第1章 作物表现绪论

绪论HUAZHONGAGRICULTURALUNIVERSITY1目录CONTENTS第一节表型组学定义第二节植物表型组学国内外研究进展第三节植物表型组学展望第四节推荐阅读第五节思考与讨论2一、表型组学定义概念起源与发展20世纪90年代兴起，1996年由StevenA.Garan首次提出。1997年NicholasJ.Schork强调其在复杂疾病研究中的重要性。2002年Niculescu和Kelsoe将其定义为连接表现型与基因型的桥梁。核心内容表型组学与表型鉴定研究相关，结合基因组和蛋白质组探究表型的本质及其相互作用，逐渐发展为生物学的重要分支。植物表型组学指从细胞水平、器官水平、植株个体水平及群体水平等多层次获取多维表型数据的新兴学科。在基因组水平上系统研究植物或细胞在不同环境条件下所有表型的学科，其研究利用的是多尺度、多维度的全方位数据，包括空间尺度上小至核苷酸序列和细胞，大至组织、器官、个体及群体，以及整个生育期的时间维度信息。3二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展2005年，比利时CropDesign公司研发世界上首套大型植物高通量温室表型平台——TraitMill。TraitMill在研究基因对植物表型的影响中发挥重要作用，可以实现对大规模转基因植物的评估，包括在最佳生长条件、不同非生物或养分胁迫条件下植物表型的检测，可检测的表型参数包括单株小花总数、单株饱满种子总数、结实率、千粒重、种子大小、种子尺寸（宽、长）、穗数、每穗花数、开花时间、最大地上植株生物量、幼苗地上植株生物量、收获指数、根系生物量、根冠指数、绿色指数（图1-1）等。4环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-1TraitMill检测的水稻绿色指数(

a)

(

c)分别表示未受盐胁迫和受盐胁迫下水稻的原始图像；(

b)

(d)分别表示经添加人工颜色处理后，未受盐胁迫和受盐胁迫下水稻的颜色可视化图像。衰老程度较高的叶片部分呈黄色，大部分绿色叶片则呈深蓝色，受盐胁迫的水稻植株衰老更加明显二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展德国LemnaTec公司抓住机遇研发出全自动高通量植物3D成像系统—Scanalyzer3D，该系统属于室内表型平台，通过传送带将植株输送至成像中心。随着技术进步，该产品的名称和功能也在发生变化（图1-2）。5环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-2Scanalyzer

3D名称变化过程二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展PhenoAlxpertHT具有先进照明和光学元件的成像室，搭载了更多成像传感器，并使用了先进的输送技术，使植物平稳输送以减少损伤。PhenoAlxpertHTC（图1-3）带有一个机柜，该机柜结合了与输送系统连接的多个成像站，将植物从一个成像站带到下一个成像站，将自动表型系统的成像灵活性与紧凑的结构相结合，是全自动空间要求严苛的、经济实惠的理想产品。可以对直径达195mm、高度达700mm、最大质量为10kg的盆栽植物，进行精确成像；同时，结合LemnaGrid分析软件进行图像处理，获取表型性。6环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-3PhenoAlxpert

HTC结构图(

a)整体系统框架图；(b)系统内部顶视图；(

c)系统内部侧视图二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展LemnaTec近年来还推出了PhenoAlxpert系列的其他产品，包括PhenoAlxpert、Pheno-AlxpertES和PhenoAlx-pertPro（图1-4)。7环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-4PhenoAlxpert系列产品图(

a)

PhenoAlxpert；(

b)

PhenoAlxpertES；(

c)

PhenoAlxpertPro图1-5PhenoAlxpert

系列产品成像(

a)

PhenoAlxpert识别培养皿中幼苗的芽和根；(b)PhenoAlxpertES对托盘中生长的拟南芥幼苗表型检测；(c)PhenoAlxpertPro对大豆胁迫响应的表型分析PhenoAlxpert可识别培养皿中生长的幼苗的芽和根，并测量芽面积、一级根长和次级根长（图1-5a）；PhenoAlxpertES可用于分析分子相互作用或植物-微生物相互作用（图1-5b）；PhenoAlxpertPro可采集盆栽植株的多视角图像（图1-5c）。二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展澳大利亚植物表型组研究所（AustralianPlantPhenomicsFacility，APPF）的高通量智能室（high-throughputsmarthouses，图1-6）是南半球最大的高通量表型设施，包含4个大型温室（每个温室可容纳600盆植株，每个盆栽可承重4.5kg），配备超过1km的传送系统及基于LemnaTecScanalyzer3D的成像站，可自动浇水与称重，并使用RGB（redgreenblue）、荧光和高光谱成像对植物的表型进行无损检测。8环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-6APPF高通量智能室(

