高通量植物叶绿素荧光成像系统PhenoMate

高通量植物叶绿素荧光成像系统PhenoMate

PhenoMate是一款对小型植物自动进行顶部高通量叶绿素荧光高清成像(600万像素像素)测量的系统,配备6种滤光片进行叶绿素荧光成像和反射光谱成像。能够获得用于表型分析的可见光成像、用于光合作用分析的叶绿素荧光成像、在近红外区的NIR反射成像RNIR、反映叶绿素含量的叶绿素指数成像RChl,以及反映花青素含量的花青素指数成像RAnt。PhenoMate包括带成像系统的直角坐标机器人系统、带NAS的控制电脑系统(配备24英寸显示器、键盘、鼠标)、预装分析软件的分析电脑系统(配备24英寸显示器、键盘、鼠标)等。

PhenoMate配备一套360 cm x 200 cm的培养桌用于放置植物进行测量及培养,配备直角坐标机器人用于在x-、y-和z-方向上自动移动成像系统。这个培养桌可以放置1056株植物。PhenoMate的成像单元每次可以测量16株植物,而这16株植物都可以进行独立分析。用这种方法只需要移动66个位置就可以完成1056株植物的测量,大大提高了测量效率,做到了高通量植物表型测量。

PhenoMate采用一种潮汐式灌溉水培系统对生长在岩棉(rockwool)介质上的植物进行灌溉和添加营养。岩棉具有很好的透气性和保水性,经过1600℃的高温提炼,无菌、无污染,是欧洲主要的无土栽培基质。采用岩棉种植可以进行精确的水分管理和养分管理,有效地控制根系的生长,实现植株营养生长和生殖生长平衡。

PhenoMate的培养系统包括两套灌溉系统,分别位于培养桌的左侧和右侧。每套灌溉系统有独立的储水罐和泵,这样就可以在一个实验中实施两套不同的灌溉和营养方案。每套灌溉系统能够放置528个40 mm x 40 mm x 40 mm的岩棉块,合计放置1056个。

PhenoMate采用LED作为激发光源来激发叶绿素荧光(红色)或进行多光谱测量(白色/近红外),获得叶绿素荧光成像、可见光成像(R/G/B),以及叶绿素、花青素和近红外区的反射光谱。由于采用一个相机和光学镜头来进行所有这些成像的测量,因此所有的成像结果都可以进行逐个像素的比较。图像已非处理16位RAW格式存储。利用配套的控制软件,可以在这个培养桌的任意位置进行测量。

PhenoMate的分析软件提供了配套的成像算法,用于对成像结果进行光合作用、可见光或多光谱的计算分析,数据以CSV格式存储。

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技术原理

叶绿素a荧光作为光合作用研究的探针,是研究各种逆境胁迫(干旱、高温、低温、营养缺失、污染、病害等)对植物影响的强大工具,亦被广泛用于筛选同一植物品种的不同基因型。叶绿素a荧光不仅能反映光能吸收、激发能传递和光化学反应等光合作用原初反应过程,而且与电子传递质子梯度的建立及ATP合成和CO2固定等过程有关。几乎所有光合作用过程的变化均可通过叶绿素a荧光反映出来,而荧光测定技术不需破碎细胞,不伤害生物体,因此通过研究叶绿素a荧光来间接研究光合作用的变化是一种简便、快捷、可靠的方法。针对叶绿素a荧光的测量方法和参数分析方法已经成为光合作用研究的一个重要领域。

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功能特性

  • 利用直角坐标机器人实现X-Y-Z轴自动移动
  • 测量范围360 cm x 200 cm x 75 cm
  • 带两套潮汐式灌溉水培系统
  • 能够进行叶绿素荧光成像、叶绿素指数成像、花青素指数成像和可见光成像
  • 配备控制电脑和分析电脑
  • 配备控制软件和分析软件
  • 配备NAS(网络附属存储)系统
  • 直径6 cm的岩棉块可放1056个;直径12 cm的岩棉块可放264个
  • 测量1056株植物只需要22 min

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主要应用领域

  • 拟南芥和其它小型植株的光合作用和表型研究
  • 光合作用机理研究,全叶片和整株植物的光合作用测量
  • 环境胁迫对植物的影响
  • 基因型筛选、突变株筛选
  • 植物功能基因组学研究
  • 胁迫损伤的早期检测
  • 植物病理学、毒理学、环境科学研究

