試驗(yàn)田里，帶有溫室密封功能的艙體正在沿著軌道移動(dòng)，艙體四周裝有的傳感設(shè)備在對地塊上標(biāo)注好型號的作物表型進(jìn)行精準(zhǔn)采集，數(shù)據(jù)傳入后，通過各種光電傳感器、成像傳感器快速地獲取作物的性狀特征，再進(jìn)行深度解析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)品種改良、品種定制……

多學(xué)科多技術(shù)深度交叉新領(lǐng)域

表型組學(xué)是當(dāng)前科學(xué)界公認(rèn)的生命科學(xué)前沿，是解析生命規(guī)律的關(guān)鍵。2016年，《科學(xué)》雜志將表型組學(xué)列為六大科研前沿之一。2018年，《自然》雜志將“連接基因型和表型”列為改變生命科學(xué)研究的六大技術(shù)之一。

何為作物表型組學(xué)？先來看看有關(guān)它的科學(xué)定義。

表型（Phenotype），是生命體可觀測的一切性狀和特征，是基因型和環(huán)境互作的結(jié)果。

作物表型（Crop Phenotype），是指作物群體和個(gè)體可通過一定手段測定的諸如形狀、大小、結(jié)構(gòu)、顏色等外在表現(xiàn)以及除基因組（genome）以外的其他組學(xué)（如轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組、離子組等）特定表達(dá)特征與生理生化過程。

表型分析（Phenotyping），是針對表型進(jìn)行的測量分析，包括細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體、群體等各個(gè)尺度。

表型組（Phenome），是某個(gè)基因組在特定環(huán)境（包括特定栽培管理?xiàng)l件）下形成的表型集，即為該基因組表達(dá)出的表型組；一個(gè)特定的基因組，在不同環(huán)境條件與栽培措施下可表現(xiàn)為多個(gè)表型組譜。

表型組學(xué)（Phenomics），是一門對植物基因組在不同（控制與非控制）環(huán)境條件和栽培措施下，完整采集并系統(tǒng)分析表型特征及其形成與控制的學(xué)科。其旨在從組學(xué)高度系統(tǒng)深入地挖掘“基因型-表型-環(huán)境”內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以揭示作物多尺度結(jié)構(gòu)和功能特征對遺傳信息和環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制。

通俗地講，表型是指觀測到的生命體性狀和特征；同一基因型響應(yīng)不同生態(tài)環(huán)境，以及不同基因型響應(yīng)同一生態(tài)環(huán)境而形成的表型千差萬別。具體地說就是農(nóng)作物能長多高，能適應(yīng)什么環(huán)境，可以提前知曉。而作物表型研究，是一個(gè)多學(xué)科、多技術(shù)領(lǐng)域深度交叉的新領(lǐng)域，涵蓋非標(biāo)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制、智能生產(chǎn)制造、功能測試、軟件開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)分析、人工智能應(yīng)用等領(lǐng)域，而作物表型全鏈條閉環(huán)檢測裝備研發(fā)，是深度揭示作物基因與環(huán)境互作規(guī)律的關(guān)鍵。

在南京國家農(nóng)高區(qū)，南京慧瞳作物表型組學(xué)研究院（以下簡稱“慧瞳研究院”）即是專門分析作物在各種環(huán)境中反應(yīng)的作物表型組學(xué)研究單位。前不久，這里剛剛監(jiān)測完大豆的株高、葉片面積和葉片綠色程度。就像給作物做“B超”，慧瞳研究中心在田頭搭建了田間作物移動(dòng)表型艙，通過機(jī)器視覺、圖像識別、深度學(xué)習(xí)等方法，監(jiān)測作物全生命周期數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)積累到一定程度，就可篩選出高產(chǎn)品種，并用大數(shù)據(jù)分析、提取作物形狀，挖掘作物的高產(chǎn)基因。

站在作物表型技術(shù)裝備前沿

慧瞳研究院是專注于設(shè)備研發(fā)、數(shù)據(jù)分析與技術(shù)支撐的新型智能農(nóng)業(yè)科技研究院，2019年由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物表型組學(xué)領(lǐng)域核心團(tuán)隊(duì)創(chuàng)辦。該研究院定位于引領(lǐng)和打造作物表型組學(xué)領(lǐng)域的前沿創(chuàng)新技術(shù)，依托作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部小麥區(qū)域技術(shù)創(chuàng)新中心兩個(gè)國家級科研平臺，運(yùn)用人工智能等核心技術(shù)，進(jìn)行表型研究和農(nóng)業(yè)智能裝備研發(fā)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)支持。

慧瞳研究院聚集了國家杰出青年、科技部中青年科技領(lǐng)軍人才、萬人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、南京高層次創(chuàng)業(yè)人才等領(lǐng)域精英，組建了一支由相關(guān)學(xué)科專家、軟件開發(fā)工程師、嵌入式開發(fā)工程師、機(jī)械設(shè)計(jì)師、電氣工程師、裝配工程師、專利工程師等組成的高素質(zhì)專職研發(fā)團(tuán)隊(duì)，先后圍繞作物表型組學(xué)在自動(dòng)化設(shè)備、人工智能系統(tǒng)、軟件開發(fā)、生物科技等領(lǐng)域的應(yīng)用，為相關(guān)科研單位、育種企業(yè)提供精準(zhǔn)高效產(chǎn)品、解決方案與服務(wù)，并承接表型組學(xué)相關(guān)的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，與高新技術(shù)伙伴開放合作，持續(xù)為客戶創(chuàng)造價(jià)值，服務(wù)現(xiàn)代生物種業(yè)。