a)传送系统与成像站；(

b)温室；(

c

)植物生长于水缸中；(

d

)顶部龙门架轨道搭载成像系统二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展PhenoSpex推出的PlantEye多光谱3D激光扫描仪（图1-7）可通过激光获取植物的3D点云信息，当前多应用于环境可控的室内表型分析。它将非常薄的近红外激光投射到植物或植物顶部上，然后通过安装在PlantEye传感器另一端的集成摄像头对激光光线进行反射和捕。通过3D模型可自动分析20多种植物参数，包括植株高度、3D叶面积、叶倾角、叶绿素含量、归一化植被指数（NDVI）、植被衰退指数（PSRI）等（图1-8）。此外，PhenoSpex研发的DroughtSpotter（图1-9）可完全自动和高通量评估植物的蒸腾速率及用水效率，其承重可高达300kg，可结合PlantEye进行植物抗旱研究。9环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-7PlantEye多光谱3D激光扫描仪示意图图1-8PlantEye采集的具有不同光谱扫描分析信息的番茄植株三维模型(

a

)RGB；(

b

)NIR；(

c

)NDVI图1-9PDroughtSpotter示意图(

a

)实验室；(

b

)实验田二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展PlantScanTM是一个集成的分析管道，将硬件和软件工具无缝集成，利用高分辨率相机和三维重建软件等尖端信息技术对植物结构（拓扑结构、叶片数量）、形态（叶片大小、形状、颜色、面积、体积）及生理功能进行自动化、无损检测分析。PlantScanTM表型平台配备（图1-10）：①2个微测辐射计传感器（型号A645，FLIRsystemsInc，MA，USA），以0.045°K的分辨率在7.5～14μm波段采集温度信息。②3个JAI3-CCD光学传感器（型号AT-200GE）和1个JAI4-CCDRGB/NIR光学线扫描仪（型号LQ-200CL），配备Fujinon变焦镜头（型号C22x17R2D-ZP1），采集可见光和近红外光谱信息。③2个同步光探测和测距（LiDAR）传感器（SICKLMS400），工作波长为650nm，扫频为70°，并以270Hz的速率收集飞行数据和反射率数据。其由双传送带组成，需要手动加载。将植物固定在盆栽中，单个植物由二维码标识。10环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-10PlantScanTM表型平台(

a)

PlantScanTM

表型平台示意图；(

b)二维码识别单株植物；

(

c)成像室及剪刀式升降平台二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展CabScan（图1-11）是一种机器人龙门系统，安装在两个Conviron生长室顶部，每个机器人由两个RGB成像系统和一个红外（IR）相机组成，每7min进行一次图像采集，适用于幼苗和小植株的表型检测。配置立体RGB摄像头使其可对植物进行3D重建，而红外图像与之共同配准。TrayScan（图1-12）是一个中小型高通量植物分析系统，该系统每小时可采集15个托盘的植株信息，每天可采集多达2500株植物信息，主要应用于拟南芥等小型植物。其结合了热成像、RGB和荧光成像，可对植物的光合性能进行检测，提供与植物生长和产量相关的信息11环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-11CabScan系统图1-12TrayScan系统二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展普渡大学（PurdueUniversity）的表型设施——AgAlumniSeedPhenotypingFacility（AAPF，图1-13）于2017年建成，并于2018年开始运营，有一个大型步入式Conviron控制的环境室。AAPF是一种自动化的表型设施，具有自动传送带，可进行精确的环境控制及精密灌溉。其搭载的RGB相机可量化株高、株宽、颜色和形状等随时间推移的表型性状，高光谱相机可显示植物营养成分、应激反应、疾病和昆虫感染等情况，而X射线CT根扫描仪则可以无损记录根的生长。2022年，IPKGatersleben推出新表型设施——植物栽培大厅（theplantcultivationhall，图1-14），这是一个占地面积为1000m2

