CN207215710U - 一种油菜全生长期信息的高通量表型研究系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种油菜全生长期信息的高通量表型研究系统，包括：油菜育种培养线，具有至少一培养架，所述培养架上放置带有电子编号的培养盆，并配有补偿光照的LED光源；检测系统，包括检测传送带，用于对检测传送带上输送的培养盆成像的成像装置，以及识别所述电子编号的扫码器；控制系统，用于对成像图像进行分析，并判断培养盆内的油菜生长状况是否正常；运输机械臂，用于油菜育种培养线和检测系统间抓取所述的培养盆，并根据油菜生长状况摆放所述培养盆的位置。本实用新型利用全程自动化操作，提高空间利用率和工作效率；对油菜育种进行全生长期的定期检测，尽早发现染病现象，将损失降低，还可以根据检测结果判断是否需要对培养的油菜进行追肥。

Description

一种油菜全生长期信息的高通量表型研究系统

技术领域

本实用新型涉及油菜全生长期育种检测领域，具体涉及一种油菜全生长期信息的高通量表型研究系统。

背景技术

油菜是常见的油料作物之一，在世界范围内(中国、加拿大、印度及欧盟等)都有着广泛的种植，是世界食用植物油和植物蛋白的主要来源之一，在国际农产品贸易中占有重要地位。我国人均可用耕地面积少，应对化肥、农药的滥用，提高油菜单位耕地面积的产量、质量，进行大规模温室油菜育种是一种行之有效的途径之一。化肥的无规律过量使用导致耕地品质下降，而油菜极易感染菌核病等病，在中国，菌核病可引起油菜减产10％～80％，化学杀虫剂的使用可以对发病起一定的防控，但是存在一定的滞后性，并且增加了生产成本，对环境造成污染。因此在生长过程中，对油菜全生长周期(苗期、蕾薹期、开花期、角果成熟期四个时期)的养分生理及病害信息进行监测是很有必有的。

作物育种是通过改良作物遗传，获得高产优质品种的技术，是作物产量和质量提升的主要途径之一。利用多源光谱成像数据获取高通量的作物育种信息可以有效地解决传统作物育种地面人工调查效率低、时效性差及标准不统一等问题，为育种专家提供高效决策信息。近年来，光谱及成像技术越来越广泛地被应用于农业生产。高光谱技术具有光谱分辨率高、图谱合一的独特优势，解决了“有谱无图”或“有图无谱”的问题，以其快速、无损、无污染及成本低的优点成为近年来农业生产领域发展最为快速的现代分析技术，高光谱成像仪包含可见近红外和近红外波段，依据不同的研究对象选择不同的波段，因其可以为每个像元提供十几、数百甚至上千个波段(波段多)、波段范围一般小于10nm(光谱范围窄)、有些传感器可以在350-2500nm的太阳光谱范围内提供几乎连续的地物光谱(波段连续)、数据量大等优势，利于利用光谱特征分析来研究地物、采用各种光谱匹配模型以及地物的精细分类与识别，为作物表型研究提供了丰富的数据信息。叶绿素荧光成像技术作为光合作用研究的探针，具有特异性、高灵敏度的特点，能快速反映作物生理生态状况，并且能够实现无损检测，在突变株筛选、病虫害检测、表型分析等众多领域都有着广泛的应用。多种成像技术手段可以全面获取检测对象的光谱信息，同时相互比对，有效提高检测性能。

传统的表型分析手段主要依靠肉眼观察和简单测量植物的特征和性状，存在规模小、效率低、误差大、实用性弱等问题，难以满足植物功能基因组学和分子设计育种的实际需求。为了充分挖掘基因组的信息以提高植物育种效率，加快高通量表型分析技术和平台的研究具有重要意义。过去几十年间，许多科学家依靠精巧的表型检测实验设计和勤奋敬业的精神完成了很多大规模研究工作。而如今，自动或半自动化的表型研究方法、大规模的数据处理方法，可以使大规模的生产检测应用于生产实践中成为可能。

实用新型内容

为了克服上述现有育种技术的局限性，本实用新型的目的在于提供一种油菜全生长期信息的高通量表型研究系统，提高育种的自动化水平，减少人工成本，提高育种质量，缩短育种时间，本实用新型具有多种光谱手段检测一体化、使用方便且检测高效性的优点。

本实用新型的研究系统，将利用光谱成像技术定期在线监测油菜全生长期的生长信息，通过对油菜的在线监测所获取的光谱信息进行分析，可以获取油菜的长势信息，为在油菜染病早期提供有效防控以及根据油菜营养状况进行变量追肥方面提供了准确快速的手段。

