PlantScreen野外高フラックス植物表現型分析プラットフォーム

——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

野外成長植物の迅速、正確、高フラックス非損傷多形質表現型分析能力を確立することは、21世紀の作物遺伝育種が直面する最大の挑戦である（Andrade-Sanchez et al.2014、Furbank and Tester 2011、Houle et al.2010）。野外高フラックス植物表現型分析プラットフォームは遺伝学、生物技術、作物育種、及び作物の気候変動、土壌、耕作管理に対する応答研究モニタリングなど、特に現代農業、知恵農業はいずれも比類のない重要な意義を持っている。

PlantScreen野外高スループット植物表現型分析プラットフォームは自動化制御システム、クロロフィル蛍光イメージング測定分析、植物熱イメージング分析、植物高スペクトル分析、RGBカラーイメージング分析及びインターネット＋表現型ビッグデータプラットフォームなどの現代先進技術を集積し、最適化方式で野外植物原位置高スループット表現型分析測定、植物ストレス応答と作物抵抗性イメージング分析スクリーニング、植物成長分析測定、性状識別及び植物生理生態分析研究などを実現した。世界初の植物クロロフィル蛍光イメージングシステムを開発・製造したメーカーとして、PSI社は植物表現型イメージング分析分野で世界の技術上位に位置し、大面積クロロフィル蛍光イメージング分析などのイメージング分析プラットフォームはPlantScreen植物の表現型分析と機能イメージング分析の最先端の機器となっている。

機能の特徴：

1）大型多機能イメージングプラットフォーム（Multi-functional sensor platform）、クロロフィル蛍光イメージング、RGBイメージング、赤外熱イメージング、LiDAR、高スペクトルイメージングなどの各種の先進的なハイエンドセンシング装置、全面的な分析：

a）構造形質表現型解析（RGBイメージング及びLiDAR）

b）機能表現型分析（クロロフィル蛍光イメージング）

c）形状と成長評価（RGBイメージング及びLiDAR）

d）光合成表現（クロロフィル蛍光イメージング）

e）生物ストレスと非生物ストレス応答（クロロフィル蛍光イメージング、高スペクトルイメージング、赤外熱イメージング）

f）生理生態表現は光合成生理、気孔動態、生化学代謝指標など（クロロフィル蛍光イメージング、高スペクトルイメージング、赤外熱イメージング）を含む

2）世界トップクラスのFluorCam葉緑素蛍光イメージング技術は、作物の生理生態機能性状の必須分析技術であり、インテリジェントLED光源は変調測定光を提供し、昼間自動イメージング測定光適応条件下の葉緑素蛍光及び光合成効率を測定することができる、独自の高感度葉緑素蛍光イメージングレンズを搭載し、イメージング面積は35 cmx 35 cm（顧客が80 cmx 80 cmをカスタマイズできる）に達し、世界で1枚の葉緑素蛍光イメージング面積が最大の技術設備である

3）トラクターに取り付けて移動式自動イメージング分析を行うことができ、また専用自動運転プラットフォームに取り付けてベルト軌道に沿って自動運転する同時にベルト全カバー自動スキャンイメージングとオンライン分析を行うことができる

4）システム制御、データ収集、データ処理分析と可視化オンライン表示、データベースなどを含む表現型分析ビッグデータプラットフォーム

5）PSI表現型研究センター専門家チームの技術サポート、毎年アメリカとヨーロッパでそれぞれ1回世界植物表現型シンポジウムを開催

6）無人機技術（UAV-based）に基づくPhenoUAS無人機高スループット表現型分析プラットフォームを選択し、地面に基づく表現型分析scalling-upを空中大領域高速表現型分析へ

7）土壌気象観測所を選択的に配置し、環境条件と表現型形質の関係を全面的に分析することができる

8）植物の生理生態モニタリングシステムを選択的に配置し、植物の光合成及び果実の成長などの情報を同時にモニタリングすることができる

9）自動秤量デジタル化培養鉢を選択し、正確な秤量、土壌水分モニタリング、自動灌漑などを行うことができる

主な技術指標：

1.一体型多機能自動イメージング分析プラットフォーム、インテリジェントLED光源及びクロロフィル蛍光イメージングモジュール、RGBイメージング分析モジュール及びその他の赤外熱イメージング、LiDARレーザースキャン、高スペクトルなどの選択イメージングモジュールを集積し、オペレーティングシステムの自動運転、自動分類ストレージ、自動オンライン分析などを通じて

