PlantScreenPlataforma de análisis fenotípico de plantas de alto rendimiento en el campo

——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

El establecimiento de una capacidad de análisis fenotípico rápido, precisa y de alto rendimiento de múltiples rasgos no dañinos de plantas de crecimiento salvaje es el mayor desafío que enfrenta la cría genética de cultivos en el siglo XXI (andrade - Sanchez et al. 2014, furbank y Tester 2011, houle et al. 2010). La Plataforma de análisis de fenotipos vegetales de alto rendimiento en el campo es de gran importancia para la genética, la biotecnología, la cría de cultivos y la investigación y monitoreo de la respuesta de los cultivos al cambio climático, el suelo y la gestión agrícola, especialmente la agricultura moderna y la agricultura inteligente.

PlantScreenLa Plataforma de análisis de fenotipos vegetales de alto rendimiento en el campo integra tecnologías avanzadas modernas como el sistema de control automatizado, el análisis de imágenes de fluorescencia clorofila, el análisis de imágenes térmicas vegetales, el análisis hiperespectral vegetal, el análisis de imágenes de color RGB y la Plataforma de Big data de fenotipos Internet + para realizar el análisis y medición de fenotipos vegetales de alto rendimiento in situ, la medición y selección de respuestas de estrés vegetal y el análisis de imágenes de resistencia a los cultivos, la medición del análisis de crecimiento vegetal, el reconocimiento de rasgos y la investigación de análisis fisiológicos y ecológicos vegetales de una manera optimizada. Como el primer fabricante mundial en desarrollar y producir sistemas de imágenes de fluorescencia de clorofila vegetal, PSI está a la vanguardia tecnológica mundial en el campo del análisis de imágenes de fenotipos vegetales, y plataformas de análisis de imágenes como el análisis de imágenes de fluorescencia de clorofila a gran escala permitenPlantScreenSe ha convertido en el instrumento y equipo más avanzado en el análisis de fenotipos vegetales y el análisis de imágenes funcionales.

Características funcionales:

1) gran plataforma de imágenes multifuncionales (plataforma de sensores multifuncionales), que integra imágenes de fluorescencia de clorofila, imágenes rgb, imágenes térmicas infrarrojas, LiDAR、 Imágenes hiperespectrales y otros equipos avanzados de detección de alta gama, análisis exhaustivo:

A) análisis fenotípico de rasgos estructurales (imágenes RGB y lidar)

B) análisis de fenotipos funcionales (imágenes de fluorescencia clorofila)

C) evaluación de la forma y el crecimiento (imágenes RGB y lidar)

D) manifestaciones fotosintéticas (imágenes de fluorescencia clorofila)

E) respuesta al estrés biológico y abiótico (imágenes de fluorescencia de clorofila, imágenes hiperespectrales, imágenes térmicas infrarrojas)

F) las manifestaciones fisiológicas y ecológicas incluyen fisiología fotosintética, dinámica estomacal, indicadores bioquímicos y metabólicos, etc. (imágenes de fluorescencia clorofila, imágenes hiperespectrales, imágenes térmicas infrarrojas, etc.)

2) la tecnología líder mundial de imágenes de fluorescencia de clorofila fluorcam es una tecnología de análisis necesaria para las características funcionales fisiológicas y ecológicas de los cultivos. la fuente de Luz LED inteligente proporciona luz de medición modular que puede medir automáticamente la fluorescencia de clorofila y la eficiencia fotosintética en condiciones de adaptación a la luz durante el día. Equipado con una lente de imagen de fluorescencia de clorofila única de alta sensibilidad, con un área de imagen de 35 cm x 35 cm (puede personalizar 80 cm x 80 cm), es el equipo técnico con el área de imagen de fluorescencia de clorofila más grande del mundo.

3) se puede instalar en un tractor para el análisis automático de imágenes móviles, o se puede instalar en una plataforma de operación automática especial para operar automáticamente a lo largo de la pista de la correa de muestra mientras se realiza la imagen de escaneo automático de cobertura completa de la correa de muestra y el análisis en línea.

4) Plataforma de Big data para el análisis fenotípico, que incluye control del sistema, adquisición de datos, análisis de procesamiento de datos y visualización en línea, base de datos, etc.