本实用新型所采用的具体技术方案如下：

一种油菜全生长期信息的高通量表型研究系统，包括：

油菜育种培养线，具有至少一培养架，所述培养架上放置带有电子编号的培养盆，并配有补偿光照的LED光源；

检测系统，包括检测传送带，用于对检测传送带上输送的培养盆成像的成像装置，以及识别所述电子编号的扫码器；

控制系统，用于对成像图像进行分析，并判断培养盆内的油菜生长状况是否正常；

运输机械臂，用于油菜育种培养线和检测系统间抓取所述的培养盆，并根据油菜生长状况摆放所述培养盆的位置。

本实用新型所要保护的是上述结构的装置系统，所述控制系统内所涉及的分析、判断方法，均属于现有技术，并不涉及对分析、判断方法的改进。

本实用新型中，所述油菜育种培养线，包括培养架、带有电子编号的培养盆、补偿光源；培养架依序摆放在培养室内，培养盆位于培养架上；配有人工照明，LED光源补偿功能，包括红光LED光源和蓝光LED光源，分别补充油菜光合作用所需的红光和蓝光，缩短油菜的生长周期。

所述的运输机械臂可以是一个或者可配合完成操作的多个，将培养盆移至检测传送带；根据控制系统的指令分拣生长正常个体和染病或营养不良的异常个体，正常个体被送回培养架，异常个体被转移至待处理区。

所述扫码器用以对培养盆内油菜植株的身份识别，并将检测结果通过无线传输设备传送到控制系统，做到对育种个体的身份识别、追踪、溯源。

所述的控制系统是整个检测的控制中心，各部分的检测结果都将通过无线传输器传送到控制系统；控制系统将对图像扫描和检测的结果进行分析，判断每个培养个体作物生长状况是否正常，若个体生长状况正常则可转移至培养架继续培养，若个体有染病现象或者出现营养不良情况则被转移至带操作区进行防疫或者追肥。

作为优选的，所述的成像装置包括布置在所述检测传送带上的暗处理室，横跨所述检测传送带的龙门架，以及安装在所述龙门架上的高光谱成像系统、叶绿素荧光成像光谱仪、热红外相机和3D相机。

因叶绿素荧光成像系统处理植株之前，需要对植株进行足够时间的暗处理；所述检测系统包含的暗处理室可以在传送带上实时进行暗处理，且叶绿素成像系统同时进行工作，这种并行操作的方式大大提高了检测效率。

本实用新型中，高光谱系统解决了“有图无谱，有谱无图”的问题，且提供了大量的数据；叶绿素荧光与植被光合作用密切相关，可以直接反映植物光合作用速率和胁迫状态；热红外成像技术在疾病早期诊断中有着很大的优势；3D相机可有效获得被测样本的亮度信息和深度信息，是测量成像领域的前沿技术；多种成像技术手段可以全面、多方位获取检测对象的光谱信息，同时相互比对，有效提高检测性能。

作为优选的，所述的高光谱成像系统包括可见近红外380-1023nm光谱仪和近红外874-1734nm成像光谱仪，并配有两个CCD相机和配套分光模组及成像镜头。

作为优选的，所述暗处理室内设有间隔的两道自动门，将所述暗处理室内空间分成处理区和待检区，第一道自动门位于所述处理区和待检区间，第二道自动门位于所述待检区与成像装置间。

本实用新型中，第二道自动门先打开，传送带将待检区的盆栽运至检测区，然后第二道门关闭，第一道自动门打开将暗处理过的盆栽由检测输送带输送至两个自动门中间的待检区，如此可以避免检测区的光照对暗处理区域的影响。

作为优选的，所述的检测系统、控制系统和运输机械臂间均采用无线传输数据。

本实用新型中的系统，可以在油菜的全生长期进行定期检测，及时发现染病并进行防疫，将损失降低，或者及时对油菜进行追肥，实现精准种植，可以缩小育种个体间差异，缩短培养周期。

本实用新型基于高光谱和3D图像建立油菜生长高度三维模型和叶色分类模型，建立油菜品质检测模型与估产模型及其可视化反演，实现株高、叶色差异、叶片可溶性糖、色素含量和籽粒油酸含量等育种关键表型信息及油菜籽产量信息的快速获取。利用叶绿素荧光成像技术采集不同基因型油菜品种的图像，提取荧光特征参数，为后期高通量的抗性基因筛选作准备。得到油菜各个生长时期内部品质检测的最佳光谱波段和最佳植被指数，以及油菜各内部品质检测的最佳生长，最终方便有效的辅助油菜育种，为我国作物育种信息的高通量检测提供重要的指导意义。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

