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叶绿素荧光技术在植物表型分析中的应用

发布时间:2019-06-28 点击量:367

WIWAM植物表型成像系统由比利时SMO公司与GHent大学VIB研究所研制生产,整合了LED植物只能培养、自动化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、植物多光谱分析、植物CT断层扫描分析、自动条码识别管理、RGB真3D成像等多项先进技术,以优化的方式实现大量植物样品以优化的方式实现大量植物样品——从拟南芥、水稻、玉米到各种其它植物的生理生态与形态结构成像分析,用于高通量植物表型成像分析测量、植物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。

植物表型分析技术是筛选优良作物品种方法中,研究植物基因功能和环境效应的关键步骤,不仅适于研究外观物理特性,还可以研究植物生长发育过程中基因型与环境因素相互作用所产生的,生理生化特性以及植物基因型与表型映射关系,已受到科研工作者的广泛关注。

高通量植物表型分析技术通过整合传感器、自动控制、环境调控以及数据挖掘等多种先进技术,有效地解决传统植物表型分析技术中存在的费时费力、精度低、适用性弱等问题,为阐明不同环境因子及基因型对植物生长、产量、质量、生理状态的影响及研究植物不同表型间的关系提供了有效的帮助。其中,光学技术以其非接触性、快速、无损伤、高灵敏度、高分辨率等优势为高通量植物表型分析提供了技术支撑。光学成像技术主要包括RGB成像、多光谱/高光谱成像、叶绿素荧光成像和热红外成像等,这些技术在获取植物的叶/冠层形态生长模型、逆境响应、养分生理、光合作用、冠层温度等信息上具有很大的优势。其中,叶绿素荧光技术可以通过对叶绿素荧光的探测分析PSII内的生理反应过程,如光化学反应、热散失等,能反映实际生物学意义,该技术已应用于植物的逆境生理检测、病虫害检测、光合作用机理及抗逆性生理等研究。此外,结合图像技术,可以较好地反映植物在叶片和冠层水平的光合 生理的空间异质性。叶绿素荧光图像信息量丰富,利用数据挖掘、机器学习等方法可进一步挖掘图像的潜在信息。由于叶绿素荧光技术的多种优势,在高通量植物表型分析中的应用也越来越广。

叶绿素荧光成像系统克服了传统荧光仪有限点测量的缺点而被逐渐广泛应用。系统一般包括激发光源、滤波片、检 测器、计算机和控制模块等,可以获得植物叶片或冠层的叶绿素荧光信号,结合数字图像处理技术可分析荧光强度在空间的分布情况。不同的测量方案可以获得不同的荧光诱导猝灭曲线,其中光源和光照模式的设置是方案选择的关键。光源的主要类型有测量光、光化光与饱和光。测量光用于激发暗适应后小荧光,通常选择蓝光或红光;光化光是一种近似自然光的光源,光化光的光强与自然光十分相近,研究人员通常选择蓝光或红光使植物的光合系统产生实质上的光化学反应;饱和光的光强度超过植物光合系统的捕光能力,使叶绿素荧光强度达到高,通常选择白光。不同光照模式可以获取不同的光合作用信息。

植物表型成像分析系统WIWAM conveyor

    WIWAM conveyor是一款集成机器人解决方案,用于高通量可重复表型平台,用于大型植物如玉米。该机器人可进行自动灌溉,允许定期对多种植物生长参数测量。WIWAM Conveyor代替了很多手工操作,省时省钱,精度高。该WIWAM机器人传送带网络组成,可将植物传送到1或多台称重浇水站以及成像柜,成像柜中安装有一系列的非损害性照相系统。全套系统可以安装在现有温室,由高品质工业部件构成。典型应用是植物种植在不同各自花盆内。这些花盆在传送带系统上以小车运输。花盆和小车均有独特识别码(分别QR和RFID码),从其固定生长区域传送到称重和灌溉站以及成像柜,都可对每植株进行个性处理。成像平台是封闭区域,配有适合照像的光照条件,配有旋转平台提升装置,可从观察角度稳定获得图像,聚焦远处感兴趣部分。成像柜可以容纳一系列照相系统,用于非损害性图像获取。

植物表型成像分析系统WIWAM conveyor特点

    称重和灌溉站位置,植物在浇水时旋转,以在花盆获得水分布。灌溉精度极高可达+/-1mL。浇水后,可应用容器中准备好的不同溶液。另外,灌溉可以基于对目标重量计算或固定量。这方法可以保证在整个实验中的土壤湿度水平。通过集成光、温度和湿度传感器监控环境,详细记录实验生长条件。 

    该系统的精明之处在于包括1个处理区,系统可以提取和检索所需号码的属于特定基因组或处理的植株。系统用户可进入操作区,可视觉观察植物或手工操作植物,如测量特定植物性扎状,或提取部分植物做分子或化学分析。系统另外一精明特征是可将外部植物装载到系统中,例如生长在另外一间温室或生长箱中的植物,可将其在称重和灌溉站成像和/或处理。

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