作為一名博士後，植物生物學家克里斯托弗·託普對研究根系發育的常用方法並不滿意：在瓊脂培養皿上種植植物，然後放在平板掃描器上測量根的長度和角度。相反，他會定期將裝在花盆裡、滴著水的植物塞滿汽車，從北卡羅來納州開車 600 多公里到佐治亞州，用物理實驗室的 X 射線機對他的樣本進行 3D 成像。
五年後，使用詳細成像技術研究植物形態和功能的想法已經流行起來。無人機和機器人的使用也在增加，因為研究人員追求“量化植物”——在量化植物中，從根毛的長度到受到脅迫時釋放的揮發性化學物質，幾乎每個角度的每個性狀都經過仔細而精確的測量。這些性狀被稱為生物體的表型，研究人員正在尋找更快、更全面的方法來表徵它。
從 2 月 10 日到 14 日，科學家們將在亞利桑那州圖森市聚集一堂，比較他們的方法。有些人將描述配備高科技攝像頭的無人機在研究地塊上空盤旋；另一些人將討論在田野中緩慢行進、攜帶裝置記錄每株植物生長的機器人。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
希望這些努力將加速植物育種和基礎研究，揭示植物生理學的新方面，這些方面可以決定植物是否能在田間茁壯成長。“表型是無限的，”託普說，他現在在密蘇里州聖路易斯的唐納德·丹forth植物科學中心工作。“我們能做的最好的事情就是捕捉它的一個方面——我們想要捕捉我們能捕捉到的最全面的方面。”
DNA 測序成本的暴跌使得尋找基因變得容易得多，但德國於利希研究中心的植物生物學家烏爾裡希·舒爾說，弄清楚它們的作用仍然是一個挑戰。“現在很容易對大量東西進行測序，”他說。“但結構和功能分析的發展速度與植物分析的發展速度不同步。”
植物育種者也在超越他們過去關注的性狀——例如產量和株高——尋找更快的方法來改良作物。“這些性狀很有用，但還不夠，”智利塔爾卡大學的生態生理學家古斯塔沃·洛博斯說。“為了應對氣候變化和糧食安全，一些育種者希望效率更高。”例如，旨在提高耐旱性的研究人員可能會關注植物根系的詳細特徵，或葉片的排列。
對速度的需求
這些研究人員的需求催生了越來越多的表型分析設施和專案。2015 年，美國能源部宣佈了一項 3400 萬美元的專案，旨在開發表徵高粱（一種生物燃料作物）所需的機器人、感測器和方法。去年，歐盟啟動了一個專案，旨在建立一個泛歐表型分析設施網路。隨著植物研究人員試圖標準化方法和資料分析，學術網路在全球範圍內湧現。
阿肯色大學費耶特維爾分校研究植物與昆蟲相互作用的菲奧娜·戈金說，大規模表型分析長期以來一直用於工業，但對於學術研究人員來說太昂貴了。她說，現在，相機和無人機的價格下降，以及專注於自制裝置的“創客”運動的興起，正在吸引更多的學者進入該領域。
在華盛頓州立大學普爾曼分校，生物工程師辛杜賈·桑卡蘭的實驗室正準備部署攜帶雷射雷達（雷射雷達是雷達的雷射等效物）的無人機。該系統將掃描農田，以收集有關株高以及葉片和枝條密度的資料。桑卡蘭還使用感測器來測量植物釋放的揮發性化學物質，尤其是在它們受到昆蟲或疾病侵襲時。她希望最終將感測器安裝在機器人上。
桑卡蘭的機械僕從從他們的田間季節帶回了數百 GB 的原始資料，分析結果讓她的團隊一年中的大部分時間都專注於計算機，她說。威斯康星大學麥迪遜分校的植物生物學家埃德加·斯波爾丁說，許多研究人員沒有意識到挑選成堆的此類資料所需的精力和計算能力。“表型分析界已經匆忙收集資料，而計算只是事後才想到的。”
明尼蘇達大學聖保羅分校的遺傳學家內森·斯普林格說，技術標準化是另一個障礙。缺乏每個人都可以使用的裝置意味著一些研究人員不得不依賴較慢的資料收集方法。斯普林格一直在與 45 個研究小組合作，以表徵在美國和加拿大 20 個不同環境中種植的 1000 個玉米品種。他說，該專案主要依賴於手工測量，而不是無人機和機器人。
託普現在有了自己的機器來收集計算機斷層掃描 (CT) 影像，但處理樣本對他來說仍然有點慢。他尊敬地談到英國諾丁漢大學的一個設施，該設施透過使用機器人將植物送入 CT 機來加快掃描速度。但他很高興自己不必再拖著溼漉漉的貨物跨越三個州來進行測量。“可能性是無窮無盡的。”
本文經許可轉載，並於2017 年 1 月 25 日首次發表。