育種，是在給定的環(huán)境條件下，選擇各種表型指標(biāo)(產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性)最優(yōu)的基因型材料的過(guò)程(AI育種，從這里起步)。育種工作中大約70%的工作量來(lái)自表型觀察測(cè)量和篩選，是最耗人力物力的過(guò)程。

 

　　栽培種植，是通過(guò)改變水、肥、藥(大田農(nóng)業(yè))乃至光、溫、濕、碳(設(shè)施農(nóng)業(yè))等環(huán)境條件讓選育出的品種實(shí)現(xiàn)最優(yōu)表型(產(chǎn)量最高、品質(zhì)最好、抗性最強(qiáng))的過(guò)程。對(duì)栽培種植而言，表型觀察和測(cè)量，更是日常必須的工作。

 

 

　　可以看出，無(wú)論育種還是栽培種植，植物表型的測(cè)量都是必須的。傳統(tǒng)表型測(cè)量一般采用“用牙咬、用眼瞪、用手摸”或者“一把尺子一桿秤”，效率低、工作量大、誤差大。

 

　　高通量植物表型平臺(tái)，從本質(zhì)上說(shuō)就是利用先進(jìn)的成像和光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)肉眼可見(jiàn)的形態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)和肉眼不可見(jiàn)的生理功能(作物生理表型測(cè)量基礎(chǔ)原理)及組分含量的可視化;利用先進(jìn)的控制技術(shù)、通訊技術(shù)和軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)表型測(cè)量和數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)化;利用先進(jìn)的人工智慧技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多性狀指標(biāo)在不同場(chǎng)景中的智能化分析;利用這些可視化、自動(dòng)化、智能化的技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單株或群體植物的長(zhǎng)期、自動(dòng)、高通量測(cè)量和分析。

 

 

　　2009年筆者將高通量植物表型技術(shù)引入國(guó)內(nèi)并一手推動(dòng)這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的建立，十余年時(shí)間先后直接參與了20多個(gè)大型高通量植物表型平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)工作，并深度參觀訪問(wèn)了歐、美、澳十幾個(gè)大型植物表型平臺(tái)，結(jié)合在IPPN(國(guó)際植物表型學(xué)會(huì))工作期間與同行的深入交流，深刻感受到高通量表型平臺(tái)的建設(shè)是一個(gè)跨學(xué)科的系統(tǒng)性工程，“坑”特別多，如果在設(shè)計(jì)伊始沒(méi)有做好規(guī)劃，后期非常容易出問(wèn)題。如果沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)豐富的建設(shè)團(tuán)隊(duì)參與，平臺(tái)在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出問(wèn)題的概率是百分百的。

 

　　在此，筆者列出十余年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的一些高通量植物表型平臺(tái)建設(shè)的注意事項(xiàng)，供大家參考。

 

　　1 平臺(tái)建設(shè)目的

　　是課題組的專用平臺(tái)還是單位的公共平臺(tái)?

　　如果是專用平臺(tái)，一般需求非常明確，測(cè)量的植物類型也比較固定，使用人員也比較固定，設(shè)計(jì)、建設(shè)都比較簡(jiǎn)單。

　　如果是公眾平臺(tái)，則要兼顧各種各樣的測(cè)量物種、實(shí)驗(yàn)類型、使用人員等的需求，對(duì)設(shè)計(jì)和建設(shè)的挑戰(zhàn)大，對(duì)管理的挑戰(zhàn)更大。

 

　　2 植物類型和尺寸

　　您關(guān)注的是小型植物如擬南芥、綠葉菜，還是中型植物如小麥、水稻?是大型植物如黃淮海玉米、煙草，還是超大型植物如東北春玉米、甘蔗等?植物的尺寸直接影響傳感器類型選擇和場(chǎng)地需求，而后者也是需要成本的。

 

　　3 平臺(tái)建設(shè)環(huán)境

　　平臺(tái)是建設(shè)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)、氣候室內(nèi)、溫室內(nèi)還是大田?這會(huì)直接影響傳感器選擇、自動(dòng)化設(shè)計(jì)、預(yù)算等等各方面，是一開(kāi)始就要明確的。

 

溫室傳送型高通量植物表型平臺(tái)

 

　　如果是indoor環(huán)境(實(shí)驗(yàn)室、氣候室和溫室)，那么這個(gè)環(huán)境的凈空間(沒(méi)有任何障礙物的長(zhǎng)寬高)是多少?水、電、網(wǎng)的情況如何?是否能夠?qū)崿F(xiàn)大件貨物的運(yùn)輸(門(mén)、電梯、樓道拐角等等)和安裝?如果是多層建筑，是否能滿足承重要求?安裝必備的一些工具(如叉車(chē))是否能進(jìn)出?

