技术前沿 | 温室环境下植物表型研究平台
温室环境下植物表型研究平台
植物表型
多数植物的全基因组测序已经完成，但对这些基因组进行解析的难度要远大于测序的难度，多数基因功能并不清楚。植物的性状（Trait），也就是表型（Phenotype）——受到基因和环境的双重影响，难以进行可重复的精确测量。植物的表型是基因型和环境因素复杂交互的结果，基因型是表型得以表达的内因，而环境是表型得以表达的外因。植物表型研究是研究在特定条件下植物所表现出的可观察的结构、功能等形态特征及其变化规律，正成为学术和产业界公认的核心研究和应用领域之一，是解决面向未来的农业挑战（粮食安全、环境可持续发展、生物能源、人口老龄化等）的核心技术领域之一。国际表型界对表型研究也达成了研究策略共识（图1），植物表型的突破可以为育种、栽培和农业实践提供大数据决策支持。
目前植物表型研究集中在小麦、拟南芥、水稻、玉米、高粱、大麦、西红柿、豆类和葡萄等植物上。表型测量主要分为形态学参数和生理学参数。形态学参数包括作物高度、茎粗、叶面积指数、叶角、茎杆长度、株间距等。生理学参数包括叶绿素、光合速率、水分胁迫、生物量、耐盐性和叶片含水量等。这些参数都可以影响或表征作物的成长。
如果用医学的发展比对植物表型研究，更能清晰的获得未来植物表型的研究方向。如图2所示，未来的植物表型研究也会对植物内部和外部的全部物理、生理和生化特征进行规范化的表征。可见，对植物表型的研究受制于现代检测仪器研发进程。
植物表型研究平台
随着高通量植物表型测量技术的快速发展，越来越多的植物表型研究平台投入使用。下面介绍几个典型的研究平台。
1. 澳大利亚国家植物表型研究设施——植物加速器（PlantAccelerator）
澳大利亚国家植物表型研究设施—植物加速器造价2656万美元，2010年建成并对外开放，如图3、4所示。
建筑面积4485m2，其中2340m2为温室。由4个140m2的全自动温室以及两套“全自动高通量植物3D成像系统Scanalyzer3D组成，进行植物表型研究的成像设备，包括传送带、成像模块、“暗房”、运输车、控制系统等都由德国LemnaTec公司提供。每套Scanalyzer3D系统占有两个140m2的温室，带可见光成像、近红外成像、根系近红外成像、红外（热）成像和荧光成像模块，以及自动浇水和称重设备，并配有可自动传输2400盆植物的传送带和运输车。2套Scanalyzer3D系统的传送带长度加起来达1.2km。通过可见光成像可以观测植物的结构、宽度、密度、对称性、叶长、叶宽、叶面积、叶角度、叶颜色、叶病斑、种子颜色、种子颜色面积等参数，通过近红外成像可以分析植物的水分分布状态、水力学研究、胁迫生理学研究等，通过根系近红外成像分析植物根系和土柱中的水分分布情况，通过红外成像可以进行植物干旱胁迫研究、蒸腾研究等，通过荧光成像可以分析植物的生理状态。所有植物都通过条形码或射频标记，其整个生长发育阶段表现数据都可定期进行测量。两套系统24h连续运转，每天可以获得4000~6000盆植物的表型成像数据。
2. WPS公司植物表型研究设施——全自动和半自动植物表型研究平台
荷兰WPS公司提供全自动和半自动植物表型研究平台，其中全自动化平台（图5）可以确保试验密切连续执行，半自动化主要借助现有温室生产采用专用的转运输送系统（图6~7），是一种低成本的表型研究平台。无论是全自动还是半自动都需要装配高精度浇水设备（图8），保证实验的准确性。
3. 日本半自动3D植物表型模拟系统
日本千叶kazusaDNA研究院前沿技术研究所开发了一套半自动3D植物表型模拟系统（图9）用于育种研究，栽培区放置在温室中，每个植物需要拍照72张，耗时10min，才能重构植物3D模型。
植物表型研究相关组织
目前，植物表型研究还处于研究发展初期，田间表型、数据管理、费用、根系表型、非生物胁迫、行业标准、技术限制、生物信息学、通量等是制约植物表型组学发展的主要问题。目前，国际上主要有国际植物表型组织（IPPN）、欧盟植物表型组织（EPPN）和德国植物表型组织（DPPN）等相关组织，通过举办以植物表型为主题的学术会议，扩大植物表型研究的影响力。其中，以IPPN影响较大，该组织2009年在澳大利亚举办了第一届国际植物表型研讨会（InternationalPlantPhenotypingSymposium），2011、2014、2016、2018年相继在德国、印度、墨西哥、澳大利亚召开，在国际植物学界产生了重要影响。2019年10月22~26日第6届国际植物表型大会将在南京举办，给中国研究领域相关人士提供了近距离学习交流的机会。
发展展望
植物表型研究随着大数据、云计算和人工智能和检测技术的发展呈现快速发展态势，对于温室园艺领域，无论是学界还是业界都应提前布局相关的研究和开发工作，为植物表型研究在温室领域的应用建立研究平台。植物表型研究平台可以加速研究进程，在高通量条件下对植物进行无损分析，植物在整个生命周期中被多次成像，利用几个月的时间就可以积累过去几年才能获得的数据。各国都在加大植物表型研究的重大科研平台建设。如荷兰表型研究中心和英国国家表型研究中心相继投入建设了科研平台，加大在表型上的研究（图10~11）。中国的科研工作者也应积极参加植物表型研究的相关会议，同时密切关注跟踪植物表型研究动态。从上文可知，借助温室，相对简易的植物表型研究平台也可以实现低成本投入。
对于温室产业，植物表型研究的重要载体大多依赖于温室，温室成为植物表型研究、作物生长的加速器。温室企业应主动入位，积极探索研究开发植物表型研究用温室及其配套的物流运输系统，针对中国的地域分布，研究开发不同规模的温室，开发物流运输系统、栽植盆、精确灌溉系统以及数据采集系统，发挥温室产业在重大科研平台建设中的作用。
作者：丁小明（农业农村部规划设计研究院设施农业研究所，农业农村部农业设施结构工程重点实验室）
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