PlantScreenПлатформа для аналізу фенотипів рослин з високою пропускною здатністю в дикій природі

——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

Створення здатності швидкого, точного та високопропускного аналізу незбиткових багатохривних фенотипів рослин, що ростуть в дикій природі, є найбільшою проблемою для генетичного розмноження культур 21 століття (Andrade-Sanchez et al. 2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010). Платформа для аналізу фенотипів рослин з високою пропускною здатністю в дикій природі має дуже важливе значення для генетики, біотехнології, вирощування культур та дослідження моніторингу реакції культур на зміну клімату, грунту та управління сільськогосподарством, зокрема сучасного сільського господарства та розумного сільського господарства.

PlantScreenПлатформа для аналізу фенотипів рослин з високою пропускною здатністю в дикій природі інтегрує сучасні передові технології, такі як автоматизована система управління, аналіз вимірювання флуоресцентного зображення хлорофліфом, аналіз термологічного зображення рослин, аналіз високого спектру рослин, аналіз кольорового зображення RGB та платформа великих даних Інтернет + фенотипів, щоб оптимізувати вимірювання фенотипів з високою пропускною здатністю в дикій природі в місцевому вигляді, аналіз вимірювання реакції на примусовий вплив та аналіз відображення стійкості рослин Як перший у світі виробник розробки та виробництва систем флуоресцентної візуалізації рослин, компанія PSI знаходиться в світовому технологічному передовому напрямку в галузі аналізу фенотипного візуалізації рослин.PlantScreenСтати найсучаснішим інструментальним обладнанням для фенотипного аналізу рослин та функціонального аналізу зображення.

Особливості:

1) велика багатофункціональна сенсорна платформа, що інтегрує хлорофлуоресцентну візуалізацію, RGB-візуалізацію, інфрачервону теплову візуалізацію, LiDAR、 Високоспектральне зображення та інші передові висококласні датчики, повний аналіз:

Аналіз фенотипів структурних характеристик (RGB-зображення та LiDAR)

b) Функціональний фенотипний аналіз (хлорофлуоресцентна візуалізація)

Оцінка форми та зростання (RGB-зображення та LiDAR)

d) Фотосинтез (хлорофлуоресцентна візуалізація)

e) Біологічні та небіологічні реакції на принуд (хлорофлуоресцентна візуалізація, високоспектральна візуалізація, інфрачервона термологія)

f) Фізіоекологічні характеристики включають фотосинтетичну фізіологію, динаміку пор, біохімічні показники метаболізму тощо (хлорофлуоресцентна візуалізація, високоспектральна візуалізація, інфрачервона термологія)

2) провідна світова технологія FluorCam хлорофлуоресцентного зображення, необхідна аналітична технологія фізіологічних і екологічних функціональних властивостей культур, інтелектуальне світлодіодне джерело світла забезпечує модулюване вимірювання світла, яке може автоматично вимірювати хлорофлуоресцентність та ефективність фотосинтезу в умовах адаптації світла під час дня; Оснащений унікальним високочутливим хлорофлуоресцентним об'єктивом з площею зображення до 35 см х 35 см (80 см х 80 см) є найбільшим технологічним обладнанням в світі з одиночною площею хлорофлуоресцентного зображення

3) Можна встановити на тракторі для мобільного автоматичного аналізу зображення, або встановити на спеціальній платформі для автоматичної роботи вздовж орбіти проби для повного покриття проби для автоматичного сканування зображення та онлайн-аналізу

4) Платформа для фенотипного аналізу великих даних, включаючи системне управління, збор даних, аналіз обробки даних та візуалізацію онлайн-відображення, бази даних тощо

5) Технічна підтримка команди експертів Центру досліджень фенотипів PSI, що щороку організовує Всесвітній семінар з фенотипів рослин у США та Європі

6) Платформа для високопропускного фенотипного аналізу безпілотника PhenoUAS, заснована на технології безпілотника (на основі безпілотника), що дозволяє швидкий фенотипний аналіз на основі наземного масштабування до великих областей повітря