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系统容量

1056株小型植物,培养介质直径6 cm;或264株中型植物,培养介质直径12 cm。

系统通量

成像单元在培养桌上移动一个位置需要8秒钟,完成一次测量需要12秒钟,因此对1056株植物进行测量只需要22分钟。

相机分辨率

相机的分辨率为2440 x 2440像素,成像面积为24 cm x 24 cm,因此每个像素的分辨率为100 um。对叶绿素荧光成像而言采用2 x 2 binning模式是非常理想的。

由仪器控制软件直接测量出的成像参数

Fo 植物暗适应后当所有反应中心都处于开放态时的初始(最小)荧光成像
Fm 植物暗适应后当所有反应中心都处于关闭状态时的最大荧光成像
Ft 植物接受光照一段时间t后的实时荧光成像
Ft=5min 植物照光5 min后的荧光成像
Fm 照光后当所有反应中心都处于关闭状态时的最大荧光成像
RNIR 近红外波段的反射光谱成像
RChl. 叶绿素的反射光谱成像
RAnth 花青素的反射光谱成像
RRed 可见光成像的R(红色)通道反射光谱成像
RGreen 可见光成像的G(绿色)通道反射光谱成像
RBlue 可见光成像的B(蓝色)通道反射光谱成像

由仪器分析软件分析得出的成像参数

分析得出的光合作用参数可以分成三组:

  • 在黑暗中(暗适应后)得出的参数
  • 在光照下(光适应后)得出的参数;
  • 黑暗和光照结合得出的参数。
Fv/Fm 植物暗适应后的最大光合效率成像
φPSII 植物照光后的实际光合效率φPSII =Fq’/Fm=(Fm’-Ft)/Fm
NPQ 非光化学淬灭NPQ=(Fm-Fm’)Fm
Rfd 植物活力指数Rfd=(Fm-Ft=5min)/Fm
qN 非光化学淬灭qN=(Fm-Fm’)/(Fm-Fo’)
qP 光化学淬灭qP=Fm’-Ft)/(Fm’-Fo’)
Fo 植物照光后当所有反应中心处于开放态时的最小荧光Fo‘=Fo/((Fv/Fm)+(Fo/Fm’))

多光谱测量

在打开白色LED和近红外LED时,通过切换6个滤光片转轮,可以获得6种光谱成像结果。这些多光谱成像和叶绿素荧光成像是通过同一套相机和光学镜头获得的,因此可以进行逐个像素的比较分析。通过这种方式可以获得叶绿素指数成像、花青素指数成像、可见光成像。

