zhǎng)度分布特征，對(duì)比干旱/鹽脅迫水培體系中處理組與對(duì)照組的表型差異；結(jié)合根冠細(xì)胞ABA信號(hào)路徑、根尖分生組織細(xì)胞分裂模式，關(guān)聯(lián)根毛形態(tài)變化與根冠信號(hào)傳導(dǎo)、根尖基因表達(dá)（如AUX/IAA、SCR），闡明作物根毛表型可塑性應(yīng)對(duì)脅迫的生理分子機(jī)制。
2、養(yǎng)分高效/抗逆種質(zhì)篩選
依托成熟區(qū)根毛密度、縱向分布均勻性，測(cè)定不同種質(zhì)在正常與低磷脅迫下的表型數(shù)據(jù)；關(guān)聯(lián)根發(fā)育關(guān)鍵基因分子標(biāo)記，建立 “根毛表型-功能基因位點(diǎn)” 對(duì)應(yīng)關(guān)系，助力精準(zhǔn)篩選養(yǎng)分高效、抗逆性強(qiáng)的作物種質(zhì)。
3、根際微生物-根系互作研究
依托根毛表面微結(jié)構(gòu)、局部聚類程度，搭配超高分辨率成像能力，追蹤菌根菌絲（2-4μm）侵染、根瘤菌定殖根毛區(qū)的動(dòng)態(tài)過(guò)程；量化根毛表型與微生物侵染/定殖效率的關(guān)系，明確根毛在根際共生中的作用，為優(yōu)化菌根接種等共生體系提供依據(jù)。
4、栽培措施精準(zhǔn)優(yōu)化
依托根毛密度與長(zhǎng)度耦合特征、縱向分布動(dòng)態(tài)變化，測(cè)定不同水肥管理梯度下的根毛表型；關(guān)聯(lián)根系養(yǎng)分吸收效率，建立 “栽培措施-根毛表型-吸收效率” 響應(yīng)模型，優(yōu)化精準(zhǔn)栽培方案。
 
顯微成像效果案例展示

采集蝴蝶翅膀微觀表型

 

玉米氣孔表型采集分析

 

組織切片微觀成像

 
產(chǎn)品參數(shù)

 
應(yīng)用場(chǎng)景
1、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域
作物器官的微觀形態(tài)參數(shù)（如根毛密度與長(zhǎng)度分布、花粉粒形態(tài)與表面紋路、氣孔器密度與開(kāi)度）；
生殖發(fā)育鑒定（如花粉活力評(píng)估、雌蕊形態(tài)分析）；
抗逆機(jī)理研究（脅迫下根系微觀結(jié)構(gòu)變化、氣孔響應(yīng)模式）；
遺傳資源篩選（如突變體庫(kù)微觀表型快速篩查）；
2、生物領(lǐng)域
對(duì)各類胚胎、幼蟲(chóng)等生物的器官組織切片進(jìn)行高通量成像，分析發(fā)育過(guò)程中的形態(tài)變化。
3、醫(yī)療領(lǐng)域
組織病理檢測(cè)（如快速篩查腫瘤切片病變區(qū)域）。
4、食品領(lǐng)域
檢測(cè)食品中是否存在微生物污染、異物殘留等問(wèn)題。
 
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)交付案例