室内植物表型采集平台的研究进展与展望

摘要  高通量植物表型采集对作物改良育种、栽培管理具有重要意义。室内作为植物可控生长环境的场所，是研究植物表型的重要载体，许多表型信息采集与分析平台都是基于室内环境开发的。阐述了4种室内植物表型采集平台的建设情况，总结了植物表型采集平台的数据解析与管理方法，介绍了室内植物表型采集平台在植物研究中的实际应用，对未来室内植物表型采集平台的发展提出了展望。

关键词  植物表型；高通量；采集平台

中图分类号  S-1  文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2024）18-0010-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.18.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress and Prospect of Indoor Plant Phenotype Collection Platform

HUANG Yu-yan，HU Chu-han，WANG Tao et al

（Digital Agriculture Research Institute，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou，Fujian 350003）

Abstract  High-throughput plant phenotype collection is of great significance for crop improvement breeding and cultivation management.As a place that can control the growth environment of plants，indoor is an important place for studying plant phenotypes.There are many platforms based on the greenhouse environment for the collection and analysis of phenotypic information.This paper describes the construction of four indoor plant phenotype collection platform，summarizes the data analysis and management methods，introduces the practical application of the indoor plant phenotype collection platform in plant research，and puts forward the prospect of the future development of the indoor plant phenotype collection platform.

Key words  Plant phenotype;High throughput;Collection platfrom

基金项目  福建省农科院引导性科技创新项目（YDXM202210）。

作者简介  黄语燕（1987—），女，福建福州人，助理研究员，硕士，从事数字农业研究。*通信作者，副研究员，硕士，从事数字农业研究。

收稿日期  2023-11-13

植物研究需要结合基因型、表型与生长环境，高通量测序技术的发展使人们可以获得大量的基因组数据，然而植物表型组数据的获取数量却没有以同等的速度增长，一定程度上限制了植物研究的推进［1-2］。表型作为基因型和生长环境交互作用的结果，是植物生长状态的直观体现，通过表型数据的高通量快速获取，可加快推进功能基因组学研究、作物育种改良、农业精准管理［3］。传统上对植物表型的评估一般通过人力目测、手持操作或破坏性采样完成，通过这些方式得到的数据，用于研究基因型、表型与环境之间关系时，存在精度差、主观性强、效率低的缺点，制约了作物育种改良和功能基因组学研究速度［4］。随着传感技术、计算机技术的发展，高通量植物表型采集平台已成为定量评价植物形态、发育和功能的关键工具［5-7］。植物表型技术结合了先进的传感器和数据分析方法，相对于人工表型获取方法更加高效、可靠，极大地加快了表型研究进程，满足科研人员对高通量、精准、无损的植物表型信息获取需求［8-10］。

表型平台的应用场景主要有室内和室外两部分，室内表型采集平台一般部署在温室或生长室中，可精确调控植物生长温湿度、光照、土壤水肥等环境条件，能够针对性地研究植物在特定环境中的生长变化，避免了环境和基因型相互影响带来的无法预测的表型变化［2，4］。因此，室内表型采集平台能在特定试验条件下对作物生长发育进行精确分级模拟和针对性研究，在植物研究中具有重要意义。

1  室内植物数字表型平台建设情况

植物表型采集技术的发展趋势是从传统的人工观测到机器测量（如叶面积仪、叶片温度测定仪等），再到逐步实现多参数、高通量、智能化采集［11-12］。为了高通量、高效率、高精度地提取植物表型信息的需求，多传感器系统被广泛用于表型研究［13］。目前主要使用的传感技术有可见光成像［14］、高光谱成像［15］、多光谱成像［16］、近红外成像［17］、红外热成像［18］、荧光成像［19］、三维成像［20］、激光雷达成像［21］、核磁共振成像［22］和CT成像［23］等，部分传感器见图1。这些传感器以不同的方式被集成应用，分别实现不同的功能。按照表型采集平台搭载方式不同将采集平台划分为台式、传送带式、轨道移动式、机器人移动式四大类［11］。

1.1  台式植物表型采集平台

台式植物表型采集平台还可以分为便携式和非便携式。便携式设备操作方便、易于携带，能够将处理后的表型数据同步至智能终端，而且成本较低，已被广泛应用于植物表型性状测量［24-25］。便携式植物表型采集平台搭载的传感器主要有RGB相机、多光谱和高光谱传感器、热成像仪等［26］。Orlando等［27］设计了基于智能手机的PocketLAI应用程序，可以精确估计植物叶面积指数，使智能手机变为便携式叶面积指数测量仪器。ASD公司的FieldSpec也是一种高光谱成像设备，可用于叶片反射性能评估［28］。Wang等［25］研发的LeafSpec（图2）是一种便携式、低成本的玉米叶片高光谱成像手持设备，它搭载了推帚式高光谱相机、叶片扫描仪、灯箱和基于ARM的微控制器，通过扫描可以获取整个叶片的高光谱图像，并实现氮素含量和相对含水量的预测。荷兰KeyGene公司研发的一款便携式植物表型平台Key Box（图3）则能进行高通量表型分析，它采取了可折叠设计，可快速拆卸、打包，Key Box可打包成为一个拉杆箱，运输和携带非常方便。能够实现整株植物叶片、根部等器官的表型成像，具有极高的应用价值［29］。这些便携式植物表型采集设备能够灵活地获取研究所需要的表型参数，但是依旧需要人工操作，一般针对的也只是几种特定器官，只能实现单点测量，一定程度上限制了其在高通量表型方面的应用。

