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植物表型组学多维度一站式产品和系统解决方案

未来几十年中,由于人口暴增、气候变化、耕地限制、环境资源短缺等因素的影响,人类面临巨大的粮食挑战。需要从两方面考虑来提高作物生产力:改良育种和栽培管理。对作物功能的描述和深入理解是高效改良育种和优良栽培管理的基础。将作物功能性状与基因组关联起来,将加速针对特定环境和管理方式的设计育种过程,以及加速遗传资源的挖掘过程。同理,对植物功能的深入了解将极大促进作物的栽培管理。作物功能模型可以集聚上述知识,促进特定环境下的植物生长管理。

植物表型

指的是植物遗传在特定环境下表达出来的植物特性,包括结构、生化、能量传递过程等。植物表型组学可以认为是研究植物表型特征的科学,涵盖器官、植株、冠层功能等多种尺度。

植物表型组学是一种跨学科的科学,涵盖生理学、生物学、遗传学、统计学、计算机科学、计量学和其它相关学科。

植物表型成像系统的出现是学科发展的必然结果,便携式、经济型植物表型分析设备已经成为一种趋势,在田间长期值守的进行数据采集的设备广受研究人员关注,在这个领域Aquation的自开合叶绿素荧光值守测量系统、Videometer Portable手持式多光谱测量系统以及Hiphen IoT田间多光谱测量值守系统代表了业界最高水准,田间环境表型分布式测量系统,也逐渐为广大客户所接受。

WIWAM温室植物表型成像系统集植物自动传送技术、自动浇灌称重技术、叶绿素荧光成像技术、多光谱激光雷达成像技术、高光谱成像技术、RGB成像技术,同时可实现根窗技术全自动根系表型观测,高通量、无损伤、全自动、全方位实验观测分析植物形态结构与生理功能形状表型,成为国际著名表型组学与遗传育种顶级科研机构的重要平台,如比利时VIB所、比利时根特大学、澳大利亚表型组织、拜耳作物等等。 

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WIWAM移动式植物表型成像系统

WIWAM Mobile移动式植物表型成像系统(WIWAM Mobile)为知名大型移动式植物表型成像系统,4轮驱动,以便于大田移动,适于温室及野外作物原位表型成像分析测量,具备WIWAM几乎所有成像分析功能及表型大数据数据库等。标配为RGB成像分析、叶绿素荧光成像分析、多光谱成像,可选配高光谱成像、红外热成像、激光雷达成像等功能模块,成像高度可调(标配最高植株高度可达1.5m),是田间作物高通量表型分析、植物生理生态研究的重要仪器设备,因采用了适合田间的传感器,可直接对野外植物或田间栽培作物进行原位成像测量分析。

WIWAM Imaging Box台式植物表型成像系统

WIWAM台式植物表型成像系统具备所有WIWAM植物表型成像分析功能,包括3D RGB成像分析、3D多光谱激光雷达成像分析、叶绿素荧光成像分析、高光谱成像分析(400-1700nm)、红外热成像分析,可进行对植物进行3维表型成像分析。适于实验室或温室作物表型成像分析研究。 

Phenomobile移动式植物表型成像分析平台

Phenomobile移动式植物表型成像分析平台户外植物表型成像分析专门设计,采用手工推动或马达脚轮驱动方式,方便大型温室内或户外不同区域间移动使用,极大地提高了载样方便性和使用效率,所采用传感器为适应户外使用传感器,可在自然光条件下对植物样品进行成像分析,Phenomobile标配包括4个功能模块:多光谱成像模块、3D激光扫描三角测量、RGB 3D成像测量、高光谱成像模块,以提供完备的作物表型3D建模与成像测量分析。

Phenomobile全自动植物表型成像机器人

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 全自动植物表型成像机器人系统Phenomobile

该Phenomobile植物表型成像车为法国Hiphen公司自主研制,专有软件分析系统,是当今世界上自动化程度最高、最先进的高通量田间表型成像系统。

系统设计可在2.5m宽通道运行,远程聚焦可达12m,可向各个方向移动,测量头高度可在1.0-4.5m之间进行调整。Phenomobile可沿微型田块按照预设轨迹运行,因彩页了RTK GPS定位,精度可达厘米级。

技术参数

重量

7.85t

转弯半径

    3m

2.46m

通量

大于100个微型田块/小时

5.2m

驱动

柴油驱动液压与电气系统

3.15m

履带

4个动力转向履带

最大速度

12km/h

温控

空调箱

自主运行

10h

履带设计

履带设计防破坏土壤

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田间多光谱表型测量平台

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Hiphen田间物联网IoT是无线传感器的独特组合,用于不间断监控植物和环境状态。Hiphen解决方案之一就是实现田间试验的实时监控。土壤和环境条件是植物生长的重要因素,Hiphen的IoT系统设计了各种传感器,包括气象、土壤条件、PAR以及RGB图像,数据15分钟传输一次。日常数据和图像由田间IoT传感器采集,图像处理后,获得的有价值变量用于试验决策支持。变量以易于解读的图表在Hiphen科学网站界面上显示,每天进行更新。

以下是采用该IoT系统对西红柿NDVI植被指数、土壤湿度、土壤温度等进行监测的实例

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Airphen遥感植物表型分析平台

 Airphen遥感植物表型分析平台搭载Airphen多光谱相机、RGB成像、红外热成像等单元组成的近地遥感植物表型成像分析平台,可与地面Hiphen IoT、地面环境遥感平台、叶绿素荧光长期监测系统等组合使用,从叶片水平到冠层水平,全面、高通量、无损伤观测分析植物表型。作为世界最顶级多光谱成像系统Hiphen公司中国区总代理和技术中心,博普特将为广大客户提供从温室到室外、从便携到高通量的植物表型成像产品和系统解决方案。

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台式多光谱植物表型成像系统 

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VideometerLab型多光谱表型成像系统多光谱成像传感器是近几年研究用于监测不同环境中农作物和植被的有效工具。植物的生理学,形态学或生物化学信息可以通过非接触的方式以及不同尺度下评估。例如,利用多光谱传感器用于植物表型分析或精准农业中的生理胁迫研究。多光谱成像传感器是近几年研究用于监测不同环境中农作物和植被的有效工具。植物的生理学,形态学或生物化学信息可以通过非接触的方式以及不同尺度下评估。例如,利用多光谱传感器用于植物表型分析或精准农业中的生理胁迫研究。截至目前,市面上有各种非成像和成像高光谱传感器可供选择,这些仪器进行测量的过程相当复杂,高光谱数据处理复杂,迫切需要波段较多的手持式多光谱表型成像系统,因此,现代化检测及研究中对易于用户操作的多光谱传感器的需求日益增加。 Videometer可一致地获得了高质量多光谱数据。同时,Videometerlab还可以实现对植物表型的鉴定以及病害研究检测等,在植物科学研究及其他领域具有无限可能。

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Fronti, ers 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。

北京博普特科技有限公司拥有最全面植物表型成像产品和系统解决,致力于为植物表型组学发展提供最全面、最权威的一站式解决方案。

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