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
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.
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.
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.
Бактериальная инокуляция
- Система поддерживает стерильное внесение бактериальной суспензии непосредственно на корень.
- Открывает возможности для автоматического исследования взаимодействий «растение-микроб».
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
- Стерильная подготовка чашек (наливаем агар, засеваем семена).
- Стратификация при +5 °C (если нужно).
- Рост в Growth Hotels под заданным светом.
- Переход на станции визуализации (корневая/побеговая морфология, ChlF, гиперспектральная флуоресценция).
- Опциональное внесение бактерий на корень (sterile application station).
- Возврат чашек в Growth Hotels или выброс (после завершения эксперимента).
Программное обеспечение
- Управление всеми подсистемами (роботы, инкубаторы, станции визуализации, дозаторы).
- Графический интерфейс: расписание (calendar), настройка протоколов, рандомизация, мониторинг реального времени.
- SQL-база для хранения изображений и параметров (сырые + обработанные).
- PlantScreen™ Data Analyser: интерактивное браузинг данных, группировка, экспорт, пользовательская дообработка.
- Машинное обучение (CNN) для выделения корней, оценки длины, толщины, ответов на обработку.
- REST API для интеграции пользовательских анализов внешними алгоритмами.
- Уведомления (SMS, e-mail), 24/7 online support.
Преимущества
- Полная автономность: от момента заливки агара и посева семян до культивирования и скрининга.
- Ориентация на стерильность: HEPA-фильтрация, UV-C, без участия человека.
- Высокая пропускная способность: тысячи чашек Петри, ведение нескольких экспериментов параллельно.
- Мощные методы фенотипирования: морфология корней (в т.ч. fluorescent proteins), хлорофилльная флуоресценция, гиперспектр и т. д.
- Уникальная бактериальная инокуляция: автоматическая подача на корни при соблюдении стерильности.
- 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.