WIWAM驅(qū)動(dòng)式植物表型成像系統(tǒng)

產(chǎn)品型號(hào)： WIWAM定制版

所屬分類：WIWAM植物表型成像分析平臺(tái)

更新時(shí)間：2022-05-31

簡(jiǎn)要描述：WIWAM驅(qū)動(dòng)式植物表型成像系統(tǒng)針對(duì)大型植物的生長(zhǎng)表型特征，設(shè)計(jì)了一套sensor-to-plant系統(tǒng)。該裝置包括一個(gè)箱體，垂直于植株移動(dòng)的方向，以及一個(gè)較小的可停靠箱體，在兩個(gè)植株移動(dòng)線之間移動(dòng)。

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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)，我們提供的Conveyor版本、Line 版本、XY版本、Box版本僅僅是我們WIWAM植物表型成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)版本，如果您有更多需求，請(qǐng)與我們聯(lián)系，為您量身打造個(gè)性化表型成像系統(tǒng)。

WIWAM驅(qū)動(dòng)式植物表型成像系統(tǒng)介紹

SMO是歐洲有名的機(jī)械設(shè)備制造與設(shè)計(jì)工程公司，在機(jī)械自動(dòng)化以及機(jī)器視覺成像領(lǐng)域擁有豐富的設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為歐洲客戶提供機(jī)械解決方案，SMO公司將機(jī)械領(lǐng)域的*理念帶入了植物表型研究領(lǐng)域，所采用的配件均為工業(yè)界廣泛認(rèn)可的高品質(zhì)配件，耐受苛刻環(huán)境，另外表型設(shè)備領(lǐng)域的好多自動(dòng)化配件，均由SMO公司自主設(shè)計(jì)，例如WIWAM系統(tǒng)的高精度稱重澆水工作站，專有的高精度相機(jī)定位系統(tǒng)等等，鑒于工業(yè)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，可針對(duì)不同客戶需求，提供真正快速定制化的解決方案。因公司擁有極為強(qiáng)大的工程師團(tuán)隊(duì)，一般數(shù)周左右就可以提供極復(fù)雜表型成像系統(tǒng)的解決方案。由于采用開放式框架結(jié)構(gòu)，目前WIWAM可以集成目前市面上所有的相機(jī)傳感器模塊，如RGB相機(jī)、葉綠素?zé)晒獬上衲K、高光譜相機(jī)模塊、近紅外相機(jī)模塊、3D激光掃描模塊、多光譜模塊、CT成像模塊等，是目前世界上表型成像領(lǐng)域整合能力的公司，這也順應(yīng)了植物表型組織提出的標(biāo)準(zhǔn)化的潮流，提供設(shè)備涉及到室內(nèi)表型、田間表型、根系表型、種子表型等領(lǐng)域。在該領(lǐng)域較突出的一點(diǎn)，SMO公司是目前所有表型設(shè)備提供商里不多見的進(jìn)行自主機(jī)械、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的公司，因自有長(zhǎng)期的機(jī)械工程人員和自己的生產(chǎn)場(chǎng)地，能應(yīng)對(duì)表型領(lǐng)域客戶的極為多樣化的需求。

VIB所：比利時(shí)VIB生物研究所是世界較*植物科學(xué)研究所之一，大名鼎鼎的蒙塔古教授（CropDesign公司創(chuàng)始人）、 Dirk Inzé，均來自該所，主要科研人員和創(chuàng)始人來自比利時(shí)VIB所的CropDesign首先成功研制出自用的稱為TraitMill的技術(shù)平臺(tái)。VIB所作為WIWAM系統(tǒng)開發(fā)者，在*使用高通量植物表型識(shí)別系統(tǒng)WIWAM鑒定出促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量性狀的關(guān)鍵基因，目前相關(guān)文章發(fā)表在Nature Biotechnology等期刊上。SMO公司與VIB合作，將工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械視覺、人工智能以及生物學(xué)技術(shù)等相結(jié)合，設(shè)備開發(fā)人員包括自動(dòng)化工 程師、機(jī)械視覺專家、植物遺傳學(xué)家，生態(tài)生理學(xué)家，發(fā)育生物學(xué)家，農(nóng)藝學(xué)家，氣候研究員，土壤學(xué)家，生物信息學(xué)家和生物學(xué)家，植物發(fā)育、生理過程和氣候情景建模相關(guān)的其他相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家，傳感技術(shù)開發(fā)者等，目前客戶有根特大學(xué)、拜耳公司等等。