PhenoMate最终可以输出的结果

输出的成像结果 输出的计算结果
1) Fo:植物暗适应后当所有反应中心都处于开放态时的初始(最小)荧光成像

2) Fm:植物暗适应后当所有反应中心都处于关闭状态时的最大荧光成像

3) Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm:植物暗适应后的最大光合效率成像

4) Ft: 植物接受光照一段时间t后的实时荧光成像

5) Ft=5min:植物照光5 min后的荧光成像

6) Fm’:照光后当所有反应中心都处于关闭状态时的最大荧光成像

7)φPSII=Fq’/Fm=(Fm’-Ft)/Fm’:植物照光后的实际光合效率成像

8) NPQ=(Fm-Fm’)Fm’:        非光化学淬灭成像

9) qN=(Fm-Fm’)/(Fm-Fo’)        :非光化学淬灭成像

10)          qP=Fm’-Ft)/(Fm’-Fo’):光化学淬灭成像

11)          Fo’ =Fo/((Fv/Fm)+(Fo/Fm’)):植物照光后当所有反应中心处于开放态时的最小荧光成像

12)          Rfd100=(Fm-Ft=5min)/Fm:植物活力指数成像

13)          Chl. Index        :叶绿素指数成像,与叶绿素含量相关

14)          Ant. Index:花青素指数成像,与花青素含量相关

15)          RNIR:近红外波段的反射光谱成像

16)          RRed:可见光成像的R(红色)通道反射光谱成像

17)          RGreen:可见光成像的G(绿色)通道反射光谱成像

18)          RBlue:可见光成像的B(蓝色)通道反射光谱成像

19)          RGB:可见光成像

1) 叶片投影面积

2) Fv/Fm的平均值

3) 低于某个Fv/Fm值的面积比例

4) φPSII的平均值

5) 低于某个jPSII值的面积比例

6) NPQ的平均值

7) 高于某个NPQ值的面积比例

8) RGB平均比值

9) 特定RGB比值的面积比例

10)            Chl. Index的平均值

11)            低于某个Chl. Index值的面积比例

12)            Ant. Index的平均值

13)            低于某个Ant. Index值的面积比例

14)            JPG格式图像

15)            柱状图

16)            16位RAW格式图像

17)            CSV格式输出的数据

应用实例

1-水印 2-水印 3-水印 4-水印 5-水印

主要技术参数

  • 单张叶绿素荧光图像获取时间:20 – 1000 us
  • 快速诱导曲线测量:1000 ms产生12张荧光成像
  • 叶绿素荧光激发光源:红色LED,光强0-3 000 umol m-2 s-1
  • 光化光源:红色LED,光强0-500 umol m-2 s-1
  • 多光谱和彩色图像光源:白色LED和近红外LED
  • 成像面积:24 cm x 24 cm
  • 光照面积:30 cm x 30 cm
  • 相机传感器类型:CCD
  • 相机曝光时间:典型10 us – 100 ms
  • 相机分辨率:600万像素,即2440 x 2440像素
  • 灰阶:14比特或16,384级灰阶
  • 帧率:12张图像/秒 @ 6M像素
  • 输出格式:16位RAW格式
  • 光谱范围:350-950 nm
  • 镜头类型:高质量百万像素镜头
  • 光纤滤光片轮:6种高质量光学干涉滤光片,步进电机驱动
  • 成像方式:顶部成像
  • 供电需求:110-240 V交流电
  • 耗:标准100 W,测量叶绿素荧光成像时的峰值功耗3 kW
  • 直角坐标机器人:全自动控制,X轴移动距离300 cm,Y轴移动距离140 cm,Z轴移动距离40 cm,定位精度100 mm
  • 培养桌尺寸:360 cm x 200 cm。可根据客户需求定制化设计。
  • 系统占地空间:400 cm(L) x 300 cm(W) x 150 cm(H),预留了三侧各50 cm的操作空间。可根据客户需求定制化设计。
  • 系统重量:1000 kg
  • 工作温度:+5~+40℃
  • IT硬件:相机和直角坐标机器人由两套独立的电脑系统控制,并由一个带NAS系统的服务器电脑控制整套设备。NAS系统用于数据通讯、数据存储、数据备份,配备4 Tb硬盘进行镜像数据存储。

 

参考文献

Bellasio C, Olejníčková J, Tesař R, Šebela D and Nedbal L (2012). Computer Reconstruction of Plant Growth and Chlorophyll Fluorescence Emission in Three Spatial Dimensions. Sensors, 12, 1052-1071.

Björkman O, Demmig B (1987). Photon yield of 02 evolution and chlorophyll fluorescence characteristics at 77K among vascular plants of diverse origin. Planta, 170: 489-504.

Genty B, Briantais JM and Baker NR (1989). The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence. Biochim Biophys Acta 990: 87–92.

Gibeaut DM, Hulett J, Cramer GR and Seemann JR (1997) Maximal Biomass of Arabidopsis thaliana Using a Simple, Low-Maintenance Hydroponic Method and Favorable Environmental Conditions. Plant Phys, 115, 317-319.

Gitelson AA, Merzlyak MN and Chivkunova OB (2001). Optical Properties and Nondestructive Estimation of Anthocyanin Content in Plant Leaves. Photochemistry and Photobiology 74: 38–45.

Gitelson AA, Gritz Y and Merzlyak MN (2003). Relationships between leaf chlorophyll content and spectral reflectance and algorithms for non-destructive chlorophyll assessment in higher plant leaves. J. Plant Physiol. 160. 271–282.

Govindjee (1995). Sixty-three years since Kautsky: chlorophyll a fluorescence. Australian Journal Plant Physiology, 22: 131-160.

Lichtenthaler HK, Buschmann C, Rinderle U, and Schmuck G (1986). Application of chlorophyll fluorescence in ecophysiology. Radiat Environ Biophys 25: 297-308.

Baker NR and Rosenqvist E (2004). Applications of chlorophyll fluorescence can improve crop production strategies: an examination of future possibilities, Journal of Experimental Botany, Vol. 55, pp. 1607–1621.

Schansker G, Tóth SZ, Kovács L, Holzwarth AR, Garab G (2011). Evidence for a fluorescence yield change driven by a light-induced conformational change within photosystem II during the fast chlorophyll a fluorescence rise. Biochimica et Biophysica Acta, 1807: 1032–1043.

Strasser RJ, Srivastava A, Tsimilli-Michael M (2000). The fluorescence transient as a tool to characterize and screen photosynthetic samples. In: Yunus M, Pathre U, Mohanty P (eds). Probing photosynthesis: mechanism, regulation and adaptation. Taylor and Francis, London, pp 443-480.

产地:荷兰