棉花表型技术研究进展

棉花是重要的纺织原料,表型技术的应用对棉花智慧栽培管理和数字化育种具有重要意义。随着农业监测传感器及表型平台的发展,棉花表型技术研究进入重要阶段。概述了棉花的表型构成和主要表型指标;从图像类表型平台、点云类表型平台2个方面综述了棉花表型获取相关传感器及高通量系统平台的发展现状,总结其适用场景、通量、效率及精度;详细综述了棉花多源表型数据处理技术体系,包括