我國自動化作物外表型分析平台的新里程碑-農業試驗所國家植物表型體分析中心.pdf - 農業知識入口網

生物技術
我國自動化作物 我
國
自
動
外表型分析平台的新里程碑
化
作
物
外
-農業試驗所國家植物表型體分析中心
表
型
分
農試所生技組 林大鈞李承彬林思妤游舜期杜元凱楊佐琦

析
平
一、前言 台
的
預估至 年間，全球人口可能增加至超過 億人。因此，「如何餵飽全世
2100 130 新
界」，已是目前農業相關科學領域所面臨的嚴峻挑戰。同時，因全球氣候變遷的影 里
程
響，多數作物的生產，除了面臨著水及營養源的匱乏外，熱帶及亞熱帶區域的耕地 碑
︱
面積，預估也將會減少至目前可耕地面積的 。尤其是日益嚴重乾旱及耕地鹽化問
21%
農
題，可能導致可耕地區域損失高達50%的面積。此外，在現行淨零排放的全球新商業 業
試
模式趨勢下，如何育成高氮素利用率及抗病、蟲害品種，以降低肥料、農藥及能源使
驗
用，進而降低溫室氣體排放，已是重要的育種課題之一。因此，如何加速新型氣候適 所
國
應及淨零排放需要的作物品種育種，進而滿足糧食、生質能源、纖維或其它工業的需
家
植
求，已是這一波新農業產業鏈綠色革命的重要議題。
物
目前作物種原篩選或是育種過程中，所慣用的作物外表型分析方法，因需勞力 表
型
密集調查、不客觀且常為破壞性之取樣，導致無法取得精準的分析結果。因此，如何
體
改善取得精準、全面性且具再現性之作物外表型數據，已成為作物種原篩選、育種， 分
析
甚至是植物學、功能性基因體等研究領域的主要課題。爰此，在作物外表型分析研究
中
的發展過程，現已從早期只針對作物幾個重要目標性狀的外表型分析，發展至可系統 心
性針對細胞、組織、器官，甚至到全株植物的外觀、生理、產量或品質等全面性的特
性，取得外表型分析結果，即所謂的表型體學 。然而，在特
(phenomics) (Soule, 1967)
定農業系統，作物表型體是受基因體、環境及栽培管理等複雜交互作用下所的表現結
果 ，更是作物種原篩選或育種成敗的決定因素。尤其，作物的重要
(Houle et al., 2010)
性狀，如抗蟲、抗病、產量或品質等，多由數量遺傳所調控，其參與之相關基因群的
作 者：林大鈞聘用副研究員
連絡電話：04-23317353
－農業試驗所技術服務季刊．2022年6月．130期－ 15生物技術
我 表現，常受各種環境因子所影響。近年 二、國家植物表型體分析中心
國
自 來，由於次世代定序技術的發展，大幅 建置緣由及規劃
動
加速功能性基因體研究的進展，促使許 為了有效取得高通量、精準的植
化
作 多重要作物性狀的基因被探勘發現。然 物外表型分析結果，許多國際植物學家
物
而，現有傳統外表型分析方法仍具有下 開始廣泛應用自動化非侵入式、破壞性
外
表 列缺點：(1) 完全依賴人力、耗時費力； 的外表型分析方法。近來國際研究社
型
分 (2) 調查數據不客觀，易受人為及環境影 群已發展出各種表型體分析平台，其中
析 響；(3) 環境因子難以控制；(4) 多仰賴 以瑞典 (Crop Design, LemnaTech)、澳洲
平
台 長期的經驗，不易標準化，導致重要的 (Australian Plant Phenomics Facility, APPF-
的
育種計畫容易遭遇斷層而停頓； 為基
新 (5) CSIRO, Australian National University
里 因定位與育種選拔的瓶頸 (圖一)。儘管 及University of Adelaide)、英國(UK
程
碑 學界已投入了大量的研究工作，但在縮 Plant Phenomics)、法國(PHENOARCH,
︱ 小基因體資訊與複雜性狀外表型間的知
，及跨國農業生技公司，如
INRA)
農
識缺口上，作物外表型分析的精準性，
業 Syngenta公司，所建置的平台最為進步。
試 仍是關鍵的挑戰。舉例而言，學界在作
這些自動化非侵入式、破壞性的植物表
驗
所 物耐旱育種的努力，儘管已在全球進行 型體分析平台，具備以下特性： 完全
(1)
國
了 年的研究，但上述的知識差距，仍
20 環境控制，結合多種感測器，非破壞性
家
植 尚未得到有效的解決。 定株調查收集資料； 可在全生育期，
(2)
物
表
型
體
分
析
中
心
圖一、現行作物育種及基因體學相關研究所遭遇之重要瓶頸。
16 －農業試驗所技術服務季刊．2022年6月．130期－生物技術
連續且即時收集數據； 可收集多維度 性外表型分析方法 ； 植 我
(3) (Li et al., 2014) (4)
國
的性狀數據，涵蓋生理至外觀；(4) 收集 物影像分析軟體：影像分析完整流程包 自
動
數據客觀、完整且再現性高。此外，國 含偵測器、前處理、分割過程、特徵萃
化
際目前所建立的自動化植物表型體分析 取及機器學習演算法等步驟(圖二)。 作
物
設施，依規模可概括區分為：實驗室、 農業試驗所在行政院的支持下，為
外
溫室及田間三個層級，而建置內容則包 因應氣候變遷的育種需求，於 年 表
110-113
型
含： 智慧環境控制或紀錄的場域：意 建置首座整合型的植物表型體分析中
(1) 分
析
即可控制環境的生長箱或溫室，抑或在 心，將包含智慧環控溫室及田間等級的
平
具備記錄環境條件下的空間、溫室或 表型體影像掃描設施，涵蓋目前最先進 台
的
是田間； 自動化載具：現有的系統包 的影像分析軟硬體，供農業研究學群、
(2) 新
含輸送帶、天車、自走式機器人 農業生技或種苗產業業者可進行精準表 里
(robotic
程
、無人機 或衛星等載具； 型體研究的典範場域。此中心也將進一
vector) (UAV) 碑
多維度感測器系統：現行最常被應 步結合次世代基因型技術，進一步打造 ︱
(3)
農
用的感測器有RGB影像、多光譜或高光 智慧快速精準耐候栽培及育種平台。 業
試
譜、熱影像、螢光、雷射及斷層掃瞄等 此中心預計建置一座智慧、節能、
驗
影像技術，皆具有高解析影像偵測及分 穩定的環控溫室，內含自動化輸送帶式 所