5) apoyo técnico del equipo de expertos del Centro de investigación de fenotipos psi, que organiza un seminario mundial sobre fenotipos vegetales cada año en los Estados Unidos y europa, respectivamente

6) opcional con una plataforma de análisis de fenotipos de alto rendimiento de drones fenouas basada en la tecnología de drones (uav - base), que permite el análisis de fenotipos basado en tierra Scaling - up a análisis de fenotipos rápidos en grandes áreas aéreas

7) estaciones opcionales de monitoreo Meteorológico del suelo para analizar exhaustivamente la relación entre las condiciones ambientales y los rasgos fenotípicos

8) se puede combinar con un sistema de monitoreo fisiológico y ecológico de plantas para monitorear simultáneamente la fotosíntesis de las plantas y el crecimiento de los frutos.

9) se puede seleccionar una maceta de cultivo digital de pesaje automático para pesaje preciso, monitoreo de humedad del suelo, riego automático, etc.

Principales indicadores técnicos:

1. una plataforma integrada de Análisis automático de imágenes multifuncionales, que integra una fuente de Luz LED inteligente y un módulo de imagen de fluorescencia de clorofila, un módulo de análisis de imágenes RGB y otros módulos de imagen seleccionados como imágenes térmicas infrarrojas, escaneo láser lidar, hiperespectral, etc., funcionan automáticamente a través del sistema operativo, almacenamiento clasificado automático, Análisis automático en línea, etc.

2. análisis de imágenes de fluorescencia de clorofila (estándar):

A) fuente de luz estimulada LED inteligente de 3 colores, luz de medición de pulso de 620 nm, luz fotoquímica blanca y flash saturado máximo, luz infrarroja de 735 nm para medir Fo 'y así sucesivamente

B) opcional con fuente de luz azul y rueda de filtro de 7 dígitos para mediciones de fluorescencia multiespectrales y multibanda, como la medición de imágenes GFP

C) sensor de imagen de fluorescencia de clorofila único de alta sensibilidad cc, con una tasa de fotogramas de 50 fps, que capta eficazmente los transiciones de fluorescencia de clorofila, una resolución de 720x560 píxeles, 12 bits A / d, con modo de video y modo de instantánea; Opcional con cámara de alta resolución, resolución 1360x1024, tasa de fotogramas 20fps, A / D 16 bits

D) área de imagen única 35 x 35 cm

E) parámetros de medición de imágenes: se pueden realizar mediciones de adaptación a la oscuridad de la noche y mediciones de adaptación a la luz del día. los parámetros de medición incluyen Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd Otros parámetros de fluorescencia de clorofila para analizar la eficiencia fotosintética de las plantas, la idoneidad, el estrés biológico y abiótico y la resistencia y restauración de los cultivos.

F) procedimientos de medición automatizados completos (protocolos) y parámetros de medición, como FV / fm, efecto de inducción Kautsky y análisis de extinción por fluorescencia, como el tiempo de medición del programa FV / FM es de solo 10 s

G) análisis en línea de datos de fluorescencia de clorofila, incluidos gráficos de columnas, gráficos de parámetros de medición, tablas de datos, etc., con funciones personalizadas de segmentación de imágenes, que permiten el análisis dinámico de múltiples parámetros en diferentes escalas de tiempo (como días, meses, toda la temporada de crecimiento, etc.).

H) es una verdadera imagen síncrona bidimensional, los parámetros de fluorescencia de clorofila obtenidos son parámetros de distribución bidimensional basados es es en píxeles reales, evitando la simplificación de la "imagen inducida por láser" (la ventaja es que es ligera y ahorra energía) es solo una imagen unidimensional (punto o línea), no se puede sincronizar la imagen bidimensional, es vulnerable a factores ambientales (como El viento y la hierba causan errores graves), los parámetros de imagen son solo parámetros de simulación (la fluorescencia de medición rápida y la fluorescencia de medición lenta obtenida de acuerdo con la velocidad de escaneo láser no son la fluorescencia mínima y máxima real, y los parámetros obtenidos "producción de cuánticos de luz" son solo parámetros después de la calibración necesaria para simular La producción de cuánticos de luz), los parámetros de medición únicos (solo se puede obtener la fluorescencia de medición rápida y la fluorescencia lenta y la producción de cuánticos de luz simulada calculada a partir de esto.se llama eficiencia cuántica de la luz) Problemas como la tecnología inmadura (no se pueden encontrar referencias)

I) es el medio técnico más utilizado y publicado en el mundo para el análisis de fenotipos de alto rendimiento de plantas.

