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WIWAM植物表型成像系統(tǒng)由比利時(shí)SMO公司與Ghent大學(xué)VIB研究所研制生產(chǎn)，整合了LED植物智能培養(yǎng)、自動(dòng) 化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、植物多光譜分 析、植物CT斷層掃描分析、自動(dòng)條碼識(shí)別管理、RGB真彩3D成像等多項(xiàng)*技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣 品——從擬南芥、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測(cè)量、植 物脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量、植物生長(zhǎng)分析測(cè)量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。

WIWAM Line植物表型研究設(shè)備產(chǎn)品說明

WIWAM Line是一款高通量可重復(fù)性表型機(jī)器人，用于對(duì)小型植物，如小玉米植物研究。該機(jī)器人可定期對(duì)多種植物參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化灌溉和并測(cè)量多種植物生長(zhǎng)參數(shù)。WIWAM line代替了很多手工處理，省時(shí)省錢，精度較高。

WIWAM Line由花盆定位桌面，不同個(gè)體線路，底層端口機(jī)器人以及1或多個(gè)成像或稱重/澆水站組成。全套系統(tǒng)可以安裝在現(xiàn)有生長(zhǎng)室，內(nèi)置高品質(zhì)工業(yè)部件。

植物在各自花盆內(nèi)生長(zhǎng)，預(yù)設(shè)時(shí)間間隔，機(jī)器臂提取植物，將其帶到成像和稱重澆水工作站。機(jī)器人將桌面上的線路移到旁邊，生成機(jī)械臂到定位花盆所需空間，并將其提升脫離桌面。RFID讀取裝置以及花盆底部的RFID標(biāo)簽，可作為額外花盆識(shí)別法，識(shí)別和校正桌面上因手工花盆安置造成的錯(cuò)誤。通常旁邊取景照相機(jī)從不同角度獲得圖像。成像站可安裝一系列照相機(jī)系統(tǒng)。組合稱重/澆水站集成在機(jī)器臂上。花盆中植物在澆水時(shí)旋轉(zhuǎn)以獲得較佳水分布。灌溉精度較高可達(dá)+/- 0.1 mL。另外，灌溉可基于自動(dòng)目標(biāo)重量計(jì)算或固定量。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，可有效控制土壤濕度水準(zhǔn)。集成光溫度和濕度傳感器可監(jiān)控溫度，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)條件。

植物表型成像系統(tǒng)WIWAM Line產(chǎn)品特點(diǎn)

1、澆水時(shí)花盆旋轉(zhuǎn)以獲得較佳水分布

2、高精度灌溉(達(dá)0.1mL !).

3、WIWAM Line 可配置環(huán)境傳感器

4、WIWAM Line 配有直觀用戶界面

5、開放式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

6、可提供全定制系統(tǒng)

成像系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

所有表型平臺(tái)均為SMO工程部門自主設(shè)計(jì)、針對(duì)課題組的研究項(xiàng)目快速、準(zhǔn)確提供技術(shù)方案，設(shè)備中諸多備件為自主生產(chǎn)和設(shè)計(jì)；公司軟件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對(duì)具體項(xiàng)目提供有針對(duì)性的WIWAM定制軟件；SMO和VIB自主開發(fā)PIPPA 數(shù)據(jù)管理、視覺成像和分析軟件，系統(tǒng)有效處理整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的大數(shù)據(jù)；PIPPA 軟件可安裝在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上（包括專有用戶管理系統(tǒng)），網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)計(jì)算機(jī)均可操作；在PIPPA軟件內(nèi)，可集成整合外來分析數(shù)據(jù)和文本；易于獲取數(shù)據(jù)庫和原始圖像數(shù)據(jù)；與客戶自有IT技術(shù)設(shè)施進(jìn)行整合；針對(duì)客戶對(duì)表型設(shè)備運(yùn)行環(huán)境了解欠缺的事實(shí)，提供表型設(shè)備生長(zhǎng)室、溫室建設(shè)交鑰匙設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)如 照明、溫度、濕度等控制，提供一站式表型研究解決方案；專門技術(shù)人員維護(hù)設(shè)備、定期指導(dǎo)維護(hù)硬件；代理密切溝通服務(wù)、提供支持反饋；自主電路設(shè)計(jì)、建筑內(nèi)電柜設(shè)計(jì)、機(jī)械電纜布線以及PLC管理所有室內(nèi)設(shè)施，將工業(yè)領(lǐng)域理念灌輸?shù)娇蒲兄校欢嗥肳IWAM系統(tǒng)進(jìn)行研究的文章發(fā)表在*期刊如Nature Biotechnology等上面；迅速增長(zhǎng)的用戶群；采用開放式框架設(shè)計(jì)，可整合市面上的所以種類成像模塊。