　　如果是大田，該地的供電和網(wǎng)絡(luò)是否能保障?是否能保障平臺(tái)的安全(防盜)?是否能允許貨運(yùn)卡車(chē)通行?場(chǎng)地基礎(chǔ)整修和建設(shè)屬于單獨(dú)的基建工程，是否已預(yù)留預(yù)算?

 

　　4 期待的平臺(tái)功能

　　您期待這個(gè)平臺(tái)主要測(cè)量形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能還是組分含量，還是都要兼顧?您熟悉不同類型傳感器(如RGB、光合表型成像、高光譜、三維激光、熱成像、CT、MRI等等)獲取的參數(shù)類型嗎?您更期待對(duì)傳統(tǒng)肉眼可見(jiàn)表型的量化測(cè)量分析，還是期待能獲取更深入(但往往肉眼不可見(jiàn))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?

 

可見(jiàn)光成像和光合表型成像對(duì)早期脅迫診斷的差異

 

　　5 期待的通量

　　您是否了解承載通量和測(cè)量通量不是一個(gè)概念?如對(duì)一個(gè)承載2000盆植物的溫室傳送表型平臺(tái)而言，需要多少時(shí)間才能完成測(cè)量?一天能測(cè)幾個(gè)循環(huán)還是幾天才能測(cè)一個(gè)循環(huán)?如對(duì)一個(gè)占地3畝地的田間軌道式高通量表型平臺(tái)(軌道式高通量表型平臺(tái)：精彩圖片和視頻欣賞)而言，需要多少時(shí)間才能完成測(cè)量?

 

軌道式高通量植物表型平臺(tái)TraitDiscover在進(jìn)行測(cè)量

 

　　您是否了解框幅式和推掃式傳感器測(cè)量方式的差異?哪些類型的傳感器適合白天工作，哪些類型的傳感器適合晚上工作(避免自然光照的影響)?您是否了解只有當(dāng)綜合考慮了所有傳感器的工作效率并合理設(shè)計(jì)了測(cè)量子任務(wù)之后，才能合理的設(shè)計(jì)測(cè)量通量?

 

　　6 平臺(tái)選擇

　　是選擇Indoor還是Outdoor的表型平臺(tái)?就Outdoor而言，是選擇田間軌道式平臺(tái)、田間步行車(chē)平臺(tái)還是無(wú)人機(jī)平臺(tái)?這都要根據(jù)您的實(shí)際需求來(lái)討論。

 

 

　　基于“plant-to-sensor”理念的溫室傳送式表型平臺(tái)和基于“sensor-to-plant”理念的軌道式表型平臺(tái)在通量和造價(jià)上的差異您了解嗎?您是否了解軌道式表型平臺(tái)已經(jīng)代替?zhèn)魉褪奖硇推脚_(tái)，成為現(xiàn)階段高通量表型平臺(tái)建設(shè)的絕對(duì)中堅(jiān)力量?

 

　　您是否了解網(wǎng)上搜到的、文獻(xiàn)里讀到的、學(xué)者PPT里提到的大多數(shù)酷炫的田間步行車(chē)式的表型平臺(tái)都沒(méi)有商業(yè)化?您是否了解技術(shù)上實(shí)現(xiàn)(可以發(fā)paper)和技術(shù)的商業(yè)化(大家拿來(lái)就能用)是完全不同的兩個(gè)概念?

 

　　網(wǎng)上查到的田間步行車(chē)式的表型平臺(tái)非常多，

但能商業(yè)化的鳳毛麟角

 

　　您是希望建設(shè)一個(gè)超大、超酷的一體化、自動(dòng)化大平臺(tái)，還是建設(shè)多個(gè)(不同類型的)小平臺(tái)?在運(yùn)營(yíng)維護(hù)上的差異您了解嗎?

 

　　7 項(xiàng)目造價(jià)

　　您在考慮表型平臺(tái)的預(yù)算時(shí)，都考慮了哪些成本?