的大型“物侯圈”，能够在严格控制的动态类田间环境条件（光、空气温度、湿度、CO2浓度、土壤温度、浇水和施肥）下进行植物栽培。12环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-13AAPF表型平台图1-14IPKGatersleben

新表型设施——植物栽培大厅二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展德国LemnaTec公司研发出FieldScanalyzer田间自动化高通量作物表型检测系统（图1-15），此系统带有一个集成表型传感器和环境传感器的传感器盒，传感器盒的天气屏蔽功能可在恶劣天气下保护电子设备。其表型传感器包括可见光成像、近红外成像、叶绿素荧光成像、高光谱成像、多光谱成像、红外热成像及3D激光扫描，相机盒的总有效载荷可达500kg，研究者可根据需要搭建相关成像传感器。此系统已广泛应用于田间表型检测。13环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-15FieldScanalyzer示意图图1-16PhenoRob

团队开发的田间表型设备(

a)

CP1新型地面和空中飞行器；(

b)

CP4田间地面机器人PhenoRob团队开发了新型地面和空中飞行器（图1-16a），这些飞行器可以自主运行，并提供从试验地块到田间规模的单个植物器官精确地理配准的表型数据。此外，还开发了自主田间地面机器人（图1-16b），能够检测和识别个体植物，并对田间杂草进行测绘，以微创、减少除草剂投入等方式进行除草。二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展PhenoMobile®

是一种田间轻巧型表型设施（图1-17），适用于高度小于1.5m的作物，由一个具有可调节轮距（适用于不同宽度的地块）的轻质框架组成，由单个电动轮驱动并由操作员从后面引导，从而实现平稳轻松的操作。PhenoAIR™pod采用标准检测中心（StandardsandtestingCentre，STC）认证的R44直升机舱，配备先进的成像载荷，搭载高分辨率的红外热成像仪（FLIRSC645）和3000万像素的RGB相机，集成了惯性测量单元和全球定位系统，适用于所有需要大面积、大尺度上测量冠层温度的作物表型检测（图1-18）。ArduCrop无线传感器网络（图1-19）由许多单独的传感器节点组成，这些节点不断从田间收集高精度温度数据，专门设计用于在田间环境的极端条件下测量作物冠层温度。14图1-17PhenoMobile®

示意图环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-18PhenoAIRTM

pod示意图图1-19大田中的ArduCrop传感器二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展BluVision是一种用于植物病理学微观和宏观图像的高通量图像采集和分析的软硬件框架（图1-20）。显微模块是基于一种先进的高通量显微镜扫描仪（ZeissAxioScan.Z1）（图1-21）。宏观模块基于自定义的全自动多光谱二维成像站（图1-22）。15图1-20BluVision

框架环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台显微表型平台IPKGatersleben开发了BluVision，包括BluVisionMicro（显微模块）和BluVisionMacro（宏观模块），用于在微观和宏观层面上研究植物-病原体的相互作用。图1-21BluVision

显微模块图1-22BluVision宏观模块二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展鲁汶大学（CatholicUniversityofLeuven）Draye等研发出Aeroponics平台（图1-23），主要用于获取根系的动态生长情况，结合图像分析管道获取根长最大值、主根伸长率、胚根数、侧根密度、凸包面积等根性状参数，同时可通过机器学习模拟根尖的时空分布及根系统重建等。此平台可容纳2×495株植株，植株的生长天数限制为21d（60cm的根），空间分辨率为35μm，时间分辨率为2h，成像采用的是灰度线性相机。如图1-24所示可看Aeroponics平台获取的根系十分清晰。16图1-23Aeroponics平台(

a)平台A视角；(

b)平台B视角；(

c)具有二维码编号的植株；

(

d)平台获取的植株根系环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-24Aeroponics平台根系图像二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展LICOR6400光合作用系统（图1-25）在便携式光合作用测量系统中占据世界领先地位，提供高水平的软件和硬件集成，坚固耐用，便于携带，可应用于田间或实验室光合作用测量。该系统可在同一叶片区域内同时测量荧光和气体交换，精确测量小光合作用速率及CO2浓度，适用于大多数植物。17图1-25LICOR6400光合作用系统(

