70-培养箱高通量表型分析

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整株植物自动高通量 3D 表型分析

植物培养箱高通量表型分析系统


介绍

全自动基因型分析成为实验室标准技术之后就出现了 “表型分析瓶颈”，而全自动高通量植物表

型分析系统逐渐成为突破“表型分析瓶颈”的重要技术手段。表型分析主要包括植株的生长动力学与对

热，冷，干旱或特定光照等动态胁迫因子的响应，通过连续、无损伤大样本量测定分析可以为科研工作

者提供大量重要数据。

在培养箱使用一个或多个成像系统并通过 LemnaLauncher 软件平台的保存与高通量数据分析一起实

现了对图像测定的全部要求。

本文介绍了 LemnaTec 成像系统在培养箱里的安装方法。并描述了通过自定义可以实现单个培养箱

与特殊研究要求的基本方法。

整合在框架系统的成像单元

相比培养箱中植株的正常生长变化，自动成像系统产生的任何变动都应控制在最小范围，这对高品

质的成像性能是必需的，除了以下几点：

1. 框架每层都有一个相机底座在循环。各层的相机底座同步移动。

2. 根据实验设计与实际空间的要求，每个相机底座做可以承重一个或多个相机或高位扫描系统，。

3. 高精细 XY-定位系统（某些情况下可选配有多个相机的 X-移动系统）确保植株可以在预设的位

置每隔一段时间反复多次成像。因而所有植株可以按时间顺序进行成像并可以导入

LemnaLauncher 分析系统进行保存和深入分析。

4. 在培养箱内部只需要几根线缆：马达电源线，几根信号线和相机连接线。系统运行和图片筛选

的控制单元设计在培养箱外部。

下图可以看到不同层数的框架正面（图.1）与背面（图.2）

图 1.Scanalyzer HCP-GC 成像单元正面图，培养箱中框架 3 层（左）和 2 层（右）代表框架。层数主要取决于相机到植



株的最小距离与照明模块的高度（绿色）。暗灰色前门既有保护作用（当相机移动的时候），又可以反射灯光到框架内

确保光强均匀（尤其是前门长度超过图中所示时）。前门由透气性材料制成可以实现空气在培养箱中自由流动。

图 2.Scanalyzer HCP-GC 背面图，可以清楚地看到相机和灯箱的安装位置。以一个单元规格为例，整个单元高度至少为

2.1m。

灵活的基本方法：保证单元可以一直使用

Scanalyzer HCP-GC 能够满足于用户的多种特定要求，像不同的培养箱大小和培养条件就需要独立

而灵活的解决方案。通过调整 scanalyzer 来满足培养箱的规格可以实现各种规格培养箱的使用。相比非

自动培养箱，scanalyzer 作出相应的调整最小就需要：

1. 框架大小尽可能要与非自动生长箱的大小一致，以便能安装到培养箱内。移动技术对高度的要求

为至少 150-200mm，这样可以避免遮挡。框架的其中一个侧面需要 300mm 用来安装马达和控制

设备。

2. 通过调整系统高度和实际使用区域来满足商业托盘的大小，这就保证了诸如托盘大小和自动浇水

设备与使用标准设备的培养箱中的规格大小一致。该系统也可以定制通风装置。

3. 普通的灯箱与植株间的设计距离要尽可能小。有时需要根据植株的最大高度和其它的光学条件来

调整。总之，灯箱下端到成像系统需要约 200mm 的自由高度（灯箱下端正好在灯泡下面）。

4. 在传统培养箱使用的灯箱可以不经过修改直接安装使用，尤其是只要设计了双层系统高度达到基

本要求。Ing 外，也可以安装专门为 scanalyzer 系统设计的照明模块—比如温室制造商或者专业

公司。

5. LemnaTec 连接培养箱的接口为小口设计，因此用户可以自由选配并且大大减少了重新设计的考

虑。

6. 托盘布局和定位只是图像采集程序的参数，这些参数是可以任意调整并保存在数据库里。所以，