國
析的潛力，進而得以建立多維度非侵入 表型體分析系統，可將
(conveyor vector) 家
植
物
表
型
體
分
析
中
心
圖二、自動化植物表型體分析平台。
－農業試驗所技術服務季刊．2022年6月．130期－ 17生物技術
我 植物自動輸送至光學、雷射等影像分析 物結構與功能研究； 作物模式
(3) (crop
國
自 室，進行生物量等高通量的作物表型體 model) 的研究；(4) 植物、病原菌、益生
動
分析研究，同時具備自動化澆水滴灌系 菌或害蟲間交互作用的探討； 植物逆
(5)
化
作 統，可標準化作物的栽培管理。後續規 境生理反應及其可能分子機制的分析探
物
劃再增建近遠紅外光、螢光及高光譜偵 討； 種原篩選及品種選育； 建立
外 (6) (7)
表 測器，以應用於植物生理表型體研究。 快速精準栽培及育種平台； 開發作物
(8)
型
另一方面，同時於前述溫室的鄰近田 的調適栽培技術。
分
析
區，引進自動化天車式 表
(gantry vector)
平 三、自動化植物表型分析平台
台 型體分析系統，搭載四色雷射光感測器
的發展及精準育種的應用
的
系統，可自動收集田間作物
新 (PlantEye) 10
自動化植物表型體分析平台的成
里 種以上的生理參數。另於相關田區設置
程 功建立，將可提供植物學家或育種家
微型氣象站，可自動記錄作物栽培期間
碑
得以更詳細地了解基因體、環境及栽
︱ 的氣象資料，供後續相關表型體分析研
農 培管理之間的相互作用外，這種跨學科
業 究的配合應用 (圖三)。
的表型體分析平台，更可開闢育種者全
試
該中心未來希望能夠提供大型先進
驗 新的視角，透過永續農業「設計育種」

