高通量作物表型监测：育种和精准农业发展的加速器

中国网/中国发展门户网讯 作为世界上的农业大国，持续推动农业科技进步和保障粮食安全对于我国的国计民生具有重要意义，同时也是我国社会经济发展的重大战略需求。虽然目前我国粮食产量持续稳健增长，但由于耕地的持续减少和人口增长，预计到 2020 年，我国仍将面临约 2 000 亿斤的粮食缺口。“十三五”规划建议提出“藏粮于技”，通过绿色增产技术来提高粮食产能，加快推进农业新品种新技术的开发和应用，走中国特色的新型农业现代化道路。“分子模块设计育种创新体系”通过分子模块的解析、耦合，有目标地进行全基因组水平多模块优化组装，为当前育种产量和品质双提升提供了最新的解决方案。“表型为王，基因为后”是表型相关领域的学者常挂在嘴边的一句话。对于育种和农业管理而言，表型分析是理解基因功能及环境效应的关键环节。在育种的整个进程中，表型监测不仅可对育种前期的室内种质筛选进行指导，而且能在后期推广种植中对品种的田间表现进行评估。因此，高通量表型监测能够加速整个育种进程，并为精准农业监测中的资源调控和管理策略制定提供重要的数据支撑。

作物表型监测发展现状

表型监测平台通过搭载不同类型的传感器，能够在短时间内获取多源遥感数据，为通量化地实现表型测量提供了可能。依据所处的工作环境，表型平台可分为室内固定平台和室外移动平台。其中室内固定平台具有精度高、重复性强、不受外界干扰等优点。当前，室内固定平台根据工作时目标作物和传感器的运动状态，可分为“plant-to-sensor”（作物移动型）和“sensor-to-plant”（传感器移动型）工作方式。

“plant-to-sensor”指的是传感器保持位置固定，目标作物通过传送带等运输平台进入到工作区，传感器对不同批次进入的目标作物进行数据采集和分析。当前，国外研发的此类平台比较成熟，主要出现在法国、德国、比利时、荷兰、澳大利亚等国家。其中，比利时 CropDesign 公司设计出国际上第一套表型平台——TraitMill；德国 Lemna Tec 公司的室内平台能全自动、高通量和全生育期地获取表型结构参数、生理参数以及进行环境胁迫等分析；法国农业科学研究院建立了适用于小型植物的 Phenoscope和 PHENOPSIS表型平台；类似的整合基因性状和表型性状的研究平台还有荷兰 KeyGene 公司研发的 PhenoFab平台，以及澳大利亚的 PlantScan 表型平台。相比之下，国内表型平台起步晚，发展相对滞后。以华中农业大学为代表的科研团队研发了断层扫描仪和数字化考种机用于获取单株水稻的株高、分蘖等结构信息和收获后的种子性状。综上，“plant-to-sensor”类型的平台整体上比较成熟，这主要得益于此类平台单次作业的样本量少，环境均一，难度较低。然而，“plant-to-sensor”方式整体效率较低，且容易对成熟期和易断折倒伏的作物带来影响，造成监测中的误差以及作物本身的损毁。更为重要的原因是，很多重要的农艺性状只有当作物种植在真实环境下的群体中才会表现出来。因此，实现作物固定大田种植模式下的数据获取显得尤为必要。

“sensor-to-plant”室内表型平台通过移动传感器到目标作物区域，进行图像采集等信息获取。这种扫描作业方式保持了作物位置的固定，对作物的真实生长干扰少，传感器移动的灵活性大，工作效率高，成为当前表型平台研发的主要方向。但是，传感器在移动过程中实时采集群体数据并实现高通量的表型参数提取，这无论是对于硬件集成还是软件开发都是巨大的挑战。