Scanalyzer 可以根据图盘的规格，形状（圆形，矩形等）与托盘位置的变动来进行调整。这样就

可以满足用户对托盘变化的灵活要求。



图.3:剖面所示不同的 2 层或者 3 层框架。为了确保最小的成像距离，灯箱的安装空间必须高度压缩，尤其是全系统最低

高度保证在 2.1m。双层系统为多种类型的相机和扫描系统提供足够的空间，也要有足够的高度保证视差最小化。对于

900mm 的框架高度，两个 x 轴间的自由宽度应该为 780mm，这样就非常适合安装 800mm 的灯箱。

气候条件

传送系统正常工作的温度范围为-20℃到 50℃。相机工作的温度范围很大程度上取决于相机类型。

普通相机的温度范围为-5℃到 40℃，但不同的模块差异会很大。在低温工作时，相机应该受到专门保护。

植株鉴定

植株在培养箱的位置是其唯一的标识。植株的位置关系只需要在传送植株进入定位台的测定开始时

确定一次。使用随机布局方案来定位植株。

相机与扫描单元

除了可见光图像系统，也配置了用近红外（950-1650nm）与红外/热成像系统：



图.4:拟南芥图的可见光成像。系

统可以自动将植株从背景分离出

来，并能观测到大量几何参数特

征（叶片投影面积，最大直径，

弯矩比，最小非凹面面积）

用于分析叶片运动的高位扫描设备与 850nm 成像系统一起可以用于夜间成像，从而避免了植株与观

测结果间的光线干扰。

图.5:拟南芥的激光扫描图（左）和软件处理后的彩色编码图（右）

选配另外的光源与滤光系统可以用于 GFP 的荧光模块与叶绿素荧光连续测定。

相机底座能够搭载多个相机，对成像图片的使用区域的损失极小。

成像条件和性能

成像作为一项测定技术意味着植株的每一次测定时应当尽可能具备可重复性与可比性，比如要避免

失真并保证植株成像时尽可能直立。另一方面，较小的单层空间又要求相对较短的成像距离。解决这两

个相反要求的最折中的方法就是在植物与相机较低边缘的距离保持在 35cm 左右，成像面积控制到大约

10-15cm。这样，一张图片可以最多成像四盆植株（托盘 5-7cm），否则每盆植株都需要成像一次。

高度为 60cm，长度为 3.6m 的一层空间可以放置 600 盆 6cm 直径的植株。假如每 4 盆成像在一张图




片需要 6s，那么一层所有植株成像需要约 15 分钟。每盆植株一天 16 个小时中可以成像 64 张图片，那

么每盆植株一个月可以成像约 1800 张图片。

之前提到过的 4 层培养箱一个月会成像大约 1.1×106张图片（每图 4 株）。如果使用 500 万像素的

相机，并且每张图片无损压缩至 2MB，那么一个月生成的数据量高达 2.2T。假如每个图片上每个植株（需

要时还包含单叶数据）有 50 个数据点（面积，颜色，形状参数，生长速度）平均每个植株一个月生成 9

万个数据点， 4 层培养箱（2400 株）一个月生成 2.15 亿个数据点。

这个数据量还仅仅是刚好能满足成像性能，数据流和信息技术要求的数量级。

结论

用于 LemnaTec 培养箱的高通量成像模块可以广泛于多种类型培养箱实验的要求。为了跟上叶片的

快速发育与运动速度，成像模块配置了 15 分钟完成全部植株成像一次的成像频率，单株植物在一天 16

个小时的光照期中就可以获得 64 张图片。

三层系统的空间最为紧凑，双层系统可以选配更多的标准模块，比如照明模块。双层系统可以灵活

安装使用多个成像系统。即使一张图片成像多个植株，其成像视差也是最小的。

全自动高通量的数据采集技术结合 LemnaLauncher 软件平台的强大分析功能与 LemnaMiner 数据高

效处理功能是大样本量植株表型分析的最理想的基础研究手段。

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