Agar Root Phenotyping System – автоматизированная роботизированная платформа, PSI


**Agar Root Phenotyping System** обеспечивает непрерывный, неинвазивный и масштабируемый фенотипический анализ растений, выращиваемых на агаре. Это система, объединяющая передовые робототехнические решения, стерильную подготовку образцов, гибкую настройку среды культивирования и мультимодальное оптическое изображение для детального изучения морфологии корней, экспрессии флуоресцентных белков, метаболических изменений и взаимодействия с микроорганизмами.


Лабораторная автоматизация и робототехника
Photon Systems Instruments

Agar Root Phenotyping System – это полностью автоматизированная роботизированная платформа, предназначенная для массовой (высокопроизводительной) фенотипизации растений, выращиваемых in vitro на агаровых средах. Система оптимизирована под квадратные чашки Петри (разработанные PSI) и способна работать с тысячами чашек при полном объёме загрузки.

Основные возможности и этапы процесса

  1. Подготовка образцов и культивирование

    • Plate Preparation Table обеспечивает полностью автоматизированное заполнение агаром, посев семян (робот «Boxeed») и работу в стерильных условиях (HEPA-фильтрация, UV-C стерилизация).
    • До 1500 стерильных чашек могут быть подготовлены и засеяны без ручного вмешательства.
    • Добавление семян происходит строго в заданное положение на агаре; предварительный контроль годности семян.
  2. Проращивание и рост

    • В «Growth Hotels» растения развиваются на полках, каждая вмещает транспортные кассеты (по 20 чашек).
    • 4 полки × 9 кассет на полку → итого 720 чашек на один модуль.
    • Multi-channel LED освещение (до 500 мкмоль(фотон)·м⁻²·с⁻¹) с настраиваемым спектром и режимами (день/ночь, ramp).
    • Опционная секция для стратификации при +5 °C.
  3. Станции визуализации (Imaging)

    • Корневая и надземная (shoot) фенотипизация: камеры снимают Petri-тарелки с корнями, анализируют морфологию и рост.
    • Флуоресцентные белки (GFP, YFP, RFP, mCherry): специализированная подсветка и фильтры для неразрушающего наблюдения экспрессии белков.
    • Хлорофилл-флуоресценция: измерение кинетики PSII (параметры фотосинтеза).
    • Гиперспектральная флуоресценция (coumarins и т. п.): диапазон 380–900 нм, УФ-возбуждение (365 нм).
    • Полученные изображения анализируются при помощи алгоритмов и CNN (сверточных нейронных сетей) для выделения контуров корней.
  4. Бактериальная инокуляция

    • Система поддерживает стерильное внесение бактериальной суспензии непосредственно на корень.
    • Открывает возможности для автоматического исследования взаимодействий «растение-микроб».
  5. Полная стерильность и манипуляции с ГМО

    • Конструкция включает HEPA-фильтры, УФ-обработку, оптимизирована под работу с ГМО-штаммами растений и бактерий.

Plate Preparation Table (Станция подготовки чашек)

  • Большой резерв (до 1500 чашек Петри)
  • Автоматизированная заливка агара из внешней станции приготовления среды
  • Два робота SCARA + конвейеры обеспечивают все операции без участия оператора
  • Роботизированный посев семян («Boxeed»), распознавание жизнеспособных семян по изображению

Growth Hotels (секции культивирования)

  • 4 полки, на каждой 9 кассет; каждая кассета вмещает 20 чашек → до 720 чашек на один модуль
  • LED-освещение: до 500 мкмоль(фотон)·м⁻²·с⁻¹, несколько каналов, независимое управление
  • Возможность холодового модуля для стратификации при +5 °C
  • Автоматические перемещения робот-манипулятором

Модули визуализации и сенсоры

1. Хлорофилл-флуоресценция и морфометрия (FluorCam)