a)仪器示意图；(

b)仪器工作图环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台便携式LI-3000C叶面积仪（图1-26）是一款轻巧便携、无损的叶面积测量仪器，非常适合在单个时间点或整个生命周期内对附着的叶片进行快速现场调查，可测量每片叶子的面积、长度、平均宽度和最大宽度。图1–26便携式LI-3000C叶面积仪(

a)仪器示意图；(

b)仪器工作图二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展PhotoynQMultispeQv1.0叶绿素荧光仪（图1-27）应用于大多数植物，可测量荧光碱基参数（qL、qP、ΦII、LEF和NPQ）、基于吸光度的参数（vH+、gH+、ECSt和相对叶绿素含量）及环境参数（温度、相对湿度、气压、叶片温度、光照强度、基本方向和倾斜度）。WALZMONITORING-PAM叶绿素荧光计（图1-28）用于无人值守、长期和多站点监测空气或水分下的叶绿素荧光检测。在量点，紧凑而坚固的发射器检测器单元测量调制的叶绿素荧光每个测并执行饱和脉冲分析。根据系统配置，每个MONITORING-PAM系统最多可以同时测量7个站点。18图1-27PhotoynQ

MultispeQv1.0叶绿素荧光仪环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-28WALZMONITORING-PAM叶绿素荧光计(

a)监测葡萄叶的光合作用；

(

b)发射器-探测器单元MONIHEAD/485的测量端，指示荧光激发、检测及环境光测量的光路二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展FieldScoutCM1000叶绿素计（图1-29）是一种手持式、非接触式快速叶绿素含量测量仪，配备内部数据记录仪和RS-232端口，其激光导轨可勾勒出被测样品区域的边缘，测量的时间间隔为2s，测量范围30.5～182.9cm的锥形区域，计算并显示多个读数的平均值，可记录3250次测量结果（添加GPS/DGPS时为1350次）。HandyFluorCamFC1000-H（图1-30）是一款轻巧的便携式设备，可在田间和实验室中对叶子、小植物、叶段、苔藓、地衣、种子、根、平板上的组织或藻类菌落进行时间分辨叶绿素荧光成像。19图1-29FieldScout

CM1000叶绿素计(

a)测量显示屏；(

b)叶绿素计大田工作图环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-30HandyFluorCamFC1000-H设备(

a)HandyFluorCamFC1000-H设备示意图；(

b)

HandyFluorCamFC1000-H可计算的参数二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展2022年9月，荷兰瓦赫宁根大学与乌得勒支大学联合研发综合型表型平台——NPEC（图1-31a）将正式开放。NPEC由6个模块构成，每个模块都提供一个专用的表型平台，并带有自己的测量系统：①Ecotron模块，由一系列完全封闭和受控的中宇宙系统组成，可实时进行真实的植物（农业）生态系统分析（图1-31b）。②植物-微生物相互作用表型分析系统，包含Helios表型分析设施（图1-31c）和Hades高通量体外根表型系统（图1-31d）。③多环境气候室可模拟自然光（图1-31e）。④高通量表型气候室中成像系统包括RGB成像、不可见光成像、叶绿素荧光成像、热成像和短波红外高光谱成像单元（图1-31f

）。⑤温室表型模块可生成植物的3D模型，并在几毫秒内准确确定叶子、茎的大小和形状，以及整体结构（图1-31g）。⑥开放式田间表型模块配备2个高光谱传感器、1个高分辨率RGB线扫描传感器、1个2D激光雷达传感器的小车，以及3架无人机（图1-31h）。20环境可控的表型平台田间表型平台显微表型平台根系表型平台便携式表型设备综合表型平台图1-31NPEC表型平台整体及其各模块示意图(

a)

NPEC表型平台整体示意图；(b)

Ecotron模块；(

c)

Helios表型分析设施；(

d)

Hades高通量体外根表型系统；(

e)多环境气候室；(

f)高通量表型气候室；(

g)温室表型；(

h)开放式田间表型二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展相对于国际植物表型组学，我国表型组学的起步较晚，但也取得了阶段性成果。经过8年的努力，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和华中科技大学武汉光电国家研究中心联合研发团队成功研制出全生育期高通量水稻表型检测平台（HRPF，图1-32），其主要构成包括一套水稻自动化表型检测设备（RAP-1.0，图1-32a）和一套数字化水稻考种机（YTS，图1-32b）。该平台可以自动提取水稻株高、叶面积、分蘖数、生物量等15个参数，且该平台总计可容纳5472盆水稻种植，连续24h工作测量通量可达1920盆/d。此外，结合全基因组关联分析，该平台还可发掘新基因位点。21图1–32

