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【精準育種里程碑01】國家植物表型體分析中心試營運 將供產學研使用 預計5年後數位育種平臺誕生
- 作者簡介農傳媒
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- 作者游昇俯
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【精準育種里程碑01】國家植物表型體分析中心試營運 將供產學研使用 預計5年後數位育種平臺誕生
農業部斥資1億3,900萬元建置「國家植物表型體分析系統」，由農業試驗所主責，包括智慧環控溫室及戶外田間栽培系統，是全東南亞第一套，可連續性、非破壞性蒐集多種植物資料及環境參數；未來利用性狀資料大數據分析，將可加速因應氣候變遷的作物耐逆境育種研究，進一步作育種設計（crop design）。
「植物表型體」也就是植物的外表型態，是由基因、環境因素及兩者間動態交互作用決定。農試所表示，表型體分析系統將開放產學各界使用，目標5年後結合基因體選種育種策略等技術，建立重要作物耐候數位育種平臺。
引進德國、荷蘭最先進設備 加快國內育種研究
「國家植物表型體分析中心」自110年規劃設計、111年動土開工，至今年5月已完成驗收、開始試營運。農試所所長林學詩表示，國內包括中央研究院、臺灣大學、亞蔬中心都有小型表型體系統，農試所建置國家級表型體分析中心，自採用全世界最先進設備，是全東南亞第一套，未來不會只供農試所獨享，將開放給學界、研究單位及民間業者三方人士使用。
傳統育種需要透過調查植物外表型態，才能了解是否具有耐熱、耐旱等性狀特徵，稱作表型體（Phenomics）研究；但國內以基因體（Genomics）研究相對進步，表型體研究卻進展緩慢。傳統育種外表型調查仰賴人工，要獲得光合作用速率、蔗糖轉化率等植物生理數據，還得破壞植物植株萃取分析，育種工作動輒8年、10年，但透過多種掃描器輔助的表型體分析，可以連續性、非破壞性收集多維度的性狀影像數據，進行生理及微觀分析，加速表型體研究，縮短育種時程。
表型體分析中心設備包括自德國引進，可全自動栽培、進行光學及雷射影像分析的智慧環控溫室自動化輸送帶表型體分析系統；以及自荷蘭引進的戶外天車型表型體分析系統，搭載雙鏡頭雷射多光譜掃描器，可同時栽培5千植株，收集植株生物量、葉面積及光譜參數等19種性狀資料。
邁向「數位育種」 預計結合基因體、表型體資料庫
農試所遺傳資源及生物技術組聘用副研究員林大鈞表示，未來除了由農試所遺傳生技組組成設施管理團隊，農試所跨領域專家組成研究執行團隊，也將由農試所所長召集成立「國家植物表型體分析系統管理委員會」；國家植物表型體分析中心預期可開放作耐候種原篩選、品種選育，作物調適栽培技術開發等應用，將由管理委員會規劃服務項目及用途。
國家植物表型體分析中心建置完成後，第二期計畫113年至115年將成立專責管理團隊，估算試營運成本、啟動營運，規劃建立包含深度表型體分析、耐候表型體分析技術的次世代自動化表型體分析平臺；116至118年完成次世代自動化表型體分析平臺，應用於數位育種，並結合基因體選種育種策略等技術，建立重要作物耐候數位育種平臺。
林大鈞說，國家植物表型體分析系統會產出表型體、影像及環境因子紀錄3種資料庫數據，國家植物表型體分析中心未來將思考跨單位合作，討論數據資料標準化可能性，或與使用不同系統的單位如亞蔬中心，進一步評估耐旱特性等育種選拔指標；建立龐大的泛體學（基因體、表型體）資料庫數據儲存、共享機制；而且，因「育種家的育種是門藝術」，現有商用軟體可能不敷育種需求使用，也需要開發新的表型體分析技術。
戶外建立作物生長模式 推導耐逆境、抗病蟲害指標
農試所建置國家植物表型體分析中心由建置德國LemnaTec PhenoAIxpert HT系統的智慧環控溫室、戶外架設天車型的荷蘭Phenospex FieldScan系統，以及中控室建築3部分組成，全區占地約0.78公頃。國家植物表型體分析中心的建置開啟自動化表型體分析時代，未來擬開放給農業部各試驗場試所，公部門及大專院校的學研單位，以及民間生技公司、種苗業者使用。
建置戶外田間的荷蘭表型體分析系統場域長70公尺、寬20公尺，掃描面積約1.3分地，搭載PlantEye F600雷射多光譜掃描器，可進行RGB三原色、近紅外線（NIR）及3D雷射掃描，收集12種植株型態參數及7種光譜參數，共19種性狀參數。
農試所助理研究員李承彬表示，設置戶外天車型表型體系統是亞熱帶、熱帶國家特色，因臺灣位處亞熱帶環境，可終年連續耕作，天車型系統就可連續掃描，只要搭配系統場域旁架設氣象站所收集的溫度、溼度、風向、風速、雨量、光照等參數，就能建立作物生長模式，進行多期作、連作的大數據資料分析。
李承彬指出，以往調查植株生物量要整株砍下來，表型體分析可以透過3D掃描計算出體積、葉面積，進而推算出植物葉片角度、計算光擷取效能等；作物的耐逆境性能不容易從肉眼可見外表型態觀察獲知，若能結合RGB、NIR等監測數據，包括色調、飽和度、亮度等差異，未來可推導建立出植生參數，作為耐逆境、抗病蟲害的育種選拔指標。
環控溫室讓植株均勻一致 影像分析軟體便利操作
設置自動化輸送帶式表型體分析系統的智慧環控溫室，為了鋪設輸送帶軌道，室內空間不設任何一根柱子，正中午沒有一處陰影，但還能抗地震、颱風等天災，並且為了節能而挑高設計，溫室梯形建築最低7.9公尺、最高9公尺。林大鈞說，屋頂鋪設散射膜，靠內外遮陰、循環善及自動天窗、噴霧系統降溫，當5月份戶外達35、36℃時，自然換氣仍能讓室內溫度維持30℃。
環控溫室分前面的軌道式栽培區及後面放置照相箱的倉庫區，栽培區可放置200盆盆栽，全自動電腦控制水分及養液澆灌，還有「一鍵重排」功能，所有盆栽位置可輪替，讓植株栽培條件趨於均勻一致；倉庫區的照相箱配置光學及雷射感測器照相系統，可取得植株360度影像。
林大鈞指出，表型體影像分析軟體採用視窗版，方便育種家操作，性狀特徵擷取模組化，育種家不必另學程式語言；以往寫程式的人不知道育種家對影像去背的需求，但這套軟體做任何影像處理，育種家都可以直接在電腦上看到處理效果，並在特徵擷取後直接做計算分析。