應(yīng)用領(lǐng)域

遺傳資源和序列數(shù)據(jù)快速積累，但將該信息與基因功能相關(guān)聯(lián)的進(jìn)程要緩慢的多，這表明植物表型是理解基因 編碼過程以及應(yīng)用該知識(shí)作物產(chǎn)量的主要瓶頸。表型工作是較耗勞力和較具技術(shù)挑戰(zhàn)性的部分，成本高且耗時(shí)。但該“表型瓶頸"已可通過集成新型圖像獲取技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、圖像分析技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)解決。WIWAM 植物表型成像系統(tǒng)集成了這些技術(shù)，替代了很多人工處理。該植物表型平臺(tái)可應(yīng)用到多個(gè)研究領(lǐng)域，包括植物生 長(zhǎng)調(diào)節(jié)、耐旱研究、植物生理、鹽堿或重金屬脅迫反應(yīng)等。也可在不同光照條件，營(yíng)養(yǎng)水平或土壤類型下，研究化 學(xué)物影響.

WIWAM Line高通量植物表型平臺(tái)產(chǎn)品可選配模塊

可見光RGB成像模塊

可見光RGB成像是所有高通量植物表型平臺(tái)的核心部分，它分辨率高、測(cè)量快速、科研中應(yīng)用較多、發(fā)表文章較多，可以捕獲與植物生長(zhǎng)和發(fā)育相關(guān)的大量參數(shù)。此外，它們可以提供植物形態(tài)和結(jié)構(gòu)的測(cè)量，并且包含顏色信息。參數(shù)如下：

葉面積、植物緊實(shí)度／緊密度、葉片周長(zhǎng)、偏心率、葉圓度、葉寬指數(shù)、植物圓直徑、凸包面積、植物質(zhì)心、節(jié)間距、生長(zhǎng)高度、植物三維較大高度和寬度、相對(duì)生長(zhǎng)速率、葉傾角、節(jié)葉片數(shù)量。

葉綠素?zé)晒獬上衲K

葉綠素?zé)晒獬上駥儆诙ㄖ苹O(shè)計(jì)，成像面積范圍是從30x30cm到200x200cm，是目前適合大型植物植株成像的熒光成像系統(tǒng)。它可以頂部成像，也可以側(cè)面成像，甚至頂部和側(cè)面都成像；集成到高通量植物表型平臺(tái)中，進(jìn)行高通量的光合表型測(cè)量。該模塊技術(shù)參數(shù)如下：Fo, FI, Fm, Ft, Fm’, FI’, Fo’, Fv/Fm, φPSII, φRO, NPQ, qN, qP, Rfd, NDVI,  RNIR, RChl, RAnth, RRed, RGreen, RBlue, Chl. Index, Ant. Index等。

葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)參數(shù)

群體植物光合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)時(shí)對(duì)植物進(jìn)行多傳感監(jiān)控：PSII較大和有效效率，光強(qiáng)，輻射，ETR以及植物面積。群體植物光合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)傳感器是一款自動(dòng)多傳感器，可測(cè)量PSII與較大效率(Fv/Fm)、有效效率相關(guān)的參數(shù)。通過鏡像系統(tǒng)，通過內(nèi)置計(jì)算機(jī)控制，激光束打到植物上。每5秒鐘，激光束不斷變化在植物上的位置，每次循環(huán)可生成數(shù)百個(gè)測(cè)量點(diǎn)。系統(tǒng)編程測(cè)量每個(gè)激光點(diǎn)的PSII效率，光強(qiáng)以及輻射。計(jì)算參數(shù)有PAR光，F(xiàn)q’/Fm’以及ETR(電子傳 遞速率)。ETR與CO2吸收相關(guān)。植物面積可從含有葉綠素的測(cè)量位置數(shù)計(jì)算出來。傳感器上面有2個(gè)內(nèi)置Licor傳感器，PAR傳感器以及輻射傳感器。傳感器可集成在*LetsGrow系統(tǒng)中以及wiwam系統(tǒng)中。在系統(tǒng)中，可監(jiān)測(cè)來自該傳感器的所有數(shù)據(jù)并與其它環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。 