　　不同類型的傳感器、自動(dòng)化、服務(wù)器等的成本估計(jì)您都考慮到了，那您考慮過(guò)數(shù)據(jù)分析的成本嗎?如圖像處理的成本可以體現(xiàn)在傳感器和軟件(帶處理功能的就貴)，也可以體現(xiàn)在人力成本(很多傳感器需要后續(xù)圖像分析，要么自己團(tuán)隊(duì)招人做，要么委托別人做)。

　　您考慮過(guò)人員成本嗎?“機(jī)器替人”在平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后會(huì)逐步體現(xiàn)出來(lái)，但平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)也是需要專職人員的。您團(tuán)隊(duì)有儲(chǔ)備這方面的人才嗎，還是需要額外聘請(qǐng)呢?

 

 

　　海量大數(shù)據(jù)的處理，不僅包括從raw data變成可表格存放的性狀數(shù)據(jù)，這些性狀數(shù)據(jù)的深入挖掘也是依賴于人才和算法的，也要考慮相關(guān)的成本。

 

　　8 項(xiàng)目的論證和決斷

　　建設(shè)一個(gè)表型平臺(tái)特別是大型表型平臺(tái)，當(dāng)然要充分調(diào)研。但表型技術(shù)太多了，這兩年的文獻(xiàn)(植物表型資訊分類專輯直通車(chē))也多了，您是否有“亂花漸欲迷人眼”的感覺(jué)?是否看多了后反而忘記了考慮自己的實(shí)際需求呢?

 

　　大型表型平臺(tái)項(xiàng)目的申報(bào)和建設(shè)周期都較長(zhǎng)，而表型技術(shù)本身(傳感器、自動(dòng)化、算法、算力)也在飛速發(fā)展，不要等平臺(tái)建設(shè)完成了，技術(shù)也過(guò)時(shí)了。如何前瞻性的布局新的可靠的技術(shù)?

 

 

　　在表型平臺(tái)論證的時(shí)候，還需要“當(dāng)斷則斷”，不要過(guò)于糾結(jié)和猶豫，只有先做起來(lái)，哪怕先建設(shè)一個(gè)小平臺(tái)做起來(lái)，有了經(jīng)驗(yàn)，才能更好的深入理解這個(gè)技術(shù)，進(jìn)一步完善。

 

　　同時(shí)，您一定要明白，萬(wàn)能的表型平臺(tái)是不存在的!任何技術(shù)都有優(yōu)點(diǎn)、強(qiáng)項(xiàng)，也都存在缺陷，會(huì)出現(xiàn)故障。在植物表型上，“干就是了”!

 

　　9 項(xiàng)目經(jīng)理

　　在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，甲乙雙方都要指定一個(gè)專人擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理，各自負(fù)責(zé)本方內(nèi)部的協(xié)調(diào)工作，這對(duì)于表型平臺(tái)建設(shè)的順利完成是非常非常非常重要的!!!特別是在落實(shí)水、電、網(wǎng)、基建等方面，若不執(zhí)行項(xiàng)目經(jīng)理制，大概率平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)度是比較曲折的。

　　

　　鐵打的營(yíng)盤(pán)流水的兵，大型表型平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)負(fù)責(zé)人一定是固定崗位的人員，而不是學(xué)生或臨時(shí)人員，才能保證該平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　這方面荷蘭國(guó)家植物表型平臺(tái)NPEC的管理架構(gòu)可以參考。

 

 

　　表型平臺(tái)的管理團(tuán)隊(duì)若能由跨學(xué)科人才組成，是最理想的。但對(duì)絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)單位而言，這個(gè)要求有點(diǎn)高。實(shí)際上，對(duì)于成熟的商業(yè)化表型平臺(tái)(如軌道式高通量植物表型平臺(tái)TraitDiscover)，甲方安排一個(gè)靠譜的農(nóng)學(xué)相關(guān)專業(yè)的碩士畢業(yè)生，只要他所有的精力都在這個(gè)平臺(tái)上，是完全可以將平臺(tái)的管理、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)做好的。 

 

　　以上，是筆者十余年血淚教訓(xùn)的總結(jié)，也是一份高通量表型平臺(tái)建設(shè)的“避坑指南”。如果您看了之后有啟發(fā)，還請(qǐng)?jiān)谖恼碌撞奎c(diǎn)個(gè)贊，或轉(zhuǎn)發(fā)給您有需求的同事或朋友吧。當(dāng)然，如果您希望跟我們進(jìn)一步交流，請(qǐng)聯(lián)系info@phenotrait.com。