三维扫描用于黑麦高通量表型分析,大大缩短作物选种周期

3D打印资讯
2022
11/23
11:54
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项目背景


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2022年11月15日,世界人口正式达到80亿。由于预期寿命和育龄人口增加,联合国预计到2030年全球人口将增长至85亿左右,2050年达到97亿,21世纪80年代达到约104亿的峰值,并保持这个水平到2100年。

世界人口总量不断增长,全球性的粮食危机已在酝酿之中。各国都面临着日益严峻的粮食安全挑战——如何在越来越小的耕地面积上获得更大的粮食产量?如何在干旱、洪水、瘟疫和病虫害的层层围剿之下,尽可能保持农作物产量稳定?

科学技术是第一生产力。如果要破解粮食安全挑战,就必须不断发展引入高新技术,走一条农业创新发展之路。

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历史渊源


简而言之,表型分析就是通过观察和分析特定植株,确定植物的可观察性状,并进行预测。自农业诞生一万多年来,我们的祖祖辈辈都是这样做的。

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△荷鲁斯神殿中的古埃及牧师手握小麦,约公元前2世纪

农民会精心挑选性状理想的植株,收集种子,来年继续种植。无数代先人反复进行这种朴素的选育过程,才为今天的我们留下了大量营养好,适应性强的作物品种。目前,人类日常摄入的卡路里约有75%是来自12种主要农作物。因此,重点研究这些作物,就更有可能满足全人类不断增长的粮食需求。

传统表型分析方法要将植株分解,再运回实验室分析。随后,用直尺和游标卡尺对植物复杂的物理性状进行深入研究和测量。但是近年来,农业技术前沿创新领域将“高通量”和“表型”结合起来,形成了更加先进的高通量表型法。这项技术主要是指通过各种无损工具和技术,快速提高植物数据收集和分析的准确性。三维扫描仪就是高通量表型经常会用到的数据采集工具之一。

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高通量表型助力农业增产


美国太空部队少校特拉维斯·塔布斯是一名研究员,他认识到高通量表型具有巨大潜力,能更快、更准确地无损采集植物数据。他在俄勒冈州立大学从事多年生黑麦草的研究,很想找到一种方法,可以精确分析数百个植株,而且,所需时间会比过去少很多。

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△多年生黑麦草图示

多年生黑麦草是最受欢迎、适应性最强的喜凉作物之一,许多国家用它来饲养牲畜。2019年,仅在美国俄勒冈州,就收获了3.6亿磅多年生黑麦,价值超过1.86亿美元。但是,多年生黑麦存在普遍的提前脱粒现象,这意味着黑麦草每年因此减产至少20%。

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△俄勒冈州立大学田野研究实验室的多年生黑麦草

塔布斯说:“为了准确找出哪些黑麦草品系不容易出现提前脱粒,我们需要分析数百个植株的小穗,测定种子的稳固程度以及小穗的高度和长度。如果使用传统的手动测量法,是永远不可能在生长周期短暂的时间窗口内精准测量这么多小穗的。”

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引入三维扫描技术


塔布斯了解了摄影测量和其他类似的快速数据捕获法。他差点打算自制一台三维扫描仪,用于田野研究。当时,他正好访问了Artec3D官方网站,发现了Artec Space Spider。这是一款手持式高精度三维扫描仪,多年来一直备受研究人员青睐。他迅速联系了当地经销商,并安排了现场演示。

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△Artec Space Spider

Artec3D金牌授权经销商Digital Scan 3D公司的里奇曼带着Space Spider扫描仪迅速上门,为塔布斯做了产品演示。他们一起使用Space Spider扫描了若干个黑麦草植株。Space Spider扫描仪精度高达0.05mm,分辨率高达0.1mm,能呈现植株表面的大量细节,用于进一步分析。两人进行了多次尝试,终于发掘出了一种稳定、轻松且可重复的扫描黑麦草的流程。

塔布斯走进田间,找到需要扫描的植株。随后,他在地面上铺好扫描背景。接着,他小心翼翼地将小穗顶部弯折到地面,使用Space Spider扫描仪对其进行扫描。每株植株的扫描时间仅需不到一分钟。

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△Artec Studio中黑麦草麦穗的扫描数据

起初,塔布斯使用的扫描背景是一条紫色的橡胶运动带,因为它又宽又软,可以平放在地上,在扫描过程中保持不动。经过不断尝试,塔布斯发现改用坚硬的黑白木板作背景效果更好。当然如果想偷懒的话,用报纸铺在地上做背景就可以了。

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为您呈现卓越精度


为了验证Space Spider扫描仪的精度,塔布斯拿了一把标尺,用尼康D5000数码单反相机为其拍照,随后使用ImageJ软件处理照片,对每一厘米进行标记。接着,塔布斯又使用Space Spider扫描仪对标尺进行扫描,并做了相同处理。

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△摄影测量精度与Space Spider三维扫描精度对比图

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随后,塔布斯将测量值绘制成图,直观地比较两种方式的精度。从图表上看,两种方法都能准确地测量多年生黑麦草穗。摄影测量的误差为±1.72mm,Space Spider的扫描误差为±0.09mm。扫描仪表现出了高精度和高稳定度。

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Space Spider的独特优势


借助Space Spider扫描仪,塔布斯可以分析1毫米以内的小穗,精确测量所有不规则表面和几何形状,攫取每个小穗上种子团块的结构信息,包括最重要的脱粒区。这些信息对于分析每个植株的独特表型来说非常重要。

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△多年生黑麦草小穗

追求精益求精的塔布斯将三维扫描数据导出至3D Slicer中。这是一个用于图像分析和科学可视化的开源软件,可以对黑麦草麦穗高分辨率模型进行骨骼提取。借助 3D Slicer,塔布斯将每个小穗“切割”成几千片独立的圆形切片。

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△完成骨骼提取后的黑麦草麦穗

做完骨骼提取后,塔布斯再把三维小穗导入ImageJ软件,定位每一块贴片的正中心。

最后,他把每块切片的正中心连接起来,形成一根完整的麦穗。塔布斯表示,“这样一来,研究人员就可以进一步分析穗长、小穗结构、每棵麦穗的小穗数量、小穗在叶轴上的间距、小穗与叶轴的角度、小穗大小等方方面面。”

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育种无止境


一旦确定哪些植株具备理想性状,就会继续进行基因层面的研究,并与其他植株一起繁殖育种。研究人员可以用最短的时间培育出优质黑麦草,以及其他各种各样的作物,包括水稻、大麦、小麦,以及各种水果和蔬菜。这些作物抗虫害、抗干旱能力强,几乎不需要任何农药。

但是,塔布斯表示,“这是一场没有终点的赛跑。因为即使我们培育出更健壮的植物,昆虫也能快速适应。这场战争已经在植物和害虫之间持续了数百万年。我们希望找到有利于植株生存和繁衍的性状,帮它们一把。高通量表型和Artec Space Spider可以帮助我们在这场赛跑中占据领先优势。”

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关于扫描仪的操作是否人性化,塔布斯评论道:“我使用的黑麦草植株捕获技术学起来很方便。有时参加学术会议期间,我也会教别人如何使用Artec Space Spider。在田野工作时,也用到一些不同的技术,我也很乐意和其他研究员分享这些技术。”

塔布斯再次肯定了这项技术,他说:“毫无疑问,利用Space Spider进行的高通量表型符合农业未来的发展趋势。育种者和农民能快速筛选出具备理想性状的植株,应对当前和未来的需求,也就是说,这些植株能抵抗新出现的病虫害,是最适应环境变化的品种。选种速度越快,我们就能更好地应对未来挑战。”




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