植物表型是受基因和環境因素決定或影響的, 反映植物結構及組成、植物生長發育過程及結果的全部物理、生理、生化特徵和性狀。
基本介紹
- 中文名：植物表型
- 外文名：Plant Phenotype
說到育種不得不提到“表型”的概念，在生物學和遺傳育種領域，特別是作物育種領域，表型是指基因型和環境決定的形狀、結構、大小、顏色等生物體的外在性狀。表型組又是指某一生物的全部性狀特徵，不僅僅局限於農藝性狀，還應更加關注植株所表現出來的生理狀態。隨著多數代表植物全基因組測序的結束，科研人員越來越認識到植物表型研究的重要性，並將其提到的“組學”的高度。植物表型組學是研究植物的生長、表現和組成的科學，它的研究可以從小至核苷酸序列細胞，大至組織、器官種屬群體的表型來研究分析，並且可以進一步整合到基因組學研究中；而從系統生物學角度來看，從基因組到轉錄組、蛋白質組、代謝組以及表型組，表型組是各種組的表現形式。因此，植物表型組學的研究將是涉及植物各個方面的研究領域。
植物表型參數的分析與育種息息相關。傳統的表型數據的獲取主要是通過手工測量和照相後軟體分析進行。手工測量可以獲取植物直徑、葉長、葉片數目等指標，照相後軟體分析或通過葉面積儀可以獲取植物的葉長、葉寬、葉面積、葉傾角等指標。這些測量都需要花費大量時間，測量結果準確性較低，工作繁瑣，工作量大，這些缺點大大限制了大規模遺傳育種篩選的效率。此外，國內目前採用的這些傳統方法都只能獲得植物表型的部分指標，優良株型的選擇等也只能依靠科研人員經驗選擇，而每個人的選擇標準不同，甚至差異很大，造成沒有辦法統計。鑒於大量的植物表型組學數據，表型信息的聯用對功能基因組學的研究意義巨大，必須要依託準確科學的高通量植物表型平台去完成工作。
隨著自動化技術、機器視覺技術和機器人技術在表型領域的套用，高通量、精準高效的植物表型測定技術已得到日新月異的發展。高通量植物表型平台是一種未來化“精準農業”技術，它是遺傳學、感測器以及機器人的結合體。它可被用於研發新的作物品種，或提高作物營養含量、耐抗旱以及抗病蟲害的能力。高通量植物表型平台技術可以採用多個感測器測量植物的重要物理數據，比如結構、株高、顏色、體積、枯萎程度、鮮重、花/果實的數目等。這些都屬於表型特徵，也是植物遺傳代碼的物理表達。科學家可以將這些數據與特定植物的已知遺傳數據對比,將基因型-表型進行關聯分析，從而達到高級遺傳育種之目的。
高通量植物表型平台包括溫室型和田間型。
溫室型高通量植物表型平台一般包括植物傳送系統和成像單元兩部分。植物種在花盆中，每個花盆有唯一的“身份證號”，根據程式設定傳送到成像單元進行表型成像。在過去多採用工業無塵車間的物流系統來傳送植物，但這種工業物流系統到了溫室中會遭遇高濕、高溫、水濺出、土濺出等惡劣條件，導致經常出現故障。
現在國際上主流的表型平台供應商都已採用了荷蘭的溫室物流系統來傳送植物。這種溫室物流系統本身就是為溫室內工作而設計的，堅固耐用，製造成本和維護成本都大大低於工業物流系統。
對於成像單元而言，目前在技術上已經實現了可見光成像、近紅外成像、紅外（熱）成像、高光譜成像、穩態螢光成像、非調製葉綠素螢光成像、根系CT成像、三維雷射掃描等功能。
這其中，可見光成像是植物表型分析的核心。
近紅外成像和紅外（熱）成像由於能夠測量植物水分和乾旱狀態而一度在表型平台建設上廣受追捧，但當系統真正運行時才發現這兩個成像單元的像素只有640x480，根本不能滿足整株植物分析的需要。
高光譜成像理論上可以獲取很多植物內在的信息，但目前在技術上對數據的解析能力還遠遠不能滿足需要，再加上造價昂貴，因此也鮮有人問津。
穩態螢光成像曾經作物一個獨立的成像單元存在過，但在數據分析中沒有實際價值而成為雞肋。目前，荷蘭研究人員將可見光成像和穩態螢光成像疊加到一個成像單元中，用螢光成像來自動對可將光成像的植株進行圖像分割，使得穩態螢光成像技術出現了”第二春“。
非調製葉綠素螢光成像是一種全新的技術，和調製葉綠素螢光成像比，具有測量時間短（數秒）、測量面積大（最大測量2m x 2m）、通量高等優點，並且能夠深入挖掘植物的內在光合生理信息，因此在新一代的高通量植物表型平台建設上廣受追捧。
根系CT成像成功的將計算機斷層掃描技術實現了對直徑20 cm花盆內自然土壤中根系的掃描和重建，這在技術上是一個重大的突破。但是目前該技術只能掃描直徑1 mm以上的根系，對於很多細根而言還是不能測量的。
三維雷射掃描技術通過掃描植物的三維點陣雲圖並自動重建來進行分析，是目前一種比較主流的表型技術。該技術和其它光學成像技術相比還有一個很大的優點，所有的光學成像都受自然光照的影響，而三維雷射掃描技術不受光照的影響，因此可以走到田間測量。
對於田間植物表型平台而言，目前主要包括固定式和行走式兩種。固定式田間表型平台以FieldScan為代表，通過在一定範圍內（例如20 m x 200 m）移動掃描雷射掃描感測器來進行自動的表型測量，這方面的典型代表是國際熱帶作物半乾旱研究所（International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics）；而行走式表型平台包括人工驅動行走和自動行走等多種模式，可以配置多種成像單元，但目前多數還停留在研究階段。
