[發明專利]一種全暗環境下根系高通量栽培及自動化生長成像系統

有效

• 申請號: 201710251793.8
• 申請日: 2017-04-18
• 公開（公告）號: CN107047268B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 田曉莉;吳劼;李召虎;吳茜;原業青;杜明偉;張曉磊
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: A01G31/02
• 分類號: A01G31/02;A01G31/06;A01G31/00;H04N7/18
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;周治宇

本發明涉及一種全暗環境下根系高通量栽培及自動化生長成像系統，該系統包括：主框架，用于培養植株根系的根盒，安裝在主框架上且能相對于主框架運動的根盒架，安裝在主框架上且能相對于主框架運動的H型機架，安裝在H型機架上且能相對于H型機架運動的成像子系統，安裝在主框架上并與根盒相連通的灌溉子系統，安裝在主框架上并與灌溉子系統相連通的回水子系統，和用于遮蔽整個系統內部以實現全暗環境的遮光子系統；其中，多個根盒可拆卸地安裝在根盒架上；成像子系統用于對根盒中的根系進行成像；灌溉子系統用于為根盒中的植株提供營養液實現無土栽培；回水子系統用于回收從根盒中滲出的多余營養液進行循環利用。

技術領域

本發明涉及一種非土壤介質下的根系表型測定平臺，尤其涉及一種全暗環境下根系高通量栽培及自動化生長成像系統。

背景技術

植物表型是理解植物基因型與環境互作的關鍵。近年來，隨著基因測序技術的效率提升和成本降低，植物的基因組數據不斷增長和完善；然而，植物表型信息的獲取仍以人工為主，工作量大，數據重復性差，且需對植物破壞性測定。因此，植物表型信息的系統性收集逐漸成為遺傳育種研究和基礎植物科學研究的一個限制因素，諸多學術機構和企業致力于植物表型測定平臺的研發。目前，植物表型測定技術的研發大多集中于植物地上部，這主要是由于根系生長介質的不透明性及根系結構的復雜性，導致根系的觀察和測定都十分困難。根系是植物吸收水分、養分資源和響應土壤環境變化的重要器官，通過改良根系性狀來培育新品種可有效提高作物產量和養分資源利用效率。因此，進行室內栽培的根系表型無損測定，深入挖掘作物基因-環境-表型互作機理，對作物育種研究、植物生理學研究和模型參數化有著至關重要的作用。

目前，室內栽培的根系無損測定方法包括核磁共振成像法、中子層析法和微X射線法等。微X射線法是最精確的非破壞性測定方法，但只能測定直徑很小的土柱中的苗期根系，設備成本高昂，需要大量的數據存儲空間和強大的計算機集群運算，在高通量根系表型測定方面的應用受到限制。根盒照相法(GROWSCREEN-Rhizo,2012)可高通量地栽培植株、精準灌溉、自動化地對窄根盒中的根系成像，但無法獲取完整的根系結構，而且設備成本較高，空間利用率低。獲取非土壤介質下的根系表型是開展根系研究的另一個重要途徑。基于LemnaTec系統的Rhizotubes(2015)能夠通過大批量的獲取緊貼于圓管表面的根系圖像，但是隨著通量的提高，植株傳輸的距離也隨之增長，長距離的運輸和頻繁的啟停影響植株的生長(倒伏)。Adu等科研人員(2014)采用平面掃描儀作為成像和栽培主體，將發芽紙貼于掃描儀的透明面板，根系位于其間生長，發芽紙的底部伸入營養液中吸取養分。該方法將發芽紙同時作為生長介質、養分吸收介質和遮光材料。但是隨著通量的提高，掃描儀的數量也隨之等比例增加，且受制于發芽紙的吸水能力，該方法無法培養較大的植株。綜上，現有的根系表型測定平臺無法在高通量、全自動化、實時測定、精準的生長環境控制以及低成本之間取得很好的平衡。因此，現在急需設計和開發一套高通量、自動化、實時根系表型快速測定平臺，以滿足規模化科學研究的要求，深入挖掘作物基因-環境-表型互作機理。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種全暗環境下根系高通量栽培及自動化生長成像系統，能夠承載多組根盒架，單個根盒架可承載多個根盒，通過控制成像子系統的三維運動和旋轉以及根盒架的滑動，集成灌溉、回水以及遮光子系統，實現在全暗環境下對根系生長的實時成像，并且在高通量、全自動化、實時測定以及高空間利用率和低成本之間取得很好的平衡，可以滿足規模化科學研究的要求，為分析各種根系表型性狀參數提供完整解決方案。