7) можливість обладнання станцією моніторингу метеорології грунту для всеосяжного аналізу відносин між умовами навколишнього середовища та фенотипними характеристиками

8) можливий додаток до фізіологічної екологічної системи моніторингу рослин, синхронний моніторинг інформації про фотосинтез рослин та зростання фруктів

9) Автоматичне зваження цифрової посуди для точного зваження, моніторингу вологості грунту, автоматичного поливання тощо

Основні технічні показники:

1. інтегрована багатофункціональна платформа автоматичного аналізу зображення, інтегрована інтелектуальним джерелом світлодіодного світла та хлорофлуоресцентним модулем зображення, модулем аналізу зображення RGB та іншими опційними модулями зображення, такими як інфрачервоне теплове зображення, лазерне сканування LiDAR, високий спектр та т.д., автоматична робота через операційну систему, автоматичне зберігання класифікації, автоматичний онлайн-аналіз та т.

Аналіз хлорофлуоресцентної візуалізації (стандартний):

а) 3 кольорові інтелектуальні світлодіодні джерела світла, 620nm імпульсне вимірювальне світло, біле фотохімічне світло та максимальна насичена блискавка, 735nm інфрачервоне світло для вимірювання Fo 'тощо

b) Опціональне блакитне джерело світла з 7-бітним фільтровим колесом для багатоспектральних багатосмугових вимірювань флуоресценції, таких як вимірювання зображення GFP

c) унікальний CCD-датчик високої чутливості для хлорофлуоресцентного зображення з частотою кадрів до 50 кадрів в секунду, ефективний захоплення хлорофлуоресцентних перехідних, роздільна здатність 720x560 пікселів, A / D 12 бітів, з режимом відео та режимом моментального снимку; Додатковий CCD з високою роздільною здатністю, роздільна здатність 1360x1024, частота кадрів 20 кадрів в секунду, 16-бітний A/D

d) Площа зображення 35x35 см

e) параметри вимірювання зображення: можна проводити вимірювання адаптації до темряви в ніч і вимірювання адаптації до денного світла, включаючи параметри вимірювання Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd Клорофлуоресцентні параметри для аналізу ефективності фотосинтезу рослин, придатності, біологічного та небіологічного натиску та стійкості культур, стійкості тощо

f) Повністю автоматизовані процедури вимірювання (протоколи) та параметри вимірювання, такі як Fv/Fm, індукційний ефект Каутського, аналіз флуоресцентного гашення, наприклад, програми вимірювання Fv/Fm займають всього 10 секунд

g) Інтернет-аналіз хлорофлуоресцентних даних, включаючи колонкові діаграми, діаграми вимірювальних параметрів, таблиці даних тощо, з налаштованими розділами зображень та іншими функціями, які можуть проводити багатопараметний динамічний аналіз різних часових масштабів (наприклад, день, місяць, весь сезон росту тощо)

h) є справжнім двовимірним синхронним зображенням, отриманий хлорофлуоресцентний параметр є справжнім двовимірним розподілом на основі піксельних точок, уникнути спрощеного "лазерного індукованого зображення" (перевага - легкість, економія енергії) тільки одновимірне зображення (точка або лінія), не може синхронізувати двовимірне зображення, вразливість до факторів навколишнього середовища (наприклад, вітер дує, коли виникає серйозна помилка), параметри зображення є тільки аналоговими параметрами (швидке вимірювання флуоресценції та повільне вимірювання флуоресценції, отримане на основі лазерного сканування, не є справжнім мінімальним і максимальним флуоресценцієм, отриманий параметр "квантова продуктивність світла" є тільки аналоговою квантовою продуктивністю світла, яка необхідна для калібрування параметрів для використання), один вимірювальний параметр (можна отримати тільки швидке вимір Проблеми, такі як технологічна незрілість (не знайдена довідка)

i) є найбільш широко застосованим і найбільш публікованим у світі технологічним засобом для аналізу фенотипів рослин з високою пропускною здатністю