2.葉緑素蛍光イメージング分析（標準配置）：

a）3色知能LED励起光源、620 nmパルス測定光、白色光化学光と最大飽和光フラッシュ、735 nm赤外光を用いてFo’などを測定する

b）GFPイメージング測定などのマルチスペクトル多帯域蛍光測定用の青色光源と7ビットフィルタリングを選択可能

c）高感度CCD葉緑素蛍光イメージングセンサーを持ち、フレーム周波数は50 fpsに達し、有効に葉緑素蛍光過渡を捕捉し、解像度720 x 560画素、A/D 12ビット、ビデオモードとスナップモードを備える、高解像度CCD、解像度1360 x 1024、フレーム周波数20 fps、A/D 16ビットを選択可能

d）単幅撮像面積35 x 35 cm

e）イメージング測定パラメータ：夜暗適応測定及び昼光適応測定を行うことができ、測定パラメータは以下を含むFo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd植物の光合成効率、適合度、生物と非生物ストレス及び作物抵抗性、回復力などを分析するための等葉緑素蛍光パラメータ

f）Fv/Fm、Kautsky誘導効果、蛍光クエンチ分析などの完備した自動化測定プログラム（protocols）と測定パラメータ、例えばFv/Fmプログラムの測定時間はわずか10 s

g）葉緑素蛍光データのオンライン分析、ヒストグラム、測定パラメータ図、データ表などを含み、カスタム画像分割などの機能を備え、異なる時間スケール（例えば日、月、成長季節全体など）のマルチパラメータ動態分析を行うことができる

h）は本当の二次元同期イメージングであり、得られた葉緑素蛍光パラメータは本当の画素点に基づく二次元分布パラメータであり、単純化した「レーザー誘起イメージング」（利点は軽便、省電力）を避けるのは一次元イメージング（点または線）だけであり、二次元イメージングを同期化できず、環境要素の影響を受けやすい（風に吹かれると深刻な誤差が生じる）、イメージングパラメータはシミュレーションパラメータ（レーザー走査速度に基づいて得られた高速測定蛍光と低速測定蛍光は本当の最小蛍光と最大蛍光ではなく、得られたパラメータ「光量子収量」はシミュレーション光量子収量は較正後のパラメータで使用する必要がある）、測定パラメータ量子収量または光量子効率）、技術が未熟（参考文献が見つからない）などの問題

i）世界で植物高スループット表現型分析の応用が最も広く、論文発表が最も多い技術手段である

3.RGBイメージング分析（標準配置）：植物の形状、色の緑度などに対してイメージング分析を行うことができ、分解能は5 Mpxで、そして自動的に植物の花の数、イネの分け目などに対して統計分析を行うことができ、主な分析測定パラメータは以下を含む：

1）葉面積（Leaf Area：Useful for monitoring growth rate）及びその動的変化

2）植物の緊密度／緊密度（Solidity／Compactness.Ratio between the area covered by the plant’s convex hull and the area covered by the actual plant）

3）葉周長（Leaf Perimeter：Particularly useful for the basic leaf shape and width evaluation（combined with leaf area））

4）偏心率（Eccentricity：Plant shape estimation，scalar number，eccentricity of the ellipse with same second moments as the plant（0…circle，1…line segment））

5）葉の丸み（Roundness：Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter.Gives information about leaf roundness）

6）葉幅指数（Medium Leaf Width Index：Leaf area proportional to the plant skeleton（i.e.reduction of the leaf to line segment）

7）羽根細長SOL（Slenderness of Leaves）

8）植物円直径（Circle Diameter.Diameter of a circle with the same area as the plant）

9）凸包面積（Convex Hull Area.Useful for compactness evaluation）

10）植物セントロイド（Centroid.Center of the plant mass position（particularly useful for the eccentricity evaluation））

11）フラット指数（Flattening index）

12）相対成長速度（Relative growth rate）

13）緑度指数と等級別分析（暗緑、健康緑、薄緑など）

14）色分類とパーティション解析（Color segmentation for plant fitness evaluation）

15）その他の性状と色等級動的解析

4.3 Dレーザー走査分析（オプション）：植物構造の表現型分析に用い、点雲モデルによる植物構造、バイオマス、葉数、葉面積、葉傾斜角度、植物高さなどの各種形態構造パラメータの自動分析計算

5.赤外熱イメージング分析（オプション）：焦点平面アレイ微小測定熱放射計、解像度640×480画素、帯域7.5-13μm、温度範囲-20-120℃、解像度<0.05℃@30℃/50 mK、イメージング面積35 x 35 cm、イメージング植物の光放射状況下の冠状層温度分布をイメージングし、そして植物の気孔導度動態、乾燥ストレス及び乾燥抵抗能力評価などを分析し、良好な放熱は植物を比較的長い時間の高光放射又は低水条件（乾燥）に耐えることができる

6.高スペクトルイメージング分析（オプション）：波長範囲380〜1000 nm、スペクトル帯域数（帯域数）675帯域、イメージング可能で正規化指数（Normalized Difference Vegetation Index（NDVI））単純比指数（Simple Ratio Index、Equation：SR＝RNIR／RRED）、改良されたクロロフィル吸収反射指数（Modified Chlorophyl Absorption in Reflectance Index（MCARI 1）、
Equation：MCARI 1＝1.2*[2.5*（R 790-R 670）-1.3*（R 790-R 550））、最適化土壌調整植生指数（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index（OSAVI）
、Equation：OSAVI=（1+0.16）*（R 790-R 670）/（R 790-R 670+0.16）、光化学植生反射指数（Photochemical Reflectance Index（PRI）、Equation：PRI=（R 531-R 570）/（R 531+R 570））など