  • Специализированная установка Flat FluorCam FC 1300/2020 с мульти-экситационной подсветкой и моторизованным 7-позиционным колёсом фильтров
  • Камера (Sony IMX253LQR-Q):
    • МОП-матрица (CMOS), 12,36 Мп (4 112×3 006), глобальный затвор, 12 бит
    • Высокая чувствительность, низкий шум
  • LED-модули:
    • Красно-оранжевая (620 нм), белый (5700K), дальний красный (735 нм) для ChlF
    • Мультицвет (UV 365, R.Blue 450, Blue 470, Cyan 505, Green 530, Amber 590)
    • Морфометрическая белая подсветка
  • Поддержка коротких вспышек для минимального флуоресцентного сигнала (F₀)
  • Saturating light до 6000 мкмоль(фотон)·м⁻²·с⁻¹
  • Доп. каналы для GFP/mCherry и др. флуоресцентных меток

2. VNIR Hyperspectral Imaging

  • Спектральный диапазон: 350–900 нм
  • Ширина полосы: 520 нм (entrance slit 50 мкм)
  • Spatial resolution: 500 пикселей, spectral resolution ~480
  • CMOS-камера: 1920×1000, 12 бит, 5.86 мкм пиксель
  • Режим UV-возбуждения (365 нм) для флуоресцентных сигналов (например, кумарины)
  • Отдельный белый свет для пропускания (контур корня)

Роботизированная рука и общий рабочий процесс

  1. Стерильная подготовка чашек (наливаем агар, засеваем семена).
  2. Стратификация при +5 °C (если нужно).
  3. Рост в Growth Hotels под заданным светом.
  4. Переход на станции визуализации (корневая/побеговая морфология, ChlF, гиперспектральная флуоресценция).
  5. Опциональное внесение бактерий на корень (sterile application station).
  6. Возврат чашек в Growth Hotels или выброс (после завершения эксперимента).

Программное обеспечение

  1. Управление всеми подсистемами (роботы, инкубаторы, станции визуализации, дозаторы).
  2. Графический интерфейс: расписание (calendar), настройка протоколов, рандомизация, мониторинг реального времени.
  3. SQL-база для хранения изображений и параметров (сырые + обработанные).
  4. PlantScreen™ Data Analyser: интерактивное браузинг данных, группировка, экспорт, пользовательская дообработка.
  5. Машинное обучение (CNN) для выделения корней, оценки длины, толщины, ответов на обработку.
  6. REST API для интеграции пользовательских анализов внешними алгоритмами.
  7. Уведомления (SMS, e-mail), 24/7 online support.

Преимущества

  1. Полная автономность: от момента заливки агара и посева семян до культивирования и скрининга.
  2. Ориентация на стерильность: HEPA-фильтрация, UV-C, без участия человека.
  3. Высокая пропускная способность: тысячи чашек Петри, ведение нескольких экспериментов параллельно.
  4. Мощные методы фенотипирования: морфология корней (в т.ч. fluorescent proteins), хлорофилльная флуоресценция, гиперспектр и т. д.
  5. Уникальная бактериальная инокуляция: автоматическая подача на корни при соблюдении стерильности.
  6. Гибкость конфигурации: масштабируемое хранение, различные типы датчиков, пользовательские протоколы.

Сферы применения

  • Физиология корней: анализ роста, развития и ответов на стресс (соль, засуха и пр.).
  • Взаимодействие растение-микроб: исследование биопрепаратов, ассоциативных бактерий.
  • Трансформация, GFP-маркирование: мониторинг экспрессии трансгенов, мутантные линии.
  • Селекция новых линий, устойчивых к болезням, стрессам, с усовершенствованной корневой архитектурой.
  • Фундаментальные исследования: метаболизм, фотосинтез, сигнальные пути на уровне корней и побегов.

Заключение

Agar Root Phenotyping System обеспечивает непрерывный, неинвазивный и масштабируемый фенотипический анализ растений, выращиваемых на агаре. Это система, объединяющая передовые робототехнические решения, стерильную подготовку образцов, гибкую настройку среды культивирования и мультимодальное оптическое изображение для детального изучения морфологии корней, экспрессии флуоресцентных белков, метаболических изменений и взаимодействия с микроорганизмами. Возможность адаптации под специфические требования исследования делает Agar Root Phenotyping System незаменимым инструментом в современной фитобиологии, биотехнологии и селекции.