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博普特植物表型组学多维度解决方案介绍(二)

2020.4.04

1、Videometer Portable 多光谱表型成像系统对小植株的生理胁迫研究

通过植被指数可评估不同状态下植被的生理结构和功能特性,包括生物量、冠层结构、叶面积指数、叶绿素含量以及植物冠层的光利用效率等。研究表明,Videometer 可用于拟南芥中叶绿素(NDVI)和叶黄素(PRI)的含量的检测,并能精确评估植株样本的状态。通过验证具有代表性的植被指数,可为其它植被指数的评估计算提供样例,并为在植被研究领域获得更多生理信息奠定了基础。

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2、Videometer对种子病害的研究

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 Videometer 可对种子真菌感染,如镰刀菌感染情况进行研究,例如病斑所占比例等。

 3.Videometer 大麦白粉病的研究

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歌本哈根大学的专家利用Videometer多光谱表型研究平台在Frontiers in Plant Sciences 上发表了名“Screening of Barley Resistance Against Powdery Mildew  by Simultaneous High-Throughput Enzyme Activity Signature Profiling and Multispectral Imaging”的文章,研究人员利用了Videometer公司开发的多光谱表型研究平台,波段范围从400-1000nm,共计10个波段。

 多光谱成像作为非接触式的测量传感器,在植物疾病严重程度与宿主植物对特定植物病原体的易感性的评估方面有很大的应用。根本哈根大学利用Videometer设备研究利用其评估了不同大麦品种在冠层尺度上的白粉病严重程度,并通过多光谱成像结合数据分析方法评估品种的不同疾病严重程度。

VideometerMR根系多光谱成像系统

根系是植物的重要组成部分,植物吸收土壤中的水分与养分全依赖根系,所以根系的研究对于植物各学科来说都至关重要,根系是陆地生态系统“隐藏的一半”,而且是动态生长的,对其进行准确取样、观察和测定存在一定困难。所以,根系研究方法的选择,相对于对地上部分而言对研究结果具有更大的影响。 丹麦Videometer公司开发的根系多光谱原位监测系统是世界目前唯一的一款根系多光谱测量系统,整体性能指标处于国际领先水准,已经在丹麦歌本哈根大学使用并取得了极佳的效果。

广大科研工作者为了研究根系,应用了很多方法,从传统的挖掘法、根钻法、玻璃壁法、容器法等等,到现代的根窗法、微根管法等等,取得了很多科研成果。随着科技的发展,越来越多的现代高精尖技术应用到根系研究中来,多光谱成像技术就是其中一种,它集光谱和图像为一体,含有海量的光谱信息和空间信息,这些信息体现了植物各种器官、组织的诸多表型特性,该技术图谱合一的特性使其在根系表型方面具有较大潜力。

丹麦Videometer公司开发的根系多光谱原位监测系统,是做根系研究的革新性专业装备,无论对于浅根系蔬菜还是浅根系乔木,都具有现实性研究意义。目前在根系研究领域中,对于玉米根系和小麦根系所作的研究比较多,但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系原位监测仪的出现,改变了这种情况,使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中,可以使用原位的方式,无损伤的进行监测。

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根系是植物主要吸水、营养物等器官,通过对根系监测和研究,能优化水肥方案,促进农作物、林业等产业增产增效,有利于土地荒漠化治理、土壤修复等。但长期以来,对根系研究主要是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法等传统方法,采样破坏性大、工作量大,严重阻碍了根系研究的深入开展。《科学》杂志曾出版专辑认为,“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解”,更是佐证了地下生态学研究难度之大。因此,对根系研究方法的选择和改进,对科研结果影响巨大。

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丹麦根本哈根大学科学家等利用多光谱成像系统对植物植株、根系进行成像研究,取得了前瞻性的成果。

该研究以深根系大麦为研究对象,将大麦下方埋了有3m长的微根管,使用Videometer公司的Videometer MR多光谱成像系统,定期通过根窗透明面对根系成像分析。原始光谱图像经过Videometer自带软件一系列算法处理后得到目标根系图像,随后进行阈值分割、模糊聚类等模型分析,得到根系的形态学数据。

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传统的RGB可见光成像技术是利用颜色识别根系,前提是根系和土壤之间要有比较明显的色差,但实际根系生长在土壤中,颜色差异并不明显,这样根系识别可能会造成比较大的误差,RGB可见光成像技术使用就会受限。歌本哈根将多光谱成像技术和传统的RGB成像技术进行了对比,显示多光谱成像技术基于光谱特征在根系识别上的明显优势,并且对多光谱成像另一项无可比拟的功能进行了初步探讨——即光谱特征对于根系生化特性的识别(例如细根发生、成熟、衰老、死亡的周转过程;例如根际分泌物成分的变化等),显示了多光谱成像技术在根系研究领域的巨大潜力。

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Videometer系列多光谱成像系统广泛应用于:植物/作物表型组学研究分析;根系分析;作物育种与种子品质检测;植物/作物胁迫生理响应;作物病理学分析与病原检测;食品检测;中药成分分析与品质检测。来自哥本哈根大学、丹麦理工大学以及丹麦Videometer公司的专家在刚刚利用该设备在Plant and Soil上发表了题为A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis的文章,早些利用该设备进行研究的文章题为Frontiers in Plant Sciences,Screening of Barley Resistance Against Powdery Mildew  by Simultaneous High-Throughput Enzyme Activity Signature Profiling and Multispectral Imaging。

Frauhofer植物根系计算机CT断层扫描系统

基于X光的计算机断层扫描技术(CT)广泛应用于科学研究各个领域,如制药、纳米科学、材料科学以及植物科学等领域。得益于X光CT技术,在农业以及植物科研进展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、无损、无干扰测量植物根系统成为可能,也使得植物生长期间对下游复杂机制的研究成为可能。到目前为止,已经采集到大量植物CT扫描数据,但如何有效、精确对其进行分析,还面临着挑战。科研人员经过对植物根系3D CT断层扫描的有效的统计以及计算方法进行了回顾。基于图像的植物根系分析方法划分如下 (1) 根分区切割,例如,(1)将根系与非根背景区分;(2)根系统重建;(3) 提取高层级表型性状。

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在设备开发领域,德国Frauhofer研究院毫无疑问处于执牛耳的位置,专门成立的植物表型研究团队开发了系列适用植物科学研究的计算机断层扫描系统,如便携式计算机扫描系统,台式高精度计算机断层扫描系统以及落地式大成像面积计算机断层扫描系统以及高通量根系表型断层扫描系统。



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