激光點(diǎn)測(cè)量參數(shù)：

較小(Fo或 Fs)以及較大(Fm或Fm)葉綠素?zé)晒庑盘?hào)、CropObserver頂部光強(qiáng)、CropObserver頂部輻射、計(jì)算機(jī)24/7實(shí)時(shí)信息、實(shí)時(shí)Fv/Fm 和Fq /Fm平均值與分布、實(shí)時(shí)PAR平均值 µmol/s/ m2、實(shí)時(shí)輻射平均值 /s/ m2、實(shí)時(shí)ETR平均值與分布、植物面積

近紅外成像模塊

近紅外成像主要用于觀測(cè)分析植物的水分狀態(tài)及其在不同組織間的分布變異，處于良好澆灌狀態(tài)的植物表現(xiàn)出對(duì)近紅外光譜的高吸收性，而處于干旱狀態(tài)的植物則表現(xiàn)出對(duì)近紅外光譜的高反射性，通過分析軟件可以監(jiān)測(cè)分析從干旱脅迫到再澆灌過程中的整個(gè)過程動(dòng)態(tài)及植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)和水分利用效率，并形成假彩圖像，可以與植物的形態(tài)指數(shù)及葉綠素?zé)晒庵笖?shù)進(jìn)行相關(guān)分析研究。

近紅外成像模塊技術(shù)參數(shù)

紅外熱成像模塊

紅外熱成像主要用于成像分析植物在光輻射情況下的二維發(fā)熱分布，良好的散熱可以使植物耐受較長(zhǎng)時(shí)間的高光輻 射或低水條件（干旱）。

紅外熱成像模塊技術(shù)參數(shù)

高光譜成像模塊

高光譜成像在估測(cè)植物各種生化組分的吸收光譜信息及植物生長(zhǎng)情況的檢測(cè)上表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，主要用于植物 的營(yíng)養(yǎng)狀況、水分含量、長(zhǎng)勢(shì)情況、病蟲害情況監(jiān)測(cè)等。

高光譜成像模塊技術(shù)參數(shù)

激光3D掃描多光譜成像模塊

激光3D掃描成像能夠耐受全日照輻射而不影響測(cè)量，在高精度測(cè)量三維點(diǎn)云信息的同時(shí)，測(cè)量400-900 nm范圍內(nèi)4 個(gè)波段的多光譜成像，使得我們可以得到植物在X、Y和Z軸上所有坐標(biāo)點(diǎn)的多光譜信息，通過點(diǎn)云的空間深度信息和角 度信息，可以對(duì)光譜信息進(jìn)行有效的校準(zhǔn)，從而獲得較加有效的數(shù)據(jù)。

激光3D掃描多光譜成像模塊技術(shù)參數(shù)

根系CT成像模塊

根系CT成像是植物表型平臺(tái)的重要組成部分，成功的實(shí)現(xiàn)了原位監(jiān)測(cè)植株根系狀態(tài)，并對(duì)直徑20cm花盆內(nèi)自然土 壤中的根系進(jìn)行掃描和重建。

根系CT成像模塊技術(shù)參數(shù)

IT解決方案和儲(chǔ)存

WIWAM軟件在工業(yè)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，觸摸屏。該軟件配有用戶友好圖形界面，用于控制機(jī)器人站行為以及以較高靈活度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。可同時(shí)運(yùn)行多組實(shí)驗(yàn)，可運(yùn)行不同隨機(jī)模式，可及時(shí)規(guī)劃單個(gè)植株或一組植株的處理。在預(yù)設(shè)啟動(dòng)時(shí)間，PC機(jī)將向工業(yè)PLC發(fā)送指令，照管機(jī)器人移動(dòng)。所有成像，稱重/澆水以及環(huán)境數(shù)據(jù)均可存于SQL數(shù)據(jù)庫，記錄后可用于分析記錄。系統(tǒng)采用了開放式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，可以直接獲取圖像。該平臺(tái)可以與高性能計(jì)算相連，用于分析儲(chǔ)存數(shù)據(jù)或者可與本地服務(wù)器設(shè)施整合。

SMS郵件服務(wù)可以通知用戶機(jī)器報(bào)警和錯(cuò)誤，可盡快進(jìn)行用戶干涉。系統(tǒng)可于任一點(diǎn)暫停和停下，UPS(不間斷電源)可防止數(shù)據(jù)丟失和確保在停電后全系統(tǒng)恢復(fù)。該軟件也有平臺(tái)管理員系統(tǒng)設(shè)置和維護(hù)行為通道。

