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WIWAM植物表型平台:机器人技术在表型研究中的应用

发布时间:2022-05-27 点击量:102

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植物智能培养、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真彩3D成像等多项先进技术,以较优化的方式实现大量植物样 品——从拟南芥、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。

称重、成像、浇水植物表型成像系统

室内植物表型成像系统WIWAM Line

机器人技术在植物生态表型分析中的最新进展和潜力

植物生态表型信息的自动获取可以作为精准农业管理的决策依据,也可以为植物育种者和植物生理学家提供有关植物生长状况、病虫害管理、水肥管理的详细信息。由于植物的微观成分和宏观形态会受到生态环境的影响,因此植物生态表型的研究比单一植物表型的研究更有意义。为了实现表型信息的高通量获取,高精度传感器与智能机器人平台的结合已成为新兴的研究热点。机器人平台和自动化系统是实现大规模筛查的表型监测传感器的重要载体。通过多样化的设计和灵活的系统,可以在一系列实验和现场平台上实现高效运行。机器人技术和植物表型监测工具的结合为新型人工智能 (AI) 方法提供了数据,这些方法将为新的研究突破提供垫脚石。因此,本文介绍了机器人技术和生态表型,并研究了对植物生态表型这一新领域具有重要意义的研究。鉴于不同尺度表型信息的监测场景,所使用的智能机器人技术、高效的自动化平台和先进的传感器设备进行了详细的总结。我们进一步讨论了当前研究面临的挑战以及机器人技术和植物生态表型应用的未来发展趋势。这些包括将收集的数据用于人工智能应用程序和高带宽数据传输,以及植物科学和农业中结构良好的大型(元)数据存储方法。

无论是微观层面还是宏观层面的植物表型信息都与生态环境有着密不可分的关系。单个植物的发育也受到与(相邻)植物、微生物、其他生物的相互作用的影响,因此对植物性能的更现实的检查应该包括生物相互作用对植物表型的影响。例子包括研究植物微生物组的作用;在地上和地下定殖植物的细菌和真菌种群。生态环境中的植物有多种应对变化的方式。表型变化是植物对环境反应的具体表型。为了加深表型信息与生态环境的关系,使其更具针对性,荷兰植物生态表型中心(NPEC)的研究人员首先提出了生态表型这一术语,并将其定义为生态相关条件下的植物表型。生态条件主要包括生物因素(微生物组相互作用、竞争、疾病)和非生物因素(光量和质量、养分、温度、水分、土壤 pH 值和大气 CO2 水平)。针对生态表型的概念,他们也正在开展一系列生态表型设施建设计划,如图1所示。 精确描述环境信息的元数据信息对于连接观察到的表型变异和基因型变异与环境差异。

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图1.荷兰植物生态表型中心六个可视化模块

表型监测传感器及相关传感技术是植物生态表型分析的重要基础。近年来,随着地物光谱监测技术的发展,光谱监测设备在植物生态表型研究中得到了更多的应用,实现了实时、无损、快速、高效的植物表型监测。根据感知原理的不同,这些传感器主要有地物光谱仪、光谱成像传感器和其他成像光谱仪,如图2所示。

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图2.用于植物生态表型分析的机器人平台、表型传感器和表型参数图

地物光谱仪可以利用光电二极管、光纤等光电传感装置,采集作物冠层在特定波长下的光谱反射率,计算一些植被指数,实现表型参数反演。自地面特征光谱仪的研究开始以来,一些提供准确结果的商业仪器已被广泛使用。光谱成像传感器可用于获取比地面特征光谱仪包含更多信息的特定波段的光谱图像,基于成像传感器的植物表型分析的基本工作流程如图3所示。 根据获取的光谱波段的差异图像,光谱成像传感器包括RGB相机、多光谱相机、高光谱相机、荧光相机、热成像相机等。

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图3.基于成像传感器的植物表型分析的基本工作流程

室级生态表型类似于温室级系统,涉及表型监测传感器、自动化技术和机器人技术。但它们的种植面积和监测规模不同。温室级系统虽然覆盖面积大,但往往无法准确控制大部分生态因素。室级系统使用相对较小的房间,可以准确控制温度、水、二氧化碳、光照条件、疾病感染以及其他生物和非生物压力。这允许更准确地量化响应于高度和受控的环境条件而出现的植物生态表型特征。时至今日,已经有许多基于高精度和高通量机器人平台的利用室级植物生态表型的成功项目,例如WIWAM XY植物表型系统,如图4所示。

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图4.WIWAM XY植物系统

传感器技术的进一步发展、农业耕作技术的改进以及高集成度土壤传感器的进步,都促进了高精度小体积系统的工程——所谓的微型根管机。通过在土壤中嵌入传感器,研究人员可以更准确地监测根系表型和土壤信息。得益于先进的传感器技术,研究人员可以实现更高的监测效率和降低成本。Ecotrons 代表了另一种类型的 Mesocosm 级平台,它试图模拟更大范围的环境整合。Ecotrons 是指复制的封闭式实验系统,旨在复制地上和地下的现实环境条件,同时还测量一系列生态系统过程。除了监测土壤和植物根系表型外,Ecotrons 还可以模拟各种自然环境条件,不仅可以更好地监测不同生态环境因素对植物表型信息的影响,还可以跟踪这些因素对一系列生态系统参数的影响,当前研究中使用的Econtrons系统如图5所示。


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