3. análisis de imágenes rgb (estándar): se puede realizar un análisis de imágenes de la forma y el verde del color de las plantas, con una resolución de 5 mpx, y se puede realizar automáticamente un análisis estadístico del número de flores de las plantas, labradores de arroz, etc. los principales parámetros de análisis y medición incluyen:

1) Área de hoja: Último para monitorear la tasa de crecimiento y sus cambios dinámicos

2) solidez / cercanía de las plantas (solidarity / compactness. razón entre las áreas cubiertas por la planta 's ConvEx Hall y las áreas cubiertas por la planta real)

3) perímetro de la hoja (leaf perimeter: partularly useful for the Basic Leaf shape and width Evaluation (comprehensive with Leaf area))

4) excentricidad (eccentrity: Plant shape estímulos, número escalar, eccentrity of the elipse with same Second moments as the plant (0... circle, 1... Line segment))

5) redondeo de hojas (roundness: basado en la evaluación de la razón entre las áreas y el tiempo. información sobre las hojas roundness)

6) Índice de ancho de hoja (media Leaf width index: Leaf Area Property to the Plant Skeleton (i.e. Reduction of the Leaf to Line segment))

7) longitud fina de la hoja sol (plenderness of leaves)

8) diámetro del círculo de la planta (diámetro del círculo. diámetro de un círculo con la misma zona como la planta)

9) área de convexo (convex Hull area. useful for compactness evaluation)

10) centroid. Centro de las posiciones de los maestros de las plantas (práctico y útil para la evaluación de la economía))

11) Índice plano

12) tasa de crecimiento relativa

13) Índice de verde y análisis de clasificación (verde oscuro, verde saludable, verde claro, etc.)

14) clasificación de color y análisis de zonificación (división de color para la evaluación de fitness de plantas)

15) análisis dinámico de otros rasgos y clasificación de color

4. análisis de escaneo láser 3D (opcional): para el análisis fenotípico de la estructura vegetal, a través del análisis automático del modelo de nube de puntos para calcular la estructura vegetal, la biomasa, el número de hojas, el área de hojas, el ángulo de inclinación de las hojas, la altura de las plantas y otros parámetros morfológicos y estructurales.

5. análisis de imágenes térmicas infrarrojas (opcional): radiómetro microtermal de matriz de plano focal, Resolución 640 × 480 píxeles, banda 7,5 - 13 mu m, rango de temperatura - 20 - 120 ° c, resolución inferior a 0,05 ° c @ 30 ° C / 50 mk, área de imagen 35x35 cm, para imágenes de la distribución de la temperatura de la Corona de Las plantas en caso de radiación luminosa, y análisis de la dinámica de la conductividad estomacal, el estrés por sequía y la evaluación de la resistencia a la sequía de las plantas, etc. una buena disipación de calor puede hacer que las plantas toleren la radiación de luz alta o las condiciones de agua bajas (sequía) durante mucho tiempo.

6. análisis de imágenes hiperespectrales (opcional): rango de longitud de onda 380 - 1000 nm, número de bandas espectrales (número de bandas) 675 bandas, se puede visualizar y analizar el índice de relación simple (Índice de normalización de diferencias (ndvi))0) - 1,3 * (r790 - r550), (índice de vegetación ajustado por suelo optimizado (osavi), (igualdad: osavi = (1 + 0,16) * (r790 - r670) / (r790 - r670 + 0,16), índice de reflexión vegetal fotoquímica (índice de reflexión vegetal fotoquímica (pri), igualdad: pri = (r531 - r570) / (r531 + r570), etc.

7. plataforma móvil de campo: brazo de plataforma de 12 m de envergadura, Plataforma de imagen multifuncional puede escanear automáticamente el análisis de imágenes a la izquierda y a la derecha en la Plataforma móvil, puede escanear automáticamente la banda de muestra con un ancho de 10 m, cada área de imagen de escaneo puede alcanzar los 10 x 0,35 M (3,5 M 2), completar un tiempo de escaneo de menos de 1 minuto a unos minutos (dependiendo del Protocolo del programa de medición experimental), la plataforma móvil puede operar automáticamente a lo largo de la pista, y la distancia de funcionamiento no está limitada en principio (limitada por la longitud de la pista); La altura de la plataforma móvil es de 2,5 m, y la altura de la Plataforma de imágenes multifuncionales es ajustable para adaptarse al análisis de imágenes de cultivos de diferentes alturas; Las cuatro ruedas de Goma de la plataforma móvil no sólo pueden funcionar automáticamente en la pista a través del sistema de control y escanear automáticamente la imagen, sino que también facilitan el Movimiento y la curva en el suelo general. para el cuadrado de muestra de 75x20m, la plataforma móvil puede cargar la Plataforma de imagen multifuncional para completar la muestra de 75x10m a la vez, y luego completar automáticamente el análisis de imagen de la otra mitad de 75x10m después de girar a mano; Equipado con un sistema GPS con una precisión de 2 cm, los datos de medición, la ubicación, el tiempo se registran automáticamente a través de un software, que puede ser impulsado por un generador diesel para mover toda la plataforma.