圖像分析和數(shù)據(jù)可視化

WIWAM Conveyor有VIB開發(fā)的圖像分析和數(shù)據(jù)可視化軟件支持，此軟件包，稱為PIPPA，是網(wǎng)絡(luò)界面和數(shù)據(jù)庫，一方面用來為不同類型的WIWAM植物表型平臺(tái)提供管理的工具，另一方面用于分析圖像和數(shù)據(jù)。

PIPPA與該平臺(tái)通訊，通過將PIPPA網(wǎng)絡(luò)界面生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳到平臺(tái)。每個(gè)花盆的處理和基因型信息已在數(shù)據(jù)庫限定以確保在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)一體性。實(shí)驗(yàn)期間PIPPA對(duì)來自平臺(tái)的稱重，灌溉測(cè)量，環(huán)境數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤記錄以及圖像信息進(jìn)行處理分析。PIPPA支持這些圖像后續(xù)處理(旋轉(zhuǎn)/收獲/等)。圖像分析文本可以在PIPPA界面初始化，可設(shè)置于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運(yùn)行(獨(dú)立版本)或計(jì)算機(jī)群運(yùn)行，以快速生成結(jié)果。隨后，通過檢查數(shù)據(jù)是否在特定閾值之內(nèi)可在網(wǎng)絡(luò)幾面對(duì)輸出文本進(jìn)行驗(yàn)證，例如，是否生長(zhǎng)相關(guān)性狀，如植物枝條面積一段時(shí)間內(nèi)是否增加。

北京博普特科技有限公司是比利時(shí)WIWAM植物表型成像系統(tǒng)的中國(guó)區(qū)總總代理，全面負(fù)責(zé)其系列產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)的推廣、銷售和售后服務(wù)。

WIWAM Line植物表型研究設(shè)備應(yīng)用案例

WIWAM葉綠素?zé)晒獬上衲K是革新性的植物葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)，是專門針對(duì)整個(gè)植株成像的相機(jī)系統(tǒng)，成像方式為遠(yuǎn)程成像，高分辨率和高速成像。生成圖像提供了光合作用性能信息。該模塊有兩種版本: 高分辨率版本和高速版本。同時(shí)配有分析軟件，可為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用提供少有的解決方案。所依據(jù)的原理是基于持續(xù)激發(fā)成像熒光計(jì)，用以測(cè)量Kautsky響應(yīng)曲線。采用了高能紅燈來使光合作用飽和，通過使用敏感相機(jī)，在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)相應(yīng)曲線成像以測(cè)量F0和Fm。依賴于所拍攝圖像的有效信號(hào)/噪音比，相機(jī)積分時(shí)間是從20µs-1ms。紅光燈的典型照射強(qiáng)度是1000-5000µmol/(m2s)。

利用葉盤生物測(cè)定、葉綠素?zé)晒夂投喙庾V成像技術(shù)篩選克羅地亞本土葡萄品種對(duì)葡萄霜霉病的敏感性

摘要

在葡萄生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代，人們?cè)絹碓叫枰_定葡萄品種之間霜霉病易感性的差異。克羅地亞是一個(gè)葡萄種植傳統(tǒng)悠久的國(guó)家，保存著大量的本土葡萄品種。根據(jù)國(guó)際葡萄與葡萄酒組織（OIV）452-1的描述，已經(jīng)對(duì)其中25株進(jìn)行了葉盤生物測(cè)定，以確定它們對(duì)霜霉病的反應(yīng)，進(jìn)行了葉綠素?zé)晒夂投喙庾V成像的葉盤應(yīng)激反應(yīng)，包括11個(gè)參數(shù)。測(cè)量時(shí)間點(diǎn)如下：處理前（T0）、接種后一天（dpi）（T1）、兩dpi（T2）、三dpi（T3）、四pi（T4）、六dpi（T5）和八dpi（T6）。在接種后的第七天，對(duì)已發(fā)育的葡萄漿菌（P.viticola）產(chǎn)孢形式的可見變化進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，這里使用的方法可以區(qū)分對(duì)霜霉病有不同反應(yīng)的品種。根據(jù)所獲得的結(jié)果，提出了在沒原體的情況下的表型模型，這需要進(jìn)行更廣泛的研究來確認(rèn)。 

關(guān)鍵詞：葡萄、霜霉病、生物脅迫、葉綠素?zé)晒狻⒐庾V指數(shù)、成像方法學(xué)、表型模型