便攜式植物(wù)表型平台——KeyBox

背景

        歐盟最大的農業生物(wù)科(kē)技(jì )公(gōng)司——荷蘭KeyGene公(gōng)司，是一家專注于提供基因型-表型分(fēn)析和性狀及關聯基因挖掘服務(wù)的公(gōng)司。自從2011年由KeyGene公(gōng)司和德(dé)國(guó)LemnaTec共同建立的歐洲植物(wù)表型平台PhenoFab投入運轉後，迅速積累了大量的基因型-表型測量和分(fēn)析經驗，并取得了異常出色的結果，從而導緻PhenoFab一直處于滿負荷運轉狀态。

        基于大量的PhenoFab使用(yòng)經驗和數據分(fēn)析的基礎，KeyGene研發出了一款國(guó)際上最小(xiǎo)的便攜式植物(wù)表型平台KeyBox。

        KeyBox的是為(wèi)了解決PhenoFab工(gōng)作(zuò)人員在實際應用(yòng)中(zhōng)遇到的問題而面世的，并且從設計最初就要求能(néng)夠操作(zuò)簡單、不需進行複雜的軟件學(xué)習，即使是育種公(gōng)司的一般工(gōng)作(zuò)人員也容易掌握。

        KeyBox已經被大量實驗證明是非常高效、有(yǒu)價值的。正如世界聞名(míng)的集科(kē)研育種、種子生産(chǎn)及開發銷售為(wèi)一體(tǐ)的專業化蔬菜育種公(gōng)司——荷蘭安(ān)莎種子集團公(gōng)司（ENZA ZADEN）的育種家Martijn van Stee所說“我們用(yòng)KeyBox在世界各地進行了高通量的表型分(fēn)析，它在将表型量化方面被證明非常可(kě)靠”。

快速打包設計

        考慮到KeyBox可(kě)能(néng)需要經常帶到溫室、野外或其它地方進行測量，因此它被設計成可(kě)快速拆卸、打包的樣式。将KeyBox打包後，就成為(wèi)一個拉杆箱，方便運輸和攜帶。

工(gōng)作(zuò)狀态	打包後

主要功能(néng)

• 對植物(wù)體(tǐ)進行整株或器官（果實、種子、根系、葉片、幼苗等）的表型成像

• 便攜可(kě)折疊式設計，方便帶到溫室或野外使用(yòng)

• 标準光照環境，數據可(kě)重複

• 經驗豐富的專家根據應用(yòng)經驗設計的軟件，操作(zuò)簡單，解決農業應用(yòng)中(zhōng)遇到的問題

• 内置顔色校正和讀取電(diàn)子标簽的程序

• 可(kě)選一系列的功能(néng)程序模塊，并不斷升級中(zhōng)

應用(yòng)領域

• 表型性狀分(fēn)析/挖掘，基因型-表型關聯

• 農業育種

• 園藝學(xué)、農業信息學(xué)

• 果實品質(zhì)分(fēn)析

• 植物(wù)病理(lǐ)研究

• 生物(wù)量分(fēn)析

• 種子萌發研究

• 抗逆研究

工(gōng)作(zuò)軟件Pheno-suite

       KeyBox的工(gōng)作(zuò)軟件Pheno-suite由KeyGene公(gōng)司強大的生物(wù)信息學(xué)和軟件團隊開發，充分(fēn)考慮在實際應用(yòng)的需求，操作(zuò)簡單，功能(néng)強大。

Pheno-suite的工(gōng)作(zuò)模塊包括：

• 基礎整合模塊。内置在軟件中(zhōng)，是軟件的基本組成部分(fēn)。

• 選配模塊。功能(néng)強大，針對應用(yòng)的每個算法是一個模塊，客戶可(kě)以根據需求選配。

基礎整合模塊：顔色校準 Color correction

        在拍照時，将标準色卡護照（ColorChecker Passport）放入KeyBox内一起成像。拍照結束後，利用(yòng)Pheno-suite軟件的“Color correction”功能(néng)，可(kě)以根據标準色卡還原被攝物(wù)體(tǐ)的真實顔色。

基礎整合模塊：标簽識别 Label recognition

        Pheno-suite軟件可(kě)以協助生成由10位數字組成的标簽并打印出來。在拍照時，将标簽條一起成像。利用(yòng)Pheno-suite軟件的“Label recognition”功能(néng)，可(kě)以自動将标簽條識别并讀取出來。客戶可(kě)以将圖片文(wén)件與标簽關聯起來，方便數據管理(lǐ)。

基礎整合模塊：灰度圖轉換 Gray scale conversion

        利用(yòng)Pheno-suite軟件的“Gray scale conversion”功能(néng)，可(kě)以将彩色圖像轉換為(wèi)灰度圖，供客戶使用(yòng)。

功能(néng)強大的模塊：生物(wù)量測量 Biomass detection

        利用(yòng)Pheno-suite軟件的“Biomass detection”功能(néng)，可(kě)以計算樣品的像素大小(xiǎo)、樣品的長(cháng)度和寬度（将樣品包圍起來的方形盒的長(cháng)度和寬度）、樣品性狀偏離圓形的程度（deviation   from circle）。