非便携式台式植物表型采集平台体积较大，一般采用固定式搭架。这类表型平台一般适用于中小型植物，由于没有传送装置，必须手工更换样品，但这类平台已能满足小批量采样的需求［30］。

Pheno Box是奥地利科学院GMI研究所研发的自动化表型分析平台（图4），可搭载RGB和高光谱相机，采用传感器固定、植株旋转的方式获取植株不同角度的图像，从而获取各类叶片的表型参数，自动化开源软件和数据处理方法可以从https：//github.com/Gregor-MendelInstitute/Pheno Box-System网站获取，该平台需要手动更换植株，每次只能拍摄1株，自动化程度偏低，但是价格经济，开源的软件使其能通过修改硬件和代码以适应特定的需求［31］。

慧诺瑞德（北京）科技有限公司开发的Plant Explorer是一款小型植物表型平台，具备可见光成像、多光谱成像和叶绿素荧光成像功能，可分析小型植物或植物器官的形态结构、光合生理特征和成分［32］。该公司推出的Trait4D则是专门为盆栽植物的高通量三维图像测量和性状提取而设计的系统，通过植物旋转对植物进行多侧面成像和顶部成像，进而提取株高、宽度、凸包面积、颜色等20多个表型性状，特别适合从幼苗到成熟植株的长期时间序列测量［33］。

另外，Scanalyzer PL［34］、Plant Monitor［30］等台式表型采集平台也被广泛应用于室内植物表型研究。这类非便携式台式植物表型平台能以相对容易接受的造价实现各类表型观测，但这类表型平台依旧是半自动的，在样品输送方面仍有改进空间。

1.2  传送带式植物表型采集平台

目前国内外大多数大型室内表型采集平台为传送带式，即植物放置在传送带上，通过自动控制系统自动传送至表型测量区域，实现自动化、高通量的表型测量［11］。LemnaTec公司的Scanalyzer 3D（图5）是一套全自动、高通量成像系统，它可加载可见光、近红外、根系近红外、红外热成像和荧光等成像系统，根据不同的版本，能传送10～1 200盆植物，所有种植盆配备自动化识别标签，可跟踪每棵植株的生长过程，对植株的形态性状、水分分布、逆境胁迫和生理状态等多方面进行研究［12，35］。

KeyGene和LemnaTec公司合作开发的PhenoFab平台，利用传送装置将植物有序地送至暗室成像房中，其成像模块主要包括可见光、近红外和荧光成像。可以获得作物表型、体内水分分布和生理状态的数字化图像，从不同角度对作物的性状特征进行选择和鉴定［36］。

WPScan是荷兰WPS公司研发的，该平台也是利用传送带将带有条码的植物传送到成像模块进行成像，可以定期、自动地监测得到植物各个生长阶段的所有表型数据［30］。

除了国外的各类大型平台，近几年我国也致力于自主研发室内植物数字表型平台。华中农业大学和华中科技大学的一个交叉学科团队研发了我国第一套高通量多参数作物表型测量系统HRPF，集成可见光成像、光电成像、自动控制、机电一体化技术，能够准确地识别和表征与形态、生物量和产量相关的性状，可实现水稻、玉米、小麦等作物的表型监测。该团队还在此平台基础上结合高通量测序技术，证明了高通量表型分析有可能取代传统的表型分析［37］。

这些平台开启了植物表型组学研究的新时代，能产生与海量基因组数据相匹配的表型数据，有利于科研与生产实践的开展，但是大型平台的建设需要投入大量的资金，不适合在一些基层科研单位与生产单位推广。

1.3  轨道移动式植物表型平台

轨道移动式表型平台是通过轨道带动表型采集设备运动，植株保持不动的方式完成采集。这类系统的传感器安装在根据室内结构搭建的固定轨道上，能够实现可移动的表型采集［11，30］。

中国科学院联合其他机构研发的Crop3D是门架轨道式高通量植物监测平台（图6）。该平台以激光雷达为主，并集成红外热成像、工业相机、高光谱成像等传感器。平台通过移动轨道对特定植物进行扫描，采集获得植株的二维RGB图像、三维点云、光谱反射率等数据，对数据进行分析处理，可以获得植物株高、叶长、叶宽、叶面积等表型参数，将分蘖期水稻点云提取的株高、水稻分蘖数与人工测量值进行精度分析，相关系数分别为0.94和0.80，RMSE为3.45 cm、2.21个［38］。