PlantScreen 植物表型成像分析技术助力科研设备以旧换新

随着基因组学研究的发展，与之对应的表型组学研究从21世纪10年代初逐渐成为生物学研究的热点之一。从科学研究角度，表型组学研究能够解释基因组-环境-表型性状的复杂遗传与表达调控关系；从农业生产角度，植物表型组学则可以进一步提高作物产量并助力解决种质资源安全问题。因此，近十余年间，表型组学尤其是植物表型组学的研究得到了飞速的发展。

PCR技术和基因测序技术推动了基因组学研究的发展，甚至可以说构成了基因组学研究基础的一部分。与之类似，植物表型组学研究也需要相应的植物表型研究技术来助力。与之相关的研究工作需要对两方面的技术支持：

首先，对复杂的植物生长环境的监测与控制，用以模拟各种不同的环境条件来研究植物的反应。这方面需要的植物生长气候室、智能温室等技术已经较为成熟。

之后就要对大量植株的各种特征和性状即表型组进行鉴别与分析。尤其需要实现对植物的无损、连续测量，以跟踪植物的整个生活史，同时，获取的表型数据要能够反映植物深层次的生理过程。要实现这一点，目前技术方案就是植物表型成像分析技术。

PlantScreen植物表型成像分析技术在国际基因组学与遗传育种研究机构、育种公司的得到广泛应用，发表了大量学术论文和科研成果。国际上一些早期装备了其它植物表型系统的科研单位，后来又采用PlantScreen技术升级原有系统或者直接购买最新型的PlantScreen系统，如德国莱布尼茨植物遗传和作物研究所（Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research，IPK）在早年间安装有三套来自于其他品牌型号的植物表型平台，但这些平台都不能进行调制式叶绿素荧光成像，其厂家也不具备进行升级的技术能力。2016-2017年间IPK为这三套系统升级了PlantScreen专用的FluorCam调制式叶绿素荧光成像单元以及配套的光适应室，而且叶绿素荧光成像单元可以与原有系统良好兼容，完成高通量光合表型测量。这一更新升级使其原来的表型系统补齐短板，焕发新生。这3套升级系统一直运行至今，利用升级后的FluorCam叶绿素荧光成像单元已发表不少于10篇SCI论文。

IPK发表的部分引用文献：

1. Tschiersch H, Junker A, Meyer R C, et al. Establishment of integrated protocols for automated high throughput kinetic chlorophyll fluorescence analyses[J]. Plant Methods, 2017, 13: 1-16.

2. Li M, Hensel G, Melzer M, et al. Mutation of the ALBOSTRIANS ohnologous gene HvCMF3 impairs chloroplast development and thylakoid architecture in barley[J]. Frontiers in plant science, 2021, 12: 732608.

3. Lauterberg M, Tschiersch H, Papa R, et al. Engaging precision phenotyping to scrutinize vegetative drought tolerance and recovery in chickpea plant genetic resources[J]. Plants, 2023, 12(15): 2866.

4. Lauterberg M, Tschiersch H, Zhao Y, et al. Implementation of theoretical non-photochemical quenching (NPQ (T)) to investigate NPQ of chickpea under drought stress with High-throughput Phenotyping[J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 13970.

2024年初，国务院印发《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》。其中明确提出“提升教育文旅医疗设备水平。推动符合条件的高校、职业院校（含技工院校）更新置换先进教学及科研技术设备，提升教学科研水平”。2025年1月，国家发展改革委、财政部再次发布《关于2025年加力扩围实施大规模设备更新和消费品以旧换新政策的通知》，将支持范围进一步扩展至电子信息、安全生产、设施农业等领域，重点支持智能化、绿色化设备应用。

在植物表型组学科研领域，这也意味着国内科研单位可以通过国家以旧换新政策支持，像IPK这样升级更新自己原有的表型平台，进一步增强基因组-表型组相关研究能力，着力解决种质资源“卡脖子”问题。

经过十多年不懈的改进与研发，PlantScreen植物表型成像技术已经得到了植物表型组学研究者的广泛认可，全球安装量超过60套，其核心的各种表型成像传感器更是代表了目前植物表型成像技术的水平，具体请见下表：

基于这些成像传感器技术，PlantScreen设计了多种运行平台方案，以满足不同用户的实际需求。下面我们结合实际安装案例与研究成果来一一介绍。您可以从中挑选适合的以旧换新方案。

一、PlantScreen传送带版高通量植物表型成像分析系统

PlantScreen传送带版高通量植物表型成像分析系统是目前功能全面安装数量最多的PlantScreen型号。这一系统基于Plant-to-Sensor（PTS）运行模式，一般安装与温室或人工气候室中，分为植物培养区和成像区两个部分。植物样品放置于贴有二维码的样品盆中，通过传送系统自动在两个区域间运转。通过预设程序，实现自动化的培养与表型成像测量，结合自动称重浇灌单元，理想情况下可以实现植物全生活史的无人值守自动培养与测量。这一系统既可用于测量拟南芥、烟草等模式植物，也可用于测量玉米、水稻等作物，番茄、生菜、西瓜等水果蔬菜，乃至松树、椰子等苗木。