Аналіз зображення RGB (стандартна комплектація): може проводити аналіз зображення форми рослини, зеленого кольору тощо, роздільна здатність 5Mpx, а також може автоматично проводити статистичний аналіз кількості квітів рослини, рисових квіток тощо, основні аналітичні параметри вимірювання включають:

Площа листя: корисна для моніторингу темпу зростання та його динамічних змін

2)植物紧实度／紧密度（Твердість/Компактність. Співвідношення між площею, покритою випуклим корпусом рослини, і площею, покритою фактичним рослиною）

3) 叶片周长 (Периметр листя: Особливо корисний для оцінки основної форми та ширини листя (в поєднанні з площею листя))

4) 偏心率 ((Ексцентричність: оцінка форми рослини, скаларне число, ексцентричність еліпсу з тими ж секундними моментами, що і рослина (0...коло, 1...лінійний сегмент))

5) 叶圆度 (Круглість: На основі оцінки співвідношення між площею листя та периметром. Дає інформацію про круглість листя)

6) 叶宽指数 (Індекс середньої ширини листя: площа листя пропорційна скелету рослини (тобто зменшення листя до лінійного сегмента))

Листя тонкості (Slinderness of Leaves)

8)植物圆直径(Діаметр кола. Діаметр кола з тією ж площею, що і рослина)

9) випукла площа корпусу. Корисна для оцінки компактності

10)植物质心(Centroid. Центр позиції маси рослини (особливо корисний для оцінки ексцентричності))

Індекс плоскості (Flattening index)

Відносний темп зростання (Relative growth rate)

13) Індекс зеленості та класифікаційний аналіз (темно-зелений, здоровий зелений, світло-зелений тощо)

Колірна сегментація для оцінки фітнесу рослин (Color segmentation for plant fitness evaluation)

15) Інші характеристики та динамічний аналіз класифікації кольорів

4.3D лазерне сканування (необхідно): для фенотипного аналізу структури рослин, автоматичний аналіз моделі хмари точок для обчислення різних параметрів морфоструктури рослин, біомаси, кількості листя, площі листя, куту нахилу листя, висоти рослин та інших

Аналіз інфрачервоного термологічного зображення (необов'язково): мікротермометр з фокальною площиною, роздільна здатність 640 × 480 пікселів, діапазон 7,5-13 мкм, температурний діапазон -20 - 120 ° C, роздільна здатність < 0,05 ° C @ 30 ° C / 50 мК, площа зображення 35x35 см, для зображення розподілу температури коронарної шари рослини в умовах світлового випромінювання та аналізу динаміки провідності пор рослини, посухи та оцінки спроможності протистояти посухі тощо

Висока спектральна візуалізація (необхідно): діапазон довжини хвиль 380-1000 нм, кількість спектральних діапазонів (кількість хвиль) 675 хвиль, може бути візуалізована та аналізована нормалізований індекс різниці рослинності (NDVI), простий індекс співвідношення (Рівняння: SR = RNIR / RRED), поліпшений індекс відображення поглинання хлорофілу (MCARI1), Рівняння: MCARI1 = 1,2 * [2,5 * (R790-R670) - 1,3 * (R790-R550)], оптимізований індекс відображення рослинності (OSAVI), Рівняння: OSAVI = (1 + 0,16) * (R790-R670) / (R790-R670 + 0,16), індекс відображення фотохімічної рослинності (PRI), Рівняння: PRI = (R531-R570) / (R531 + R570) і т.д.

7. Мобільна платформа в полі: 12 м розширення руки платформи, багатофункціональна платформа для зображення може автоматично сканувати аналіз зображення ліворуч або праворуч на мобільній платформі, може автоматично сканувати пробну смугу шириною до 10 м, кожне сканування площі зображення може досягати 10x0,35 м (3,5 м2), завершити сканування від менше 1 хвилини до декількох хвилин (в залежності від протоколу експериментальної процедури вимірювання), мобільна платформа може автоматично працювати уздовж орбіти, відстань роботи в принципі не обмежена (обмежена довжиною орбіти); Висота мобільної платформи 2,5 м, багатофункціональна платформа зображення може бути регульована висотою для адаптації до аналізу зображення культур на різних висотах; 4 гумові колеса мобільної платформи можуть автоматично працювати на орбіті через систему управління та автоматично сканувати зображення, а також зручно рухатися на загальній землі, повороти тощо, для образця 75х20 м, мобільна платформа може завантажити багатофункціональну платформу зображення, щоб завершити зразок 75х10 м за один раз, а потім ручне повороту після автоматичного завершення іншої половини аналізу зображення 75х10 м; Обладнана системою GPS з точністю до 2 см, за допомогою програмного забезпечення для автоматичного запису даних вимірювань, місцезнаходження, часу тощо, може бути забезпечена дизельним генератором для руху всієї платформи

