温室自动化植物表型平台的设计
摘要：本文针对表型学发展的实际情况，提出了表型学的不足之处。首先阐述了表型学研究的背景和意义，其次通过对温室智能设备和植物表型学的发展以及不同植物表型平台的现状的分析，对温室自动化植物表型平台进行了初步的设计。并根据目前的技术发展状况，对其应用和发展进行了介绍，同时结合我国国情，对设计产品的应用进行了思考。提出本次毕设的研究内容和创新，设计含有喷雾工作台，既可实现染病植物的喷药，又能满足其他研究（如植物对部分胁迫因子的反应，农药的药效等）的条件需要。
关键词：温室；自动化；喷雾；表型平台
一、研究的目的和意义
植物表型平台的设计涉及到表型组学。表型组学主要研究被测生物的性状特征，即被测生物在环境因素和遗传因素的共同作用下，所展示出的主要信息。表型组学最初主要用于动物和生物医学，现在也逐步应用到植物学领域中。研究发现，在植物的基因组中，即使有很小的变异，也会导致所产生的表型不同。另外，在环境因子不同时，植物的表型也会有所差异。植物的表型是基因组、生长环境以及遗传变异所共同作用的必然结果。研究植物不同的表型性状，有两个作用：一是确定不同的遗传因子对其的影响程度，二是确定不同的环境因子对其的影响程度，从而可以为改良作物、培育新品种提供高效的方法。具体来说，通过获取植物不同的品种的表型特征，可对比其生长规律；通过检测并分析其表型特征，可验证相关基因植物表型的计算技术检测系统的功能，从而可以获得对农作物生长有益的基因，如抗病虫、抗旱、高产量等。
自动化平台的设计，对企业和个人都具有较为重大的意义。企业缺乏先进的成套生产及自动关输送辅助设备，多数采用人工取料，手动单机操作，在带来工人安全隐患的同时，企业生产效率低，产品质量的一致性、可重复性差，导致生产节拍不稳定，导致产品的附加值低。先进自动生产线技术大多分布在国外，如日本、英国、意大利米勒、美国等公司。国内自动线自动化程度不高，国内自动线设备很大程度上依赖进口。国内自动化生产线程度低，控制精度低，生产效率低，导致产品质量低，迫切需要自动化程度高、控制精度高的自动化生产线。自动化平台可以满足自动、快节拍的规模化生产，从根本上改变国内单人单机操作、生产效率低的现状。提高行业产品市场竞争力，具有显著经济效益和社会效益。
- 国内外研究现状
目前总体研究现状是由于植物表型本身的复杂性以及动态变化的特性，表型研究严重滞后于基因型研究。具体一点就是因为表型本身的复杂性和动态变化，研究者通常只专注于少数几个表型，进行静态粗略的研究，而且传统的表型调查效率很低，不同调查者具有主观性，导致不同调查人员的调查结果误差很大；同时由于表型研究技术发展相对滞后，导致表型研究严重滞后于各种组学研究。传统的表型检测手段已经成为制约植物基础生物学研究包括遗传、基因功能研究、生理等的主要限制因素。目前在植物表型研究中自动化图片分析技术，例如荧光成像、热成像、二维或者三维的三彩色成像、近红外光谱成像系统以及成像光谱等非侵入和高通量技术已经得到应用。利用高通量表型组学记录植物对逆境胁迫的反应，有利于筛选抗性植物和发掘新基因；同时还可用于对病害的鉴定，通过近红外光谱成像系统扫描可以鉴定感染稻瘟病的水稻幼苗，结合高光谱和荧光成像可以发现发生黄锈病的冬小麦，有利于早期防治病害的发生；还可以实现对作物品质的检测，保证作物的健康生长并提高作物的高产优质[1]。
表型组学（phenomics）概念在1997年首次出现在正式文献中，特指作为基因组研究重要补充的复杂疾病性状研究[2]，但表型组（phenome）一词最早出现于1949年作为与基因组对应的概念被描述为细胞质或细胞核中基因和自体繁殖部分之外的总和，是生物表现型的物性反映或物质基础（the material basis of the phenotype）[3]。1960年代中期以来在分类学和进化生物学范畴里还出现了表型学（phenotics）概念表型组被表述为生物的全部表型（the pheno-type as a whole） [4]。1980年代末，表型组与基因组在进化过程中的对应关系开始受到关注[5]，随后在1990年代中后期出现与表型组学相关的现代表型组概念，用于表述与基因组对应的和受表观遗传调控的复杂疾病表型[6]。
当前植物表型组学领域的热点之一是建设分析技术平台，但简单地依赖商品化的设备难以完成系统复杂的植物表型组研究。作为一门新兴的交叉学科，植物表型组学尚有较大的发展空间，有必要在把握植物表型组和植物表型组学的概念和研究范畴的基础上，整合植物学、信息学、仪表学、光电子学、自动化学、机械学、环境学、工程学等多领域的研究和技术力量并加大创新资金投入，建立满足实验室、温室和大田中不同作物表型性状检测和环境监控的模块式集成分析系统[7]。
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