正式测量前，样品先经过专门的适应室进行预适应处理，以消除不同培养位置细微差异可能造成的测量误差。成像区则根据传感器类型分为多个专用成像室。成像室的设计可以使样品可顺序进行测量，测量速度快；尽量消除环境干扰，数据精确度高；可同时进行顶端和侧面成像。样品在各成像室之间转移与测量也都由系统自动完成。

引用文献：

1. Wen Z, et al. 2019. Chlorophyll fluorescence imaging for monitoring effects of Heterobasidion parviporum small secreted protein induced cell death and in planta defense gene expression. Fungal Genetics and Biology 126: 37-49

2. Abdelhakim L O A, Pleskačová B, Rodriguez-Granados N Y, et al. High Throughput Image-Based Phenotyping for Determining Morphological and Physiological Responses to Single and Combined Stresses in Potato. J. Vis. Exp, 2024, 208: e66255.

二、PlantScreen SC(Self-Containing) 植物表型成像分析系统

PlantScreen SC植物表型成像分析系统为应荷兰瓦格宁根大学NPEC需求专门开发的。这一系统相当于将PlantScreen传送带版高通量系统的成像区独立出来并改进成一套能自行工作的系统。该系统对安装环境要求大大降低，可在温室、步入式植物培养箱、甚至一般实验室中使用，同时配备万向轮，可以在各个使用场景间移动。用户仅需将样品托盘放置在系统的样品加载位，系统即可自动完成包括RGB、叶绿素荧光、红外热成像等所有表型数据的成像测量。日常使用与维护工作都更加简便。

引用文献：

1. Theeuwen T P J M, Wijfjes R Y, Dorussen D, et al. Species-wide inventory of Arabidopsis thaliana organellar variation reveals ample phenotypic variation for photosynthetic performance. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121(49): e2414024121.

2. Langan P, Cavel E, Henchy J, et al. Evaluating waterlogging stress response and recovery in barley (Hordeum vulgare L.): an image-based phenotyping approach. Plant Methods, 2024, 20(1): 146.

三、PlantScreen XYZ三维移动式植物表型成像分析系统

PlantScreen XYZ三维移动式植物表型成像分析系统基于Sensor-to-Plant运行模式设计，无需样品传送带，也不设置成像室。所有成像传感器均安装与一个扫描成像平台上。这个扫描成像平台通过机械装置可以在XYZ三个方向自由移动，根据下方样品的位置、高度自动调整并测量。这一系统的优点在于样品可以种植在样品盆中，也可直接种在土壤中，还可以进行水培。系统的大小可灵活定制，既可安装在大型温室中，也可以用于小型培养室或步入式培养箱。

引用文献：

1. Kumar P, et al. 2021. Molecular Mapping of Water-Stress Responsive Genomic Loci in Lettuce (Lactuca spp.) Using Kinetics Chlorophyll Fluorescence, Hyperspectral Imaging and Machine Learning. Front. Genet. 12:634554

2. Simko I, Zhao R. Phenotypic characterization, plant growth and development, genome methylation, and mineral elements composition of neotetraploid lettuce (Lactuca sativa L.). Frontiers in Plant Science, 2023, 14: 1296660.

3. Adhikari N. D, Simko I, Mou B. 2019. Phenomic and Physiological Analysis of Salinity Effects on Lettuce. Sensors 19, 4814.

4. Ugena L, et al. 2018. Characterization of Biostimulant Mode of Action Using Novel Multi-Trait High-Throughput Screening of Arabidopsis Germination and Rosette Growth. Front. Plant Sci. 9:1327

四、PlantScreen紧凑式植物表型成像分析系统

PlantScreen紧凑式植物表型成像分析系统将表型成像测量、LED光照培养和自动称重浇灌等功能融为一体，实现对拟南芥、小株烟草、作物/蔬菜幼苗的自动培养与连续表型测量。成像室与培养室由自动控制的气动门隔开，多个样品托盘根据设定程序，由传送带从培养室依次进入成像室测量，测量完毕后再回到培养室原位置。这一系统占地面积较小，对安装条件要求不高，可安装在一般实验室或培养室中。

引用文献：

1. Flütsch S, et al. 2020. Glucose uptake to guard cells via STP transporters provides carbon sources for stomatal opening and plant growth. EMBO Reports 21:e49719