7.野外移動プラットフォーム：プラットフォームアームの12 mスパン、多機能イメージングプラットフォームは移動プラットフォーム上で左右に自動走査イメージング分析ができ、幅が10 mに達するスプラインを自動走査することができ、1回の走査イメージング面積は10 x 0.35 m（3.5 m 2）に達することができ、1回の走査時間は1分未満から数分（実験測定プログラムProtocolによる）まで完成し、移動プラットフォームは軌道に沿って自動運転することができ、運行距離は原則として制限されない（軌道長に制限される）、移動プラットフォームの高さは2.5 m、多機能イメージングプラットフォームの高さは調整でき、異なる高さの作物イメージング分析に適応することができる、移動プラットフォームの4つのゴムホイールは軌道上で制御システムを通じて自動的に運転し、自動的に走査イメージングを行うことができ、また一般的な地上での移動、カーブなどを容易にすることができ、75 x 20 mのサンプルに対して、移動プラットフォームは多機能イメージングプラットフォームを負荷して一度に75 x 10 mのサンプルテープを完成することができ、それから手を動かしてカーブした後に再び自動的に残りの半分の75 x 10 mのイメージング分析を完成することができる。GPSシステムを搭載して精度が2 cmに達し、ソフトウェアを通じて測定データ、位置、時間などを自動的に記録し、ディーゼル発電機から動力を提供してプラットフォーム全体を移動させることができる

8.環境測定センサーネットワークを選択し、PAR、環境CO 2濃度、空気温湿度、降雨量及び土壌水分などを自動的に監視記録することができる。

9.システム制御とデータ収集分析システム（表現型ビッグデータプラットフォーム）：

1）ユーザーフレンドリーなグラフィックインタフェース

2）GPS測位機能は空間分布情報及び時空分布構造分析を行うことができる

3）すでに各種の成熟したProtocolsを内蔵し、ユーザー定義、編集可能な自動測定プログラム（protocols）を備え、ユーザー設定プログラムに基づいて自動的にすべての実験を完了する。データ結果は自動的に保存され分析され、分析されたデータ結果は自動的に動的曲線として表示されます

4）MySQLデータベース管理システム、数千万件の記録を持つ大型データベースを処理でき、多種の記憶エンジンをサポートし、関連データはデータベース中の異なるテーブルに自動的に記憶される

5）デフォルトプログラムを使用してすべての測定を行うことができ、また開発ツールを使用してカスタム作業プロセスを作成することができ、あるいはLED光源のオン/オフ、RGBスイープイメージング、クロロフィル蛍光イメージングなどを手動で操作することができる

6）実験プログラム（Protocols）はスタートキー、終了キー、一時停止キーを備える

7）システムはインターネット無線遠隔制御を通じて、ユーザーがインターネットを通じて遠隔アクセスを許可し、データ処理、ダウンロード及び実験設計の変更を行い、ユーザー権限の等級化機能を備え、他の人の誤操作による実験への影響を防止する

産地：欧州PSI

応用例：

FluorCamの適用葉緑素蛍光技術、野外植物に対してその場の異なる季節の長期モニタリングを行い、同時に植物光合成（CO 2同化）Aをモニタリングし、結果は下図を参照する。FluorCam葉緑素蛍光技術は励起光パルス変調技術、高感度CCDセンサ（サンプリング周波数が毎秒50回に達する）技術及びインテリジェントLED光源を採用し、大面積（フレーム毎のイメージング面積35 x 35 cmを標準配置する）ができる植物／作物イメージング分析は、野外で夜間に暗適応条件下の葉緑素蛍光イメージング分析を行うことができ、また環境光適応条件下で葉緑素蛍光イメージング分析を行うことができ、簡単なレーザー誘導葉緑素蛍光測定（1束の点状または線型単色励起光源を通じて葉緑素蛍光を励起して測定することができ、利点は省電力でより軽量である）よりも多くの機能的利点があり、測定パラメータが多く、各種葉緑素蛍光実験プログラムのイメージング測定分析を行うことができるだけでなく、1回の2次元イメージング（真のイメージング分析）は点状または線型励起光走査による葉緑素蛍光測定の非同期、野外風吹草の分解能

附：その他の野外表現型イメージング分析システム：

1)PhenoUAS無人機による高スループット大田作物の表現型分析プラットフォーム

2)FluorCam野外移動式葉緑素蛍光とRGBイメージング分析システム

3)FluorCamスプライン走査葉緑素蛍光とRGBイメージング分析システム（赤外線熱イメージングをオプションで搭載可能）