本实用新型将育种室中培养部分与检测部分结合起来，全程操作可以自动化进行，提高了空间利用率和工作效率；对油菜育种进行全生长期的定期检测，不仅可以及早发现染病现象，将损失降低，还可以根据检测结果判断是否需要对培养的油菜进行追肥，人工光源补偿油菜生长过程中光合作用最需要的红光与蓝光，这种室内精准培育的模式可以缩短油菜培育时间3-5个月，且增加产量至少20％，适合大规模温室油菜育种。

附图说明

图1为油菜全生长期信息的高通量表型研究系统图；

图2为检测系统各成像系统位置图；

图3为检测系统侧视图；

图4为育种方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本实用新型，但本实用新型并不仅限于此。

如图1所示的高通量表型研究系统，包括油菜育种培养线、运输机械臂16、检测系统，控制系统2和机架15。

油菜育种培养线，包括培养架4、带有电子编号的培养盆7、补偿光源17配有人工照明，LED光源补偿功能，补充油菜光合作用所需的红光和蓝光；培养架4依序摆放在培养室内，培养盆7位于培养架4上。

运输机械臂16，多个机械臂可配合完成以下操作：将培养盆移至检测传送带；根据控制系统的指令分拣生长正常个体和染病或营养不良的异常个体，正常个体被送回培养架，异常个体被转移至待处理区。

如图2和图3所示的检测系统，包括暗处理室3、检测传送带8、高光谱成像系统10有可见近红外(380-1023nm)和近红外(874-1734nm)成像光谱仪(配有两个CCD相机和配套分光模组及成像镜头)、叶绿素荧光成像光谱仪11、热红外相机12、3D相机13、扫码器9和检测龙门架14；龙门架14安装在检测传送带8的中间区域；各光谱成像系统和扫码器9依次安装在龙门架14上；暗处理室3内两个自动门装置5将处理室分成处理区和待检区，传送盆栽时，第二个自动门先打开，传送带将待检区的盆栽运至检测区，然后第二个门关闭，第一个自动门打开将暗处理过的盆栽由检测输送带8输送至两个自动门中间的待检区，如此可以避免检测区的光照对暗处理区域的影响。

本实施例中，控制系统2，安装于操作机架15上，与其他部分通过无线传输器1进行通讯。

如图4所示，利用上述的油菜全生长期信息的高通量表型研究系统，实现油菜育种的步骤包括：

1)系统初始化；

2)油菜培养线上的运输机械臂16将培养盆运输到检测传送带8，启动控制系统；

3)控制系统启动检测传送带，传送带将水培箱在暗处理室，暗处理室的长度足以达到暗处理所要求时间；

4)培养盆进入待检区；

5)培养盆进入龙门架检测系统处；

6)扫码器识别培养盆电子身份编号，检测系统中成像系统依次检测成像，并将图像信息通过无线传输器传送到控制系统；

7)控制系统对检测系统传送的图像信息进行分析，判断油菜是否有染病现象和长势，并将分析结果得出的相应的控制命令发送到运输机械臂；

6)检测传送带将培养盆运出检测系统；

7)运输机械臂根据控制系统发出的指令，将对应的培养盆运回至培养架或运送至待操作区。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种油菜全生长期信息的高通量表型研究系统，其特征在于，包括：

油菜育种培养线，具有至少一培养架，所述培养架上放置带有电子编号的培养盆，并配有补偿光照的LED光源；

检测系统，包括检测传送带，用于对检测传送带上输送的培养盆成像的成像装置，以及识别所述电子编号的扫码器；

控制系统，用于对成像图像进行分析，并判断培养盆内的油菜生长状况是否正常；

运输机械臂，用于油菜育种培养线和检测系统间抓取所述的培养盆，并根据油菜生长状况摆放所述培养盆的位置。

2.如权利要求1所述的高通量表型研究系统，其特征在于，所述的LED光源包括红光LED光源和蓝光LED光源。

3.如权利要求1所述的高通量表型研究系统，其特征在于，所述的成像装置包括布置在所述检测传送带上的暗处理室，横跨所述检测传送带的龙门架，以及安装在所述龙门架上的高光谱成像系统、叶绿素荧光成像光谱仪、热红外相机和3D相机。

4.如权利要求3所述的高通量表型研究系统，其特征在于，所述的高光谱成像系统包括可见近红外380-1023nm光谱仪和近红外874-1734nm成像光谱仪，并配有两个CCD相机和配套分光模组及成像镜头。

5.如权利要求4所述的高通量表型研究系统，其特征在于，所述暗处理室内设有间隔的两道自动门，将所述暗处理室内空间分成处理区和待检区，第一道自动门位于所述处理区和待检区间，第二道自动门位于所述待检区与成像装置间。

6.如权利要求1所述的高通量表型研究系统，其特征在于，所述的检测系统、控制系统和运输机械臂间均采用无线传输数据。