• Plant pixel size

• Length/width bounding box

• Deviation from circle

功能(néng)強大的模塊：形态大小(xiǎo)測量 Tomato size 

        利用(yòng)Pheno-suite軟件的“Tomato size”功能(néng)，可(kě)以計算樣品的像素大小(xiǎo)、樣品的長(cháng)度和寬度（将樣品包圍起來的方形盒的長(cháng)度和寬度）、樣品的橢圓度（最大軸長(cháng)、最小(xiǎo)軸長(cháng)、朝向）。

Plant pixel size Height/width bounding box Elipse (same second central moment)     Major   axis length     Minor   axis length     Orientation 命名(míng)為(wèi)“Tomato size”并不代表隻能(néng)測量番茄，而是适用(yòng)于所有(yǒu)樣品

功能(néng)強大的模塊：種子萌發測量 Seed germination in tray

        利用(yòng)Pheno-suite軟件的“Seed germination in tray”功能(néng)，可(kě)以計算樣品的總像素大小(xiǎo)、樣品的平均像素大小(xiǎo)、樣品像素大小(xiǎo)的标準差等。這些可(kě)以用(yòng)于判斷種子的萌發率。

Total pixel size Average object pixel size STDEV object pixel size

功能(néng)強大的模塊：葉片大小(xiǎo)測量 Leaf size detection

利用(yòng)Pheno-suite軟件的“Leaf size detection”功能(néng)，可(kě)以計算樣品數目，以及每個樣品的總像素大小(xiǎo)、樣品的長(cháng)度和寬度（将樣品包圍起來的方形盒的長(cháng)度和寬度）、樣品性狀偏離圓形的程度等。 # Objects Per Object     Total pixel size     Length/width bounding box     Deviation from circle

實際應用(yòng)舉例

葉片尺寸測量

        下圖中(zhōng)，利用(yòng)KeyBox測量了一個葉片像素面積（area）、長(cháng)度（height）、寬度（width）、長(cháng)軸（Major Axis）、短軸（Minor Axis）、偏心率（Eccentricity）和周長(cháng)（Perimeter）。

種子發芽率研究

        下圖中(zhōng)，利用(yòng)KeyBox測量了一個104孔的芽盤中(zhōng)，種子的萌發情況，精(jīng)确識别萌發的種子和未萌發的種子，計算出萌發率。

番茄果實性狀分(fēn)析

        下圖中(zhōng)，利用(yòng)Keybox儀器對三個櫻桃番茄果實性狀進行了分(fēn)析，共獲得緊湊度（Compactness）、圓度（Roundness）、像素面積（Area）、長(cháng)軸（Major Axis）和短軸（Minor Axis）等10個參數，對番茄果實的各項參數進行分(fēn)析。

瓜果性狀分(fēn)析

        将瓜類果實放在Keybox儀器中(zhōng)進行成像，利用(yòng)軟件可(kě)以計算出果實的尺寸大小(xiǎo)（Pixel size）、長(cháng)度（Length）、寬度（Width）、顔色（Color）、裂縫（Cracks）、黑點數（Dark spots）和圓度（Roundness of melon）。

Size of melon（Pixels） Length & width melon Color Cracks Dark spots Roundness of melon

玉米棒性狀分(fēn)析

        将玉米棒放到Keybox儀器，成像後分(fēn)析，可(kě)以得到玉米棒長(cháng)度（Length cob）、玉米棒寬度（Width cob）、顔色（Color）和圖像中(zhōng)谷粒數（Kernels on cob）。

Length cob Width cob Color Number of kernels in length Estimate of total kernels on cob

葉片病害性狀分(fēn)析

        對感病葉片進行分(fēn)析，葉片顔色（Color leaf）、黃色部分(fēn)面積（Quantify area yellow）、棕色葉片面積（Quantify area brown）和對照葉片之間比較（Compare with control plants）。

 Color leaf

Quantify area yellow

Quantify area brown

Compare with control plants

芽橄榄性狀分(fēn)析

        Keybox儀器可(kě)以同時對多(duō)個芽甘藍進行成像和分(fēn)析，可(kě)以計算每個樣品的長(cháng)度、寬度、周長(cháng)、偏離圓形程度、顔色分(fēn)級（綠色、棕色和黃色）、計算參數（平均面積、長(cháng)寬比、标準偏差）、大小(xiǎo)分(fēn)類、均勻性和形狀

# Objects Size parameters per object:                         Length     Width     Perimeter     Deviation of circle     Object size (pixels) Color per object:     Color classes (green, yellow, brown)     % green of surface (or brown/yellow) Calculated parameters:     Average object size (pixels)     STDEV object size (pixels)     Ratio length/width     % too small      % too brown     % wrong shape Reference parameters:     Size classes (e.g.18-23mm)     Color classes     Uniformity     Shape classes

産(chǎn)地：荷蘭