[发明专利]一种全暗环境下根系高通量栽培及自动化生长成像系统

说明书

本发明涉及一种全暗环境下根系高通量栽培及自动化生长成像系统，该系统包括：主框架，用于培养植株根系的根盒，安装在主框架上且能相对于主框架运动的根盒架，安装在主框架上且能相对于主框架运动的H型机架，安装在H型机架上且能相对于H型机架运动的成像子系统，安装在主框架上并与根盒相连通的灌溉子系统，安装在主框架上并与灌溉子系统相连通的回水子系统，和用于遮蔽整个系统内部以实现全暗环境的遮光子系统；其中，多个根盒可拆卸地安装在根盒架上；成像子系统用于对根盒中的根系进行成像；灌溉子系统用于为根盒中的植株提供营养液实现无土栽培；回水子系统用于回收从根盒中渗出的多余营养液进行循环利用。

技术领域

本发明涉及一种非土壤介质下的根系表型测定平台，尤其涉及一种全暗环境下根系高通量栽培及自动化生长成像系统。

背景技术

植物表型是理解植物基因型与环境互作的关键。近年来，随着基因测序技术的效率提升和成本降低，植物的基因组数据不断增长和完善；然而，植物表型信息的获取仍以人工为主，工作量大，数据重复性差，且需对植物破坏性测定。因此，植物表型信息的系统性收集逐渐成为遗传育种研究和基础植物科学研究的一个限制因素，诸多学术机构和企业致力于植物表型测定平台的研发。目前，植物表型测定技术的研发大多集中于植物地上部，这主要是由于根系生长介质的不透明性及根系结构的复杂性，导致根系的观察和测定都十分困难。根系是植物吸收水分、养分资源和响应土壤环境变化的重要器官，通过改良根系性状来培育新品种可有效提高作物产量和养分资源利用效率。因此，进行室内栽培的根系表型无损测定，深入挖掘作物基因-环境-表型互作机理，对作物育种研究、植物生理学研究和模型参数化有着至关重要的作用。

目前，室内栽培的根系无损测定方法包括核磁共振成像法、中子层析法和微X射线法等。微X射线法是最精确的非破坏性测定方法，但只能测定直径很小的土柱中的苗期根系，设备成本高昂，需要大量的数据存储空间和强大的计算机集群运算，在高通量根系表型测定方面的应用受到限制。根盒照相法(GROWSCREEN-Rhizo,2012)可高通量地栽培植株、精准灌溉、自动化地对窄根盒中的根系成像，但无法获取完整的根系结构，而且设备成本较高，空间利用率低。获取非土壤介质下的根系表型是开展根系研究的另一个重要途径。基于LemnaTec系统的Rhizotubes(2015)能够通过大批量的获取紧贴于圆管表面的根系图像，但是随着通量的提高，植株传输的距离也随之增长，长距离的运输和频繁的启停影响植株的生长(倒伏)。Adu等科研人员(2014)采用平面扫描仪作为成像和栽培主体，将发芽纸贴于扫描仪的透明面板，根系位于其间生长，发芽纸的底部伸入营养液中吸取养分。该方法将发芽纸同时作为生长介质、养分吸收介质和遮光材料。但是随着通量的提高，扫描仪的数量也随之等比例增加，且受制于发芽纸的吸水能力，该方法无法培养较大的植株。综上，现有的根系表型测定平台无法在高通量、全自动化、实时测定、精准的生长环境控制以及低成本之间取得很好的平衡。因此，现在急需设计和开发一套高通量、自动化、实时根系表型快速测定平台，以满足规模化科学研究的要求，深入挖掘作物基因-环境-表型互作机理。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种全暗环境下根系高通量栽培及自动化生长成像系统，能够承载多组根盒架，单个根盒架可承载多个根盒，通过控制成像子系统的三维运动和旋转以及根盒架的滑动，集成灌溉、回水以及遮光子系统，实现在全暗环境下对根系生长的实时成像，并且在高通量、全自动化、实时测定以及高空间利用率和低成本之间取得很好的平衡，可以满足规模化科学研究的要求，为分析各种根系表型性状参数提供完整解决方案。