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新一代實驗室型高通量成像系統——PhenoCenter

2018-03-07打印閱讀次數:1450返回
    PhenoCenter 是實驗室型高通量植物表型平臺HTS Lab Scanalyzer的升級版。PhenoCenter是一套集培養植物材料功能和高通量采集小型植物及其他樣品材料表型數據功能于一身的多功能表型系統,可以對不同品種、不同生命時期的小型植物或者其他樣品材料進行深入的表型數據采集。此系統可根據測量樣品數目選擇不同配置版本,有多種傳感器以及光源可以選擇,滿足不同領域的表型研究。

第二代實驗室型高通量植物表型平臺

最新集成了全球功能最強大、操作最簡便、發表文獻最多的葉綠素熒光成像系統

突變株快速篩選的強大工具

PhenoCenter 是實驗室型高通量植物表型平臺HTS Lab Scanalyzer的升級版。PhenoCenter是一套集培養植物材料功能和高通量采集小型植物及其他樣品材料表型數據功能于一身的多功能表型系統,可以對不同品種、不同生命時期的小型植物或者其他樣品材料進行深入的表型數據采集。此系統可根據測量樣品數目選擇不同配置版本,有多種傳感器以及光源可以選擇,滿足不同領域的表型研究。

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主要功能

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?   l  定制化地進行植物等小型樣品培養,如根據植物生長特定LED燈光的光照強度、白天對黑夜時長比例、以及光照強度的波動間隔時間等。

?   l  全自動、高通量對植物等小型樣品進行可見光、近紅外、紅外、PSII調制熒光成像(PAM)或激光3D掃描。

?   l  自動的將擴展區的植株運送到成像臺,進行后續的表型成像分析。

?   l  通過可見光成像可以測量植物的結構、寬度、密度、對稱性、葉長、葉寬、葉面積、葉角度、葉顏色、葉病斑、種子顏色、種子顏色面積等等50多個參數。

?   l  通過近紅外成像可以分析植物的水分分布狀態、水力學研究、脅迫生理學研究等。

?   l  通過熒光成像可以分析植物的生理狀態。

?   l  樣品可以是培養在多孔板中(如6、12、24、48、96、384孔板),也可以是長在小花盆中。

?   l  高通量測量大量樣品,標準配置可選擇裝4、24、48或72多孔板的版本

?   l  可選擇成像分辨率,特別適用于96孔板高精度測量

  l  進行動物/昆蟲的游動/運動測試時,可自動獲取圖像

?   l  通過專業的表型分析軟件對植物等小型樣品采集到的表型數據進行批量處理。

         l  通過自動獲取圖像,進行動物/昆蟲的游動/運動測試。

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PhenoCenter總覽圖

 











主要配置:

1. 控制臺(WxLxH):1200mm×700mm×1600mm

2. 基本模塊(WxLxH):1800mm×800mm×1900mm

3. 擴展(可選)(WxLxH):1400mm×800mm×1900mm

    電源要求: 400V AC,16A,50Hz

 微孔板的處理(MTP)

 小植物可以在MTP上運輸,見下圖;

 總重量最大300g

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應用領域






?   突變株篩選

?   植物形態建模

?   遺傳育種

?   植物病理學

?   植物脅迫生理學

?   種子病理學

?   種子生理學

?   植物水力學

?   毒理學

?   動物/昆蟲運動軌跡











4. 相機臺

4.1 VIS相機

4.2 PAM相機

4.3 3D激光掃描儀

* PhenoCenter目前能最多安裝三個成像模塊,如果已經安裝RGB和激光雷達3D(或PAM模塊),替換掉RGB模塊后,需要手動安裝NIR成像模塊。

5. 處理相機和MTP的系統基本模塊

5.1 MTP的z軸

5.2相機的z軸

5.3相機夾具

5.4MTP夾具

6. 18個MTP的托盤

6.1發射LED燈

6.2手持式條形碼閱讀器的USB端口

7. 轉運站

 

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系統優勢

?l  定制化植物培養

l  定制化設計

l  全自動高通量表型數據采集

?l  穩固可靠

l  強大的LemnaTec公司表型分析軟件
















PhenoCenter成像模塊的具體規格

NIR:焦距50mm,1450nm帶通濾波器;視野18°x 14°,工作距離540 mm  - 一個MTP的圖像

VIS:50mm焦距;視野20°x 15°,工作距離485 mm  - 一個MTP的圖像

PAM相:成像面積100x130 mm;工作距離185 mm

3D激光:(新發展中)











PAM成像模塊配置

整合高通量PSII調制式葉綠素熒光成像探頭

PhenoCenter引入德國WALZ技術,將國際上廣受贊譽的葉綠素熒光成像系統Maxi-Imaging-PAM整合其中,將其強大精準的光合生理測量功能發揮到極致,從此植物表型系統也可高精度、高通量獲取全系葉綠素熒光成像參數,為植物表型研究注入強大動力。

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成像功能:對 Ft、Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、ETR、Abs.、NIR、Red 等至少 17 種參數進行成像分析,全面獲取植物光合生理表型數據。測定調節性能量耗散 Y(NPQ),反映植物光保護能力,測定非調節性能量耗散Y(NO),反映植物光損傷程度。

