模块式植物表型成像分析系统   

 

  太阳辐射照射到植物叶片上，其中的蓝色波段和红色波段大部分被叶片吸收进行光合作用，另一部分（包括绿色波段、红外波段等）以反射光的形式返回到大气中，少量以荧光的形式发射到大气中，还有部分则以热的形式耗散。通过对叶片反射光成像测量分析（RGB彩色成像、多光谱或高光谱成像等）、多光谱荧光成像测量分析及叶片温度测量分析（红外热成像），可以全面分析植物的性状特征包括外部形态颜色、光合作用效率、气孔动态、次级代谢等形态与生理生态特征，使植物表型数字化、生理生态及功能可视化。

 

 

模块式植物表型成像分析系统由植物多光谱荧光成像单元、红外热成像单元、RGB彩色成像单元等组成，可全面分析植物叶片及冠层的形态结构、颜色、光合作用、生理状态、气孔动态、生化色素分布、胁迫生理等，是目前市场上配置最灵活、功能最全面、性价比最高的植物表型与生理生态观测分析系统。

 

左图：西葫芦感染病原菌成像分析，其中(a)为RGB彩色成像、(b)为红外热成像、(c)为F520绿色荧光成像、(d)为F520/F680绿红荧光比值成像；

右图：向日葵幼苗列当寄生后的多光谱荧光成像

 

主要功能特点：

1)   植物多光谱荧光成像技术，可以对具有4个特征性波峰的植物荧光光谱进行成像分析，进而可全面分析植物初级代谢（光合效率）、次级代谢、生理生态、胁迫与抗性筛选等

2)   可选配UV紫外光、白色LED光源（用于模拟自然光源）、青色LED光源（用于气孔功能研究）、绿色LED光源、红色LED光源、蓝色LED光源等不同激发光源

3)   可对UV紫外光激发的4个波峰的荧光进行成像分析，包括兰光440nm（F440）、绿光520nm（F520）、红光690nm（F690）和远红外740nm（F740），其中F440和F520统称为BGF，由表皮及叶肉细胞壁和叶脉发出，F690和F740为叶绿素荧光Chl-F

4)   红外热成像分析单元可测量分析叶片温度的异质性分布，并通过选区（ROI）工具得到不同区域的最高温度、最低温度、平均温度、温度分布频率直方图等，依次进一步分析气孔导度、水分胁迫等

5)   40倍RGB成像可以对植物形态及颜色进行分析，既可明察秋毫到气孔分布，又可大视野宏观成像分析

6)   配置灵活、使用方便，可选配不同单元组合

7)   适于植物叶片、植物幼苗及小型全株植物，红外热成像可应用于植物冠层或多株植物成像分析

8)   应用于作物遗传育种、遗传组学与表型组学研究、植物生理生态学、植物胁迫生理、抗性筛选等领域

 

技术指标：

 

1    红外热成像单元：

1.1  非制冷红外焦平面检测器（uncooled VOx microbolometer），已经过欧盟标注校准，可直接测量温度，包括每个像素点的温度等

 

 

1.2分辨率：640x512像素

1.3  光谱范围：7.5～13.5μm

1.4  温度测量范围：-25～150°C

1.5  灵敏度：≤0.03℃（30mK）@ 30℃

1.6  帧频：9Hz或30Hz，最大60Hz

1.7  数据传输：USB-3或千兆以太网

1.8  19mm光学镜头，视野32℃x26℃，可选配13mm镜头或35mm镜头

1.9  具备视频模式和快照模式

1.10     具备14种调色板供任意选择，可多样化设置热成像假彩色

1.11     具备差值功能，可内查图像形成平滑影像以避免像素化

1.12     可通过软件设置大气温度、湿度、距离等参数

1.13     具备等温模式功能，包括以上、一下、之间、及以下与以上四种等温模式

1.14     结果在线报告功能，自动显示热影像、时距图及影像参数如发射率、反射温度、大气温度、湿度、外部光距离、传播等

1.15     影像处理软件具备ROI选区功能，包括点、线、折线、矩形等，并可进行分区处理，每个ROI即时显示最小温度、最高温度、平均温度等

1.16     热扫描功能及热剖面功能：可在线可视化显示线型ROI温度值、温度剖面图

1.17     所有ROI工具的温度值均可显示在时距图中

1.18     防护级：IP65

1.19     工作温度：-15°C～+50°C

1.20     支持GPS信息，可将位置信息显示在谷歌地图上

 

