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高通量植物表型平台建设注意事项

高通量植物表型平台建设注意事项

  • 分类:行业新闻
  • 作者:PhenoTrait
  • 来源:本站
  • 发布时间:2022-05-20 11:45
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【概要描述】育种,是在给定的环境条件下,选择各种表型指标(产量、品质、抗性)最优的基因型材料的过程(AI育种,从这里起步)。育种工作中大约70%的工作量来自表型观察测量和筛选,是最耗人力物力的过程。

高通量植物表型平台建设注意事项

【概要描述】育种,是在给定的环境条件下,选择各种表型指标(产量、品质、抗性)最优的基因型材料的过程(AI育种,从这里起步)。育种工作中大约70%的工作量来自表型观察测量和筛选,是最耗人力物力的过程。

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  • 作者:PhenoTrait
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  育种,是在给定的环境条件下,选择各种表型指标(产量、品质、抗性)最优的基因型材料的过程(AI育种,从这里起步)。育种工作中大约70%的工作量来自表型观察测量和筛选,是最耗人力物力的过程。

 

  栽培种植是通过改变水、肥、药(大田农业)乃至光、温、湿、碳(设施农业)等环境条件让选育出的品种实现最优表型(产量最高、品质最好、抗性最强)的过程。对栽培种植而言,表型观察和测量,更是日常必须的工作。

 

 

  可以看出,无论育种还是栽培种植,植物表型的测量都是必须的。传统表型测量一般采用“用牙咬、用眼瞪、用手摸”或者“一把尺子一杆秤”,效率低、工作量大、误差大。

 

  高通量植物表型平台,从本质上说就是利用先进的成像和光谱技术,实现对肉眼可见的形态结构指标和肉眼不可见的生理功能(作物生理表型测量基础原理)组分含量可视化;利用先进的控制技术、通讯技术和软件技术,实现表型测量和数据分析的自动化;利用先进的人工智慧技术,实现多性状指标在不同场景中的智能化分析;利用这些可视化、自动化、智能化的技术,来实现对单株或群体植物的长期、自动、高通量测量和分析。

 

 

  2009年笔者将高通量植物表型技术引入国内并一手推动这个细分市场的建立,十余年时间先后直接参与了20多个大型高通量植物表型平台的设计和建设工作,并深度参观访问了欧、美、澳十几个大型植物表型平台,结合在IPPN(国际植物表型学会)工作期间与同行的深入交流,深刻感受到高通量表型平台的建设是一个跨学科的系统性工程,“坑”特别多,如果在设计伊始没有做好规划,后期非常容易出问题。如果没有经验丰富的建设团队参与,平台在建设和运营过程中出问题的概率是百分百的。

 

  在此,笔者列出十余年经验总结出来的一些高通量植物表型平台建设的注意事项,供大家参考。

 

  1 平台建设目的

  是课题组的专用平台还是单位的公共平台?

  如果是专用平台,一般需求非常明确,测量的植物类型也比较固定,使用人员也比较固定,设计、建设都比较简单。

  如果是公众平台,则要兼顾各种各样的测量物种、实验类型、使用人员等的需求,对设计和建设的挑战大,对管理的挑战更大。

 

  2 植物类型和尺寸

  您关注的是小型植物如拟南芥、绿叶菜,还是中型植物如小麦、水稻?是大型植物如黄淮海玉米、烟草,还是超大型植物如东北春玉米、甘蔗等?植物的尺寸直接影响传感器类型选择和场地需求,而后者也是需要成本的。

 

  3 平台建设环境

  平台是建设在实验室内、气候室内、温室内还是大田?这会直接影响传感器选择、自动化设计、预算等等各方面,是一开始就要明确的。

 

温室传送型高通量植物表型平台

 

  如果是indoor环境(实验室、气候室和温室),那么这个环境的净空间(没有任何障碍物的长宽高)是多少?水、电、网的情况如何?是否能够实现大件货物的运输(门、电梯、楼道拐角等等)和安装?如果是多层建筑,是否能满足承重要求?安装必备的一些工具(如叉车)是否能进出?

  如果是大田,该地的供电和网络是否能保障?是否能保障平台的安全(防盗)?是否能允许货运卡车通行?场地基础整修和建设属于单独的基建工程,是否已预留预算?

 

  4 期待的平台功能

  您期待这个平台主要测量形态结构、生理功能还是组分含量,还是都要兼顾?您熟悉不同类型传感器(如RGB、光合表型成像、高光谱、三维激光、热成像、CT、MRI等等)获取的参数类型吗?您更期待对传统肉眼可见表型的量化测量分析,还是期待能获取更深入(但往往肉眼不可见)的信息如抗寒性、耐冷性、抗病性、病菌感染的早期量化分析等?