WIWAM驅(qū)動(dòng)式植物表型成像系統(tǒng)案例

針對(duì)大型植物的生長(zhǎng)表型特征，設(shè)計(jì)了一套sensor-to-plant系統(tǒng)。該裝置包括一個(gè)箱體，垂直于植株移動(dòng)的方向，以及一個(gè)較小的可停靠箱體，在兩個(gè)植株移動(dòng)線之間移動(dòng)。這個(gè)可停靠的箱體搭載了一臺(tái)的RGB相機(jī)，配備了照明和兩臺(tái)3D掃描儀，同時(shí)作為一個(gè)雙掃描裝置，用于創(chuàng)建植物的3D點(diǎn)云。這些成像系統(tǒng)安裝在2.5m的垂直掃描軸上。整個(gè)軸可以旋轉(zhuǎn)180度，以便從兩側(cè)對(duì)植物進(jìn)行成像。主計(jì)算機(jī)和可停靠箱體之間有無線通信，圖像數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸。成像處理可以以靈活的方式編程，其中可以幾個(gè)參數(shù)，如定時(shí)、掃描高度和成像側(cè)。

WIWAM高通量植物表型平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

擬南芥生長(zhǎng)與菌株互作

根際微生物可以通過許多不同的方式改變植物的生理和形態(tài)，包括通過釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）。本文證明了來自有益根內(nèi)生植物Serendipita spp.的揮發(fā)性有機(jī)化合物能夠改善體外生長(zhǎng)的擬南芥幼苗的性能，植物生物量增加了9.3倍。暴露于VOC的植物的其他變化包括葉柄伸長(zhǎng)、表皮細(xì)胞和葉面積擴(kuò)大、側(cè)根系統(tǒng)延長(zhǎng)、提高光系統(tǒng)II（Fv/Fm）的最大量子效率以及高水平花青素的積累。盡管影響的大小高度依賴于試驗(yàn)系統(tǒng)和培養(yǎng)基，但每個(gè)受檢菌株的揮發(fā)性混合物，包括參考S.indica和S.williamsii，表現(xiàn)出類似的植物生長(zhǎng)促進(jìn)活性。通過結(jié)合不同的方法，我們提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，證明不僅真菌呼吸二氧化碳在頂空中積累，而且其他揮發(fā)性化合物也有助于觀察到的植物反應(yīng)。揮發(fā)性分析表明，苯甲酸甲酯是豐富的真菌揮發(fā)性有機(jī)化合物，特別是由引起植物生長(zhǎng)促進(jìn)的Serendipita培養(yǎng)物釋放。然而，在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，苯甲酸甲酯作為揮發(fā)物的應(yīng)用并未影響植物的性能，這表明涉及其他化合物，或者揮發(fā)性有機(jī)化合物的混合物，而不是單分子，解釋了強(qiáng)烈的植物反應(yīng)。在一些主要的植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中使用擬南芥突變體和報(bào)告系進(jìn)一步揭示了生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素信號(hào)在Serendipita VOC誘導(dǎo)的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)中的作用。盡管我們還遠(yuǎn)未將現(xiàn)有知識(shí)轉(zhuǎn)化為Serendipita的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)生Sebacinales；真菌揮發(fā)物；植物激素信號(hào)；梨狀孢菌屬；植物生長(zhǎng)和發(fā)育；植物-微生物相互作用

在尋找化肥和植物保護(hù)產(chǎn)品的可持續(xù)替代品時(shí)，已經(jīng)廣泛探索了使用有益的根際微生物和/或其生物活性化合物作為潛在的生物肥料、植物刺激劑和生物防治劑。在此背景下，內(nèi)生菌 Serendipita indica（原 Piriformospora indica）及其在 Serendipitaceae 內(nèi)的近親（Sebacinales、Agaricomycetes、Basidiomycota）因其廣泛的寄主譜和對(duì)植物發(fā)育的各個(gè)方面的積極影響而引起了人們的關(guān)注。它們被認(rèn)為在可持續(xù)作物生產(chǎn)系統(tǒng)和發(fā)展中國家資源有限的小規(guī)模農(nóng)業(yè)中具有巨大的應(yīng)用潛力。例如已經(jīng)證明，用剛果 Serendipita 菌株對(duì)幾種作物進(jìn)行體外接種提高了植物應(yīng)對(duì)不利（a）生物條件的能力。有趣的是，基于接種擬南芥幼苗的體外測(cè)定，還確定在與剛果分離株或參考菌株 S. indica 和 S. williamsii 物理接觸之前出現(xiàn)陽性植物生長(zhǎng)反應(yīng)，表明涉及生物活性可擴(kuò)散化合物。對(duì)于 S. indica，確實(shí)已經(jīng)證明擬南芥根結(jié)構(gòu)受到可擴(kuò)散的真菌因子的影響，其作用可以被生長(zhǎng)素模擬。然而，盡管 S. indica 能夠在液體培養(yǎng)中產(chǎn)生吲哚-3-乙酸，但植物生長(zhǎng)的改善似乎是由真菌菌絲分泌物中的不同（未知）成分引發(fā)的。此外，希爾伯特等人表明，菌絲體合成的生長(zhǎng)素不是促進(jìn)生長(zhǎng)所必需的，而是大麥根的生物營(yíng)養(yǎng)定植所必需的。類似地，盡管由 S. indica 產(chǎn)生的順式玉米素和異戊烯基腺嘌呤型細(xì)胞分裂素可能在與擬南芥的有益相互作用中發(fā)揮重要作用，但它們并不是導(dǎo)致觀察到的植物生長(zhǎng)效應(yīng)的難以捉摸的生物活性化合物。