全生育期高通量水稻表型检测平台（HRPF）(

a)水稻自动化表型检测设备（RAP-1.0），包括温室、检测暗室、自动输送区和栽培区，以及用户分析软；(

b)数字化水稻考种机（YTS），包括原型机和分析软件二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展2017年，南京农业大学成立了国内高校首个作物表型组学交叉研究中心，旨在组建跨学科研究团队，建设国际一流的作物表型组学研究国家平台。2019年，南京农业大学引进高通量多光谱植物激光三维扫描测量系统FieldScan（图1-34a）、温室传送型高通量植物表型平台PhenoConveyor（图1-34b）和高通量小型植物光合表型测量系统PhenoMate（图1-34c）。22图1–33Crop3D高通量作物三维测量平台(

a)平台整体结构和暗室系统；(

b)传感器模块；(

b)控制模块；(b)平台安装和调试2016年，中国科学院植物研究所郭庆华等自主研发出高通量作物测量平台——Crop3D，系统集成了激光雷达（FaroFocus3DX120）、CCD（chargecoupleddevice）工业相机（PointGreyFL3）、高光谱成像仪（BaySpecOCI-UAV-1000）和热红外成像仪（KeiiMC1-640），分用于采集三维点云数据、二维真彩色影像、作物冠层高光谱数据及热红外数据（图1-33）。图1–34南京农业大学引进的表型平台(

a)高通量多光谱植物激光三维扫描测量系统FieldScan；(

b)温室传送型高通量植物表型平台PhenoConveyo；(

b)高通量小型植物光合表型测量系统PhenoMate二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展2019年，南京农业大学周济团队报道一个自动化的开源分析平台——AirSurf-Lettuce（图1-35），该平台是为超大规模空中表型和与产量相关的表型分析而开发的。AirSurf-Lettuce结合计算机视觉算法和深度学习分类器对数百万棵生菜进行评分与分类，精度高达98%以上。23图1–35AirSurf-Lettuce的高级分析工作流程(

a)步骤1，接受原始NDVI图像作为输入图像数据（具有极高NDVI信号的像素溢出）；(

b)步骤2，预处理原始NDVI图像，以校准强度分布并校正溢出像素；(

c)、(

d)步骤3，进行基于ML的性状分析，以量化生菜数量并对给定NDVI图像中的头部大小进行分类；(

e)步骤4和5，可视化和导出性状分析检测的统计数据，包括与产量相关的表型，如生菜计数、生菜大小分布和收获区域，以及相关的GPS坐标二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展2020年，周济团队自主开发了自动化表型采集和分析平台SeedGerm，该平台结合了经济高效的硬件和开源软件，可用于番茄、辣椒、油菜、小麦和玉米的种子发芽测试及表型检测（图1-36）。24图1–36南京农业大学自动化表型采集和分析平台SeedGerm(

a)安装在冷藏室中的一套成像装置，用于在实验期间获取种子发芽图像；(

b)微型龙门架设计在发芽箱顶部，装有一个无失真的广角镜头相机，用于记录长期发芽实验的图像，并通过无线网络连接传输数据；(

c)SeedGerm设备与计算机连接，以允许设备配置和成像数据传输，并在简短实验中监测的一组芸苔属植物说明了各阶段的发芽过程二、植物表型组学国内外研究进展国际植物表型组学研究进展国内植物表型组学研究进展2017年，华中农业大学杨万能团队设计了一种可以动态无损测量水稻表层根系的方法，将水稻植株种植于透明PMMA管中，利用可见光成像并结合OTSU算法、聚类算法、最大熵算法、背景校正算法、Niblack算法，以及合并最大熵和背景校正算法进行根系分割（图1-37），计算获得27个水稻表层根系性状，包括根系总面积、不同区域根系密度（即根系占所在区域总面积的比例）、不同区域根系面积、最大扎根区域、根系结构质心等。25图1–37动态无损测量水稻表层根系系统(

a)系统结构图；(

b)透明根管设；(

c)不同算法根系分割结果二、植物表型组学国内外研究进展国