2    植物多光谱荧光成像

2.1  成像面积20x20cm

2.2  紫外光激发多光谱荧光成像包括F440、F520、F690、F740四个波段的荧光成像

 

 

 

2.3高分辨率CCD镜头，20fps、1360x1024像素，有效像素大小为6.45μm，高速USB 2.0 (480Mbits/sec)，可像素叠加（binning）以提高灵敏度（2x2，3x3，4x4）；具备视频模式和快照模式

2.4  自动测量分析功能（无人值守）：可预设1个或2个试验程序，系统可自动测量储存

2.5  激发光源包括紫外光、蓝色光源、红橙色光源，通过紫外激发荧光与红光LED激发荧光，可以分析植物类黄酮相对含量等

2.6  成像分析软件具Live（实况测试）、Protocol（实验程序选择）、Pre-processing（成像预处理）、Result（成像分析结果）等功能菜单

2.7  成像预处理可以自动选区或手动选择不同形状、不同数量、不同位置的区域（Region of interest，ROI），成像分析结果包括高时间解析度荧光动态图、直方图、不同参数成像图、不同ROI的荧光参数列表等

2.8  Protocol实验程序可自由编辑，也可利用Protocol菜单中的向导程序模版客户自由创建新的实验程序

2.9  多种Protocols供选配和自动运行，包括Fv/Fm、Kautsky诱导效应、叶绿素荧光淬灭曲线、光响应曲线等

2.10     具备系统自动重复运行功能，可无人值守自动循环完成选定的实验程序,重复次数及间隔时间客户自定义,成像测量数据自动按时间日期存入计算机

2.11     高度可调，以适应不同高度植株成像分析，最大植株高度50cm，可根据客户需求定制不同高度

 

3.  NDVI与PAR吸收成像模块：630nmLED红色光源和740nm LED红外光源，可对PAR（光合有效辐射）吸收及植物光谱反射指数NDVI成像分析

 

 

 

4.  可对绿色荧光蛋白GFP进行成像分析，可选配YFP成像分析

 

5.  RGB成像：科研级RGB成像镜头，分辨率2592x1944像素，信噪比54dB，1-40x放大，最小视野6.1x7.9mm（40x），最大视野20.8x25.4；可分析叶面积、长度、宽度、周长、比值、绿度指数、颜色分级分析、频率直方图等

 

应用案例与近期代表性参考文献：

 

西葫芦感染软腐病菌（Dickeya dadantii）RGB彩色成像、多光谱荧光成像及红外热成像分析（引自Maria L. Perez-Bueno等，Multicolor Fluorescence Imaging as a Candidate for Disease Detection in Plant Phenotyping. Frontiers in Plant Science, 2016）

 

参考文献

1)   Monica Pineda etc. Detection of Bacterial Infection in Melon Plants by Classification Methods Based on Imaging Data. Frontiers in Plant Science

2)   Monica Pineda et. Use of multicolour fluorescence imaging for diagnosis of bacterial and fungal infection on zucchini by implementing machine learning. Functional Plant Biology, 2017

3)   Carmen M. Ortiz-Bustos etc. Fluorescence Imaging in the Red and Far-Red Region during Growth of Sunflower Plantlets. Diagnosis of the Early Infection by the Parasite Orobanche Cumana. Frontiers in Plant Science, 2016

4)   Maria Luisa Perez-Bueno etc. Spatial and temporal dynamics of primary and secondary metabolism in Phaseolus vulgaris challenged by Pseudomonas syringae. Physiologia Plantarum, 2015