我們的主要觀察結(jié)果表明在建立物理接觸之前，植物的芽和根對(duì) Serendipita 接種反應(yīng)良好。因此在當(dāng)前的研究中，使用不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置檢查了剛果 Serendipita 分離株在體外產(chǎn)生的 VOC，并將它們對(duì)擬南芥與兩個(gè)參考菌株的形態(tài)和生理特征的影響進(jìn)行了比較。評(píng)估了養(yǎng)分可用性以及真菌代謝對(duì)這些植物反應(yīng)的影響，并評(píng)估了真菌呼吸 CO2 和其他揮發(fā)性化合物對(duì)觀察到的植物生長(zhǎng)促進(jìn)的相對(duì)貢獻(xiàn)。還分析了在不同條件下生長(zhǎng)的 Serendipita 分離株的揮發(fā)性混合物的組成，以試圖確定與積極植物反應(yīng)有關(guān)的化合物。最后，使用突變體和報(bào)告系，評(píng)估了主要植物激素途徑在觀察到的 VOC 介導(dǎo)的芽和根修飾中的假定作用。總而言之，將我們的數(shù)據(jù)與其他 VOC 研究的數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出了一種關(guān)于 Serendipita 分離株采用的這種新機(jī)制來改變其宿主發(fā)育的模型。

圖1.PDA生長(zhǎng)的 Serendipita 分離株30對(duì)在含有0%、1%和3% 蔗糖的? MS上生長(zhǎng)的擬南芥的揮發(fā)物產(chǎn)量的影響

為了評(píng)估 Serendipita 揮發(fā)性產(chǎn)量對(duì)擬南芥的影響，建立了盒內(nèi)培養(yǎng)皿共培養(yǎng)試驗(yàn)，其中真菌在 PDA 上培養(yǎng)，而幼苗在補(bǔ)充有蔗糖的 ? MS 培養(yǎng)基上生長(zhǎng)（0%、1% 和 3%）。分離株 30 被選為測(cè)試生物，因?yàn)樗谥暗闹苯咏佑|測(cè)定中具有高生長(zhǎng)率和強(qiáng)大的植物生長(zhǎng)促進(jìn) (PGP) 能力。共培養(yǎng) 10 天后，在 VOC 處理的植物中觀察到明顯的芽和根生長(zhǎng)誘導(dǎo)，但隨著植物培養(yǎng)基中蔗糖水平的增加，相對(duì)于沒有真菌的對(duì)照的反應(yīng)變得不那么明顯（圖 1A） .在分別含有 0%、1% 和 3% 蔗糖的 MS 培養(yǎng)基上記錄到的芽FW增加了6.6、3.7和1.9倍（圖 1B），這構(gòu)成了生長(zhǎng)促進(jìn)程度的顯著降低，具有改善的植物養(yǎng)分有效性（t檢驗(yàn)1%對(duì)0%和3% 對(duì) 1%，P<0.001），主要是由于對(duì)照中糖驅(qū)動(dòng)的刺激作用（t 檢驗(yàn)，P < 0.05）。此外，VOC 處理過的植物的葉柄更長(zhǎng)，它們的葉子看起來更健壯（即更厚/更硬）和更暗（圖 1A）。多光譜成像顯示，這種較深的顏色歸因于花青素色素積累（圖 1C），而不是葉綠素含量增加（圖 1D）。盡管葉綠素指數(shù)值 (ChlIdx) 不受真菌處理的強(qiáng)烈影響，但通過葉綠素?zé)晒鈪?shù) Fv/Fm 在暗適應(yīng)植物中測(cè)量的 PSII 光化學(xué)的最大量子效率被真菌VOC顯著提高（圖1E）。

圖2. Serendipita 在分裂板試驗(yàn)中對(duì)擬南芥生長(zhǎng)的VOC介導(dǎo)影響

接下來研究了其他Serendipita分離株是否會(huì)引起不同的植物生長(zhǎng)反應(yīng)。因此，在I-plate檢測(cè)中篩選了51個(gè)剛果分離株和參考菌株S.indica和S. williamsii。與對(duì)照處理相比，所有 Serendipita 分離株均誘導(dǎo)擬南芥枝條生物量增加，在連續(xù)范圍內(nèi)變化5到9.3倍。然后，為暴露于來自S. indica、S. williamsii的VOC的個(gè)體植物準(zhǔn)備葉子系列，以及剛果收集（圖 2A）中用于我們報(bào)告的直接接觸實(shí)驗(yàn)。如圖2B所示，總枝條生物量的增加是葉柄伸長(zhǎng)和葉面積擴(kuò)大（高達(dá) 3.7 倍）的綜合結(jié)果。與未經(jīng)處理的植物相比，暴露于VOC的植物中的背面表皮鋪面細(xì)胞至少大兩倍（圖 2C、D），這意味著葉面積擴(kuò)大在很大程度上可歸因于細(xì)胞增大而不是細(xì)胞數(shù)量增加。