五、PlantScreen植物根系表型成像分析系统

为解决地下根系表型测量，PlantScreen在高通量传送带式系统基础上设计了专门的根系表型成像分析系统。这一系统配备专用的根盒，通过透明根窗来对根系形态与生长动态进行测量。在不需要测量的时候，通过挡板遮盖住根窗，防止外界光线对根系生长造成影响。根盒配备3层定位（顶部、中部、底部）根系浇灌单元，实现对根系的均匀浇灌。系统可同时对地上部植株进行RGB、叶绿素荧光等表型成像测量分析，实现植物地上地下的表型测量。

引用文献：

1. Ebrahimi Naghani S, Šmeringai J, Pleskačová B, et al. Integrative phenotyping analyses reveal the relevance of the phyB-PIF4 pathway in Arabidopsis thaliana reproductive organs at high ambient temperature. BMC Plant Biology, 2024, 24(1): 721.

六、PlantScreen野外移动式表型成像分析系统

为了对野外植物与大田作物进行原位表型测量，PlantScreen将XYZ系统的表型扫描平台安装在各种野外机动平台，包括手动平台、电动助力平台、拖拉机平台以及自动扫描平台。扫描平台高度可根据植物高度进行调整，从而适用于各种不同的植物样品。这一系统也可以部署到温室甚至实验室中进行相关表型测量。

引用文献：

1. Stefański P, Rybka K, Matysik P. Phenotyping of winter triticale canopy density in field conditions using an RGB camera[J]. Biuletyn Instytutu Hodowli I Aklimatyzacji Roślin, 2024

 七、PlantScreen全自动高通量琼脂培养植物表型成像分析系统

PlantScreen全自动高通量琼脂培养植物表型成像分析系统是一套专门为琼脂平板培养植物进行自动接种、培养与表型成像分析的系统。该系统为全自动机器人操作，包括倾倒琼脂、播种、层积催芽、接种、成像分析全自动运行。可容纳2160个特制培养皿的全自动全流程高通量表型分析。系统由具备GMO（转基因生物）控制区的环控室（可选配）、操作台、培养柜（包括层积催芽柜）、机器人及成像工作站等组成，可进行根系形态成像分析、GFP等荧光蛋白成像分析、叶绿素荧光成像分析、多光谱成像分析、高光谱成像（透射光）分析及荧光高光谱成像分析等。

八、PlantScreen藻类表型成像分析系统

由于藻类样品的特殊性，对藻类进行表型成像分析需要进行专门的设计。PlantScreen藻类表型成像分析系统专门用来对多孔板中的藻类样品进行表型测量。系统包括藻类自动培养、样品加注、叶绿素荧光成像与高光谱成像等功能。样品多孔板的转运都通过机器人完成，从而实现无人值守的高通量藻类表型自动测量。

易科泰生态技术公司致力于“生态、农业、健康”科学研究与监测/检测技术方案推广、研发与应用服务，为国内高校科研与生产应用提供各种定制化的叶绿素荧光与植物表型成像技术方案，助力本次设备更新与升级，已协助数十家科研单位完成了叶绿素荧光成像、种质资源检测、植物表型成像分析、光合仪等科研设备的以旧换新项目。

作为PlantScreen植物表型成像技术的中国技术推广与服务中心，仅2023年初至2025年初两年间，易科泰已为国内科研单位安装了8套各种型号的PlantScreen植物表型成像系统。这些系统已经助力相关单位取得了初步的科研成果。

上面我们介绍了目前PlantScreen系统的各种型号功能、部分安装案例与科研成果。由于篇幅所限，内容都较为简单。欢迎各位老师与易科泰联系咨询，索取详细介绍、用户目录、科研文献等。

同时，易科泰还可以提供各种具备自主知识产品的国产化植物表型成像平台与技术方案。使用的表型传感器技术可比肩PlantScreen，成像平台则更加灵活多样，可为用户量身打造，实现科研技术水平、费用和安装场地空间的优化。

w PhenoTron®系列植物表型成像分析平台，自动传送版、XYZ三维自动扫描成像版，或其它客户定制系统

w FluorTron®多功能高光谱成像分析系统、FluorTron®光合表型成像分析系统

w PhenoTron®一体式智能LED培养与表型在线检测复式平台，适于组织培养、种子萌发及种苗表型分析、光生物学研究，为植物提供最佳光配方

w PhenoTron-SR，From shoots to roots，植物根系与种苗（土壤以上部分）高通量表型成像分析

w PhenoPlot®作物表型成像分析平台，基于易科泰近地遥感技术，轻便型或大型悬浮双轨平台，适于大田或温室作物原位表型成像分析

w RhizoTron®植物根系多功能高光谱成像分析系统

w 大田机器人表型成像分析系统

w Thermo-RGB红外热成像与可见光数据融合技术方案

心动不如行动，欢迎各位老师与易科泰联系咨询！