 

可见光成像和光合表型成像对早期胁迫诊断的差异

 

  5 期待的通量

  您是否了解承载通量测量通量不是一个概念?如对一个承载2000盆植物的温室传送表型平台而言,需要多少时间才能完成测量?一天能测几个循环还是几天才能测一个循环?如对一个占地3亩地的田间轨道式高通量表型平台(轨道式高通量表型平台:精彩图片和视频欣赏)而言,需要多少时间才能完成测量?

 

轨道式高通量植物表型平台TraitDiscover在进行测量

 

  您是否了解框幅式和推扫式传感器测量方式的差异?哪些类型的传感器适合白天工作,哪些类型的传感器适合晚上工作(避免自然光照的影响)?您是否了解只有当综合考虑了所有传感器的工作效率并合理设计了测量子任务之后,才能合理的设计测量通量?

 

  6 平台选择

  是选择Indoor还是Outdoor的表型平台?就Outdoor而言,是选择田间轨道式平台、田间步行车平台还是无人机平台?这都要根据您的实际需求来讨论。

 

 

  基于“plant-to-sensor”理念的温室传送式表型平台和基于“sensor-to-plant”理念的轨道式表型平台在通量和造价上的差异您了解吗?您是否了解轨道式表型平台已经代替传送式表型平台,成为现阶段高通量表型平台建设的绝对中坚力量?

 

  您是否了解网上搜到的、文献里读到的、学者PPT里提到的大多数酷炫的田间步行车式的表型平台都没有商业化?您是否了解技术上实现(可以发paper)和技术的商业化(大家拿来就能用)是完全不同的两个概念?

 

  网上查到的田间步行车式的表型平台非常多,

但能商业化的凤毛麟角

 

  您是希望建设一个超大、超酷的一体化、自动化大平台,还是建设多个(不同类型的)小平台?在运营维护上的差异您了解吗?

 

  7 项目造价

  您在考虑表型平台的预算时,都考虑了哪些成本?

  不同类型的传感器、自动化、服务器等的成本估计您都考虑到了,那您考虑过数据分析的成本吗?如图像处理的成本可以体现在传感器和软件(带处理功能的就贵),也可以体现在人力成本(很多传感器需要后续图像分析,要么自己团队招人做,要么委托别人做)。

  您考虑过人员成本吗?“机器替人”在平台稳定运转后会逐步体现出来,但平台的运营也是需要专职人员的。您团队有储备这方面的人才吗,还是需要额外聘请呢?

 

 

  海量大数据的处理,不仅包括从raw data变成可表格存放的性状数据,这些性状数据的深入挖掘也是依赖于人才和算法的,也要考虑相关的成本。

 

  8 项目的论证和决断

  建设一个表型平台特别是大型表型平台,当然要充分调研。但表型技术太多了,这两年的文献(植物表型资讯分类专辑直通车)也多了,您是否有“乱花渐欲迷人眼”的感觉?是否看多了后反而忘记了考虑自己的实际需求呢?

 

  大型表型平台项目的申报和建设周期都较长,而表型技术本身(传感器、自动化、算法、算力)也在飞速发展,不要等平台建设完成了技术也过时了。如何前瞻性的布局新的可靠的技术?

 

 

  在表型平台论证的时候,还需要“当断则断”,不要过于纠结和犹豫,只有先做起来,哪怕先建设一个小平台做起来,有了经验,才能更好的深入理解这个技术,进一步完善。

 

  同时,您一定要明白,万能的表型平台是不存在的!任何技术都有优点、强项,也都存在缺陷,会出现故障。在植物表型上,“干就是了”!

 

  9 项目经理

  在实际建设过程中,甲乙双方都要指定一个专人担任项目经理,各自负责本方内部的协调工作,这对于表型平台建设的顺利完成是非常非常非常重要的!!!特别是在落实水、电、网、基建等方面,若不执行项目经理制,大概率平台的建设进度是比较曲折的。

  

  铁打的营盘流水的兵,大型表型平台的运营负责人一定是固定岗位的人员,而不是学生或临时人员,才能保证该平台的稳定运转。

  这方面荷兰国家植物表型平台NPEC的管理架构可以参考。

 

 

  表型平台的管理团队若能由跨学科人才组成,是最理想的。但对绝大多数农业单位而言,这个要求有点高。实际上,对于成熟的商业化表型平台(如轨道式高通量植物表型平台TraitDiscover),甲方安排一个靠谱的农学相关专业的硕士毕业生,只要他所有的精力都在这个平台上,是完全可以将平台的管理、运营和维护做好的。 

 

  以上,是笔者十余年血泪教训的总结,也是一份高通量表型平台建设的“避坑指南”。如果您看了之后有启发,还请在文章底部点个赞,或转发给您有需求的同事或朋友吧。当然,如果您希望跟我们进一步交流,请联系info@phenotrait.com。

 

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