8. Можна додати мережу датчиків вимірювання навколишнього середовища для автоматичного моніторингу запису PAR, концентрації CO2 навколишнього середовища, температури повітря, вологості, опадів та вологості грунту тощо.

Система управління та аналізу збору даних (фенотипна платформа великих даних):

1) зручний для користувача графічний інтерфейс

2) Функція розташування GPS може проводити інформацію про розподіл простору та аналіз схеми розподілу простору-часу

3) Вбудовані різні зрілі протоколи з визначеними користувачем, редагуваними автоматичними вимірювальними програмами (протоколи), які автоматично завершують весь експеримент відповідно до програми налаштування користувача. Результати автоматично зберігаються та аналізуються, а результати аналізу автоматично відображаються у вигляді динамічних кривих

4) Система управління базою даних MySQL, яка може обробляти великі бази даних з десятками мільйонів записів, підтримує різні двигуни зберігання, пов'язані дані автоматично зберігаються в різних таблицях бази даних

5) Можна виконувати всі вимірювання за замовчуванням, а також створювати налаштований робочий процес за допомогою інструментів розробки або вручну роботу з включенням або вимиканням джерела світлодіодного світла, RGB-сканування, хлорофлуоресцентного зображення тощо

Експериментальні програми (протоколи) мають клавішу початку, клавішу закінчення, клавішу паузи

7) Система може бути дистанційно керована через бездротовий Інтернет, що дозволяє користувачеві здійснювати дистанційний доступ через Інтернет, обробку даних, завантаження та зміну експериментального дизайну, функцію класифікації прав користувача, щоб запобігти помилкам інших осіб, що впливають на експеримент

Місце походження: Європа PSI

Приклади застосування:

Застосування FluorCamТехнологія хлорофлуоресценції для довгострокового моніторингу диких рослин in situ в різні сезони, а також моніторингу фотосинтезу рослин (асиміляція CO2) А, результати дивіться на малюнку нижче. FluorCam хлорофлуоресцентна технологія використовує модуляцію стимуляторного світлового імпульсу, CCD-датчик високої чутливості (частота вибору до 50 разів в секунду) та інтелектуальне джерело світлодіодного світла для великих площ (стандартна площа 35x35 см на кадр) Аналіз зображення рослин / культур, в дикій природі можна провести аналіз хлорофлуоресцентного зображення в умовах темної адаптації вночі, а також в умовах адаптації до навколишнього світла для аналізу хлорофлуоресцентного зображення, ніж просте лазерно-індуковане вимірювання хлорофлуоресценту (за допомогою пучка точкового або лінійного однокольорового джерела світла стимулювання стимулювати хлорофлуоресценту та вимірювати, перевага є економією енергії та може бути легше) у порівнянні з багатьма функціональними перевагами, не тільки вимірювання параметрів, може проводити різні процедури вимірювання зображення хлорофлуоресценту експериментального аналізу, але і один двовимірний зображення (справжній аналіз зображення) уникнути синхронного вимірювання хлорофлу

Додаток: Інші системи аналізу фенотипів у дикій природі:

1)PhenoUASПлатформа для аналізу фенотипів рослин з високою пропускною здатністю дронів

2)FluorCamДика мобільна система аналізу хлорофлуоресценції та RGB-зображення

3)FluorCamСистема аналізу хлорофлуоресценції та RGB-зображення зі скануванням проб (необхідно з інфрачервоною термологією)