所 的表型體設施場域，供進行： 植物
(1)
國 (breeding by design) 策略，以更有效率、
表型體分析與技術平台的開發； 植
家 (2)
精準的篩選過程，育成更適應未來氣候
植
物 變遷、特定
表
土壤情況，
型
體 或具備更佳
分
析 雜草、病害、
中
昆蟲的抗性，
心
並能夠被改
進水份、營
養或太陽能
利用的能力。
此外，這些
平台亦可應
用在精準農
業
(precision
，
agriculture)
並促使植物
圖三、國家植物表型體分析中心表型體分析設施之規畫。
18 －農業試驗所技術服務季刊．2022年6月．130期－生物技術
學家、育種者與農民間建立更密切的 得以共享重要作物於不同區域的表型體 我
國
結合與互動，進而發展新品種的優化利 資料庫。同時，冀能進一步整合國內學 自
動
用。這些分析平台設施與表型體分析技 研單位已建立的重要作物之基因體、轉
化
術的發展，確可促進農業的第二次綠色 錄體、蛋白質體、代謝體或表觀遺傳學 作
物
革命，以迎接 世紀的農業挑戰，進而 等資料庫，快速探勘氣候變遷、淨零等
21 外
滿足全球未來的糧食需求。 相關的性狀參與基因，進而建立作物設 表

型
如同前述，各國農業研究單位乃至 計基礎之快速精準育種平台，加速國內
分
析
於大型國際種子公司，現已紛紛投入分 種苗產業於耐候、淨零等相關議題的育
平
析表型體之各種軟硬體設施的建置。 種速度及廣度，進而強化未來產業在因 台
的
雖然，國內已有投入許多生理性狀偵測 應氣候變遷的調適能力。
新
器的開發廠商，亦有影像擷取、儲存及 里
五、參考文獻 程
分析系統的研究者與開發商。但整體而
碑
言，仍缺乏整合且大型的分析系統平 S., Huang, Y.S., Vilhjalmsson, B.J., Willems, ︱
農
G., Horton, M., Li, Y., Meng, D., Platt,
台。究其原因，農業作物表型體分析平 業
A., Tarone, A.M., Hu, T.T., et al. (2010). 試
台所需投入的資源極多、規模龐大，有
驗
Genomewide association study of 107
別於ㄧ般學術性研究。在臺灣要發展這 所
國
phenotypes in Arabidopsis thaliana inbred
種投入資金龐大、高階人才需求眾多的
家
新興科技，只能以國家級計畫方式，整 lines. Nature 465, 627-631. 植
物
Houle, D., Govindaraju, D.R., and Omholt,
合不同的領域團隊，方有可能達成。 表
S. (2010). Phenomics: the next challenge. 型
四、結論 體
Nature reviews. Genetics 11, 855-866.
分
農業試驗所於行政院氣候變遷中 10.1038/nrg2897. 析
中
長程公共建設計畫，已著手建構國家植
Soule, M. (1967). Phenetics of Natural 心
物表型體分析中心。未來將串聯國內重
Populations I. Phenetic Relationships of
要表型體研究團隊，如中央研究院、台
Insular Populations of the Side-Blotched
灣大學、農業科學研究院、中興大學、
Lizard. Evolution; international journal of
世界蔬菜中心等，形成重要研究策略聯
organic evolution 21, 584-591. 10.1111/
盟，於各單位場域建置各自特色的表型
j.1558-5646.1967.tb03413.x.
體分析核心設施，進而得以彼此共享表
Tuberosa, R., Turner, N.C., and Cakir, M.
型體分析技術開發經驗、設施，後續可
(2014). Two decades of InterDrought
共同建立擴大、穩定及可信的表型體分
conferences: are we bridging the
析平台。最終，希望能與國際表型體研
genotype-to-phenotype gap? Journal of
究中心形成跨國表型體研究策略聯盟，
Experimental Botany 65, 6137-6139.
－農業試驗所技術服務季刊．2022年6月．130期－ 19