程序測量功能:可程序測量熒光誘導曲線、快速光曲線和暗弛豫,也可手動測量;在測量過程中能自動分析所有熒光參數的變化趨勢

AOI功能:可在測量前或測量后任意選擇感興趣的區域(AOI),程序將自動對選擇的AOI的數據進行變化趨勢分析,并在報告文件中顯示相關AOI的數據。所有報告文件中顯示的數據都可導出到EXCEL文件中。

成像異質性分析功能:對任意參數任意時間的成像,可在圖像上任意選取兩點,軟件自動對兩點間的數據進行橫向異質性分析,并可導出到EXCEL文件中。

成像數據范圍分析功能:對任意參數任意時間的成像,可分析任意兩個熒光數值之間有多少個像素點,多少面積(cm2)。

突變株篩選功能:可跟據成像結果快速篩選光合、產氫/油、抗逆(抗鹽、抗旱、抗病等)等突變株。

微藻毒理研究功能:可同時測量96個微藻樣品(對照和處理組)的光合活性,軟件自動給出處理組樣品相對于對照組的光合抑制百分比。

光系數測量功能:快速測量葉片的吸光系數。吸光系數測量光源: 16個紅光(660 nm)和16個近紅外(780 nm)LED,用于測量植物葉片或藻類樣品PAR吸光系數。











配置選擇:

Maxi探頭(藍光版)

l  熒光測量光源: 44個藍色LED,450 nm,測量光強度0.5 μmol m-2 s-1PAR,最大光化光強度2300 μmol m-2 s-1PAR,飽和脈沖強度5000 μmol m-2 s-1PAR

l  吸光系數測量光源:16個紅光(660 nm)和16個近紅外(780 nm)LED,用于測量樣品PAR吸光系數。

l  光強異質性:測量區域光強異質性小于±7%。

l  測量參數:Ft、Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、ETR、Abs.、NIR、Red等。

 

Maxi探頭(紅光版)

l  熒光測量光源: 44個紅色LED,650 nm,測量光強度0.5 μmol m-2 s-1PAR,最大光化光強度1900 μmol m-2 s-1PAR,飽和脈沖強度3700 μmol m-2 s-1PAR

l  吸光系數測量光源:16個紅光(660 nm)和16個近紅外(780 nm)LED,用于測量樣品吸光系數。

l  光強異質性:測量區域光強異質性小于±7%。

l  測量參數:Ft、Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、ETR、Abs.、NIR、Red等。











應用案例:

1.     熒光成像模塊應用

?MAXI-IMAGING-PAM成像模塊特別適合對幼苗、愈傷組織、微藻等進行突變株的快速篩選,適合于與光合突變株、抗逆(抗旱、抗鹽、抗病等)突變株、產油/氫突變株等的快速篩選。國外利用MAXI-IMAGING-PAM篩選突變株的典型客戶如拜耳、BASF、孟山都、先正達等大型跨國農業巨頭,以及各大農業育種、植物分子生物學等科研單位,例如澳大利亞植物功能基因組中心(阿德雷德大學)、德國尤里希表型植物表型研究中心(Julich Plant Phenotyping Centre)等等。

?國內約一半的MAXI-IMAGING-PAM客戶在進行突變株快速篩選工作,主要分布于中國科學院、中國農科院和各大高校。

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突變株篩選實例一:國內某客戶篩選的擬南芥突變株

 

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突變株篩選實例二:產油突變株的篩選。Ajjawi et al, 2010, Plant Physiol., 152: 529-540.

 

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突變株篩選實例三:光合突變株的篩選。Armbruster et al., 2010, Plant Cell, 22: 3439-3460.











調制葉綠素熒光成像實例




葉片成像異質性


水果的成像

1)葡萄葉片


1)草莓的成像

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2)荷花葉片


2)獼猴桃的成像

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突變株篩選


植物病理研究

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RGB成像應用案例

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擬南芥的連續成像分析與圖像處理(Nan An et al., Computers and Electronics in Agriculture,2017)

 

高通量PhenoCenter系統特別適合于研究植物的形態學指標和在生長過程中這些指標隨時間的動力學變化。

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利用系統的RGB模塊研究的擬南芥植株面積隨時間的動力學變化。

 

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利用系統的核心成像平臺,分析對照和突變體葉片面積的差異(Shao et al. BMC Plant Biology ,2017)

 











通過PhenoCenter系統可以獲得大量的植物表型參數,利用這些表型參數繪制的雷達圖,可作為反映植株形態的“指紋圖譜”。根據這種“指紋圖譜”可以對植株根據表型進行分類,特別適合于數量性狀基因座(QTL)研究。下面兩個圖根據擬南芥的表型雷達圖進行的植物分類,對于其它大型的農作物用Scanalyzer 3D系統測量后,也可以獲得類似的結果。

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可見光應用實例一:擬南芥表型參數的靜態雷達圖(“指紋圖譜”)

利用5種參數做的雷達圖,分類結果用顏色顯示。數據為擬南芥生長到第13天時的結果。










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可見光應用實例二: 擬南芥表型參數的動態雷達圖(“指紋圖譜”)

利用5種參數做的雷達圖,但增加了時間序列的數據。分類結果用顏色顯示。數據為擬南芥生長到第0、4、8、13天時的結果。










利用多種成像模塊包括激光3D在內的成像模塊,除了獲取植物的2D信息,可以進一步更準確的獲取植物的3D表型信息,如下圖。

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對擬南芥的3D表型信息提取與分析(Nan An et al., Computers and Electronics in Agriculture,2017)

                                            

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