8. se puede configurar una red de sensores de medición ambiental para monitorear y registrar automáticamente par, concentración de CO2 ambiental, temperatura y humedad del aire, precipitación y humedad del suelo.

9. sistema de control del sistema y análisis de adquisición de datos (plataforma de Big data fenotipo):

1) interfaz gráfica fácil de usar

2) la función de posicionamiento GPS puede realizar el análisis de la información de distribución espacial y el patrón de distribución espacio - temporal.

3) se han incorporado varios protocolos maduros, con programas de medición automática definidos por el usuario y editables (protocolos), y todos los experimentos se completan automáticamente de acuerdo con el programa de configuración del usuario. Los resultados de los datos se almacenan y analizan automáticamente, y los resultados de los datos analizados se pueden mostrar automáticamente en forma de curvas dinámicas.

4) sistema de gestión de bases de datos mysql, que puede procesar grandes bases de datos con decenas de millones de registros, soporta una variedad de motores de almacenamiento, y los datos relacionados se almacenan automáticamente en diferentes tablas de la base de datos.

5) todas las mediciones se pueden realizar con el programa predeterminado, o se pueden crear procesos de trabajo personalizados a través de herramientas de desarrollo, o se puede operar manualmente la fuente de Luz LED para encender o apagar, imagen de escaneo rgb, imagen de fluorescencia de clorofila, etc.

6) el programa experimental (protocols) tiene la tecla de inicio, la tecla de fin y la tecla de pausa.

7) el sistema puede controlarse remotamente a través de internet, permitiendo a los usuarios acceder remotamente a través de internet, procesando datos, descargando y cambiando el diseño experimental, con la función de clasificación de derechos de los usuarios para evitar que el mal funcionamiento de otras personas afecte el experimento.

Origen: PSI europeo

Casos de aplicación:

Aplicación fluorcamLa tecnología de fluorescencia de clorofila realiza un monitoreo in situ a largo plazo de las plantas silvestres en diferentes estaciones, mientras monitorea la fotosíntesis vegetal (asimilación de co2) A. los resultados se pueden ver en la siguiente imagen. La tecnología de fluorescencia clorofílica fluorcam utiliza la tecnología de modulación de pulso de luz estimulada, la tecnología de sensores CC de alta sensibilidad (frecuencia de muestreo de 50 veces por segundo) y la fuente de Luz LED inteligente, que puede ser grande (estándar con un área de imagen de 35 x 35 cm por cuadro) El análisis de imágenes de plantas / cultivos, que puede realizar tanto el análisis de imágenes de fluorescencia de clorofila en condiciones de adaptación oscura por la noche en el campo como el análisis de imágenes de fluorescencia de clorofila en condiciones de adaptación a la luz ambiente, tiene muchas ventajas funcionales sobre la simple medición de fluorescencia de clorofila inducida por láser (estimulada y medida a través de una fuente de luz de excitación monocromática puntual o lineal, la ventaja es que ahorra energía y puede ser más ligera), no sólo tiene muchos parámetros de medición, puede realizar varios análisis de imágenes de programas experimentales de fluorescencia de clorofila, sino que también una imagen bidimensional (análisis de imágenes reales) evita problemas como la medición síncrona de fluorescencia de clorofila causada por el escaneo de luz de excitación puntual o lineal, y la reducción grave de la resolución del viento y la hierba en el campo.

Anexo: otros sistemas de análisis de imágenes fenotípicas de campo:

1)PhenoUASPlataforma de análisis de fenotipos de cultivos de campo de alto rendimiento con drones

2)FluorCamSistema móvil de análisis de fluorescencia de clorofila y imagen rgb en el campo

3)FluorCamSistema de análisis de fluorescencia de clorofila y imagen RGB de escaneo de banda de muestra (opcional con imágenes térmicas infrarrojas)