迄今，慧瞳研究院圍繞植物表型組學(xué)研究，研發(fā)了一系列相關(guān)表型裝置，致力于實(shí)現(xiàn)從種子和物料倉儲(chǔ)、播種、裝配、填土、灌溉和成像等一系列環(huán)節(jié)的全自動(dòng)化無人化運(yùn)行，結(jié)合自主研發(fā)的配套控制軟件（表型工廠管理與控制軟件）、項(xiàng)目管理軟件、ERP軟件、作物表型分析軟件等，力圖為科研人員提供表型檢測的一站式科研外包服務(wù)。

自2019年5月成立以來，簽訂合同科研14項(xiàng)，科研合同金額288.42萬元，實(shí)現(xiàn)合同科研到賬收入151.82萬元，在研在孵項(xiàng)目14個(gè)。累計(jì)孵化引進(jìn)企業(yè)4家，其中孵化企業(yè)4家。2020年申請PCT、發(fā)明專利、實(shí)用新型專利等共98項(xiàng)，獲授權(quán)實(shí)用新型專利29項(xiàng)，軟件著作權(quán)6項(xiàng)。

創(chuàng)新特色智能裝置研發(fā)模式

在作物表型智能裝置研發(fā)方面，慧瞳研究院正在構(gòu)建一系列國際領(lǐng)先的表型檢測裝置與配套輔助裝置。側(cè)吊式扁根盒自動(dòng)化閉環(huán)成像環(huán)線裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)單套16個(gè)/分鐘的成像通量，同時(shí)解決根系栽培時(shí)的遮光與成像對光照環(huán)境要求的矛盾問題，能夠?qū)崿F(xiàn)栽培與成像的高標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境模擬，徹底解決國際上在該領(lǐng)域長期遺留的問題，領(lǐng)先于國際知名研究機(jī)構(gòu)德國尤利希研究所的根系檢測裝置GrowScreen-Rhizo系統(tǒng)，為國際根系研究領(lǐng)域創(chuàng)新了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化成像樣板。推拉式扁根盒自動(dòng)化成像單機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)扁根盒的原位成像，為實(shí)現(xiàn)立體表型艙內(nèi)的多工位實(shí)時(shí)根系成像建立了基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)大量作物根系的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測，目前國際上未見類似模式的成像方法，而研究院也為自身開創(chuàng)了一個(gè)新的栽培與實(shí)時(shí)原位根系成像模式?；诟叩碗p筒圓根盒的根系自動(dòng)化并行成像工作站，不僅栽培容器創(chuàng)新，成像模式和成像并行化也實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)多工位的大量作物根系的實(shí)時(shí)成像，利于并行監(jiān)控根系的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生長，提高監(jiān)測的效率和靈敏度。該栽培容器與成像模式也不同于法國INRA的Rhizotube系統(tǒng)，開創(chuàng)了一種土培式圓容器栽培與成像的新系統(tǒng)。

作物根系檢測與監(jiān)測，不僅需要?jiǎng)?chuàng)新型的栽培容器、考慮遮光與見光的栽培與成像并行的模式，同時(shí)也需要考慮灌溉的實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性和同步性。為此，慧瞳研究院創(chuàng)新性地研發(fā)了基于扁根盒和圓根盒容置框的配套灌溉裝置，不僅實(shí)現(xiàn)了上述需求，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)立體表型艙內(nèi)的實(shí)時(shí)多工位灌溉。該模式灌溉通量和精準(zhǔn)度遠(yuǎn)超國際同行，為同行樹立了一個(gè)全新的灌溉模式。

為了實(shí)現(xiàn)無人化操作與高度空間的充分利用，該研究院自研多種模式作物表型檢測立體庫，實(shí)現(xiàn)栽培容置框、灌溉裝置、成像裝置的搬運(yùn)與定位。目前正在研發(fā)超高通量苗期作物的表型檢測立體庫，在一定場地條件下，可實(shí)現(xiàn)千萬級的日植株檢測通量，為高通量篩選作物優(yōu)質(zhì)種質(zhì)和適應(yīng)特定環(huán)境的作物種質(zhì)提供無人化的平臺。目前正在研發(fā)的基于扁根盒和圓根盒容置框的表型檢測立體庫，可實(shí)現(xiàn)地上部與地下部的同步檢測，實(shí)現(xiàn)十萬級的日檢測通量。上述兩種表型檢測立體庫，其先進(jìn)性、檢測通量、配套輔助裝置，在國際上均為最先進(jìn)模式。

植物表型檢測裝備與配套輔助裝置的研發(fā)成功，將誕生表型工廠。表型工廠的建成可推動(dòng)科學(xué)儀器設(shè)備的定制、科學(xué)實(shí)驗(yàn)服務(wù)的定制與外包，為高?？蒲性核?、良種企業(yè)、政府品種鑒定提供高標(biāo)準(zhǔn)、高速的科研與商業(yè)檢測平臺。表型工廠的整體落地，將成為國內(nèi)第一個(gè)植物表型工廠，為表型工廠的建設(shè)制定標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)國內(nèi)外表型工廠的建設(shè)，也為其他科研院所和國際同行的商業(yè)化定制提供一個(gè)樣本，將成為本企業(yè)可整體輸出的一個(gè)工程典范。表型工廠將起到強(qiáng)有力的人才和企業(yè)集聚作用，將集聚國內(nèi)外該領(lǐng)域的各大科研院所的科學(xué)家、育種企業(yè)的從事者相繼到南京溧水區(qū)的表型工廠進(jìn)行學(xué)術(shù)交流、從事科學(xué)研究、開展品種鑒定和舉辦國際表型會(huì)議。表型工廠所應(yīng)用的技術(shù)勢必帶動(dòng)傳統(tǒng)植物工廠的轉(zhuǎn)型升級，推動(dòng)室內(nèi)外種植和生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級。表型工廠及其相關(guān)技術(shù)集成和研發(fā)，將帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展。