圖3.VOC介導(dǎo)的對(duì)擬南芥根發(fā)育的影響，在垂直設(shè)置中使用精選的 Serendipita 分離株進(jìn)行檢查

為了查看根結(jié)構(gòu)的調(diào)制，使用了垂直板設(shè)置。在共培養(yǎng)4天和8天后進(jìn)行評(píng)估（圖 3A、B）。4天后，與未處理的對(duì)照相比，Serendipita VOC導(dǎo)致主根長(zhǎng)度最大增加1.2倍（S. williamsii）（圖 3C），側(cè)根長(zhǎng)度增加9.6倍（隔離 30）（圖 3D）和2.7倍（隔離1）的側(cè)根密度（圖 3E），導(dǎo)致總根長(zhǎng)增加2.4倍（隔離 30；補(bǔ)充圖 S9）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理后的植物與對(duì)照相比，初生根、側(cè)根和總根長(zhǎng)分別增加了 1.6、16.1 和 5.7 倍，側(cè)根密度增加了3.1倍。隔離 46)。在測(cè)試菌株之間沒有檢測(cè)到顯著差異，并且分離株之間正根效應(yīng)程度的變化與地上部生物量增強(qiáng)的趨勢(shì)相當(dāng)（圖 3C-E）。

圖4.擬南芥中 VOC 介導(dǎo)的植物生長(zhǎng)促進(jìn)程度取決于 Serendipita 培養(yǎng)基

接下來評(píng)估了在 I-split-plate 試驗(yàn)中在七種不同培養(yǎng)基上培養(yǎng)的代表性 Serendipita 分離株 30 排放的 VOC 混合物的影響，以確定真菌的代謝活性是否影響共培養(yǎng)的結(jié)果。四種真菌培養(yǎng)基（MYP、MEA、CM、PDA）和三種含有較少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的植物培養(yǎng)基進(jìn)行測(cè)試。在VOC暴露10天后，當(dāng)真菌在MEA、CM 或 PDA 上培養(yǎng)時(shí)，記錄了對(duì)芽和根生長(zhǎng)的*影響。此外，使用這些培養(yǎng)基，獲得了更健壯和更深綠色的植物（圖 4A）。真菌在無蔗糖的 PNM或?MS上的生長(zhǎng)幾乎不會(huì)調(diào)節(jié)植物發(fā)育，而在? MS上用 1% 蔗糖或 MYP 的生長(zhǎng)誘導(dǎo)了中間反應(yīng)（圖 4A）。暴露于MEA、CM和PDA培養(yǎng)物揮發(fā)物的代表性植物的葉子系列顯示具有長(zhǎng)葉柄和大葉表面積的深色葉子（圖 4B）。盡管用?MS和1%蔗糖或在MYP上產(chǎn)生的揮發(fā)物處理導(dǎo)致淺綠色葉子，中間葉柄和表面積比在更豐富的培養(yǎng)基上小約1.25到1.5倍，但與這些培養(yǎng)基相比，在這兩種培養(yǎng)基上都長(zhǎng)出了額外的葉子到控件。最后，在沒有蔗糖的PNM或?MS上生長(zhǎng)導(dǎo)致蒼白、短葉柄、小葉，與對(duì)照葉沒有區(qū)別（圖4B）。當(dāng)分離株30在不含或含1%或3%蔗糖的?MS上或在PDA上生長(zhǎng)時(shí)，在盒裝培養(yǎng)皿實(shí)驗(yàn)裝置中獲得了可比的結(jié)果（圖4C）。共培養(yǎng)10天后，測(cè)得的芽生物量分別增加了1.1、6.6、7.0和 7.9倍（圖4D）。此外，所有處理的Fv/Fm比率都高于對(duì)照值，但對(duì)于使用三種豐富培養(yǎng)基的處理，比率高于沒有蔗糖的? MS上真菌生長(zhǎng)記錄的比率（圖4E）。類似地，與在無糖培養(yǎng)基和未處理對(duì)照中的真菌生長(zhǎng)相比，與在PDA上生長(zhǎng)的分離株30和含有1/2 MS的蔗糖（1%和3%）共培養(yǎng)的植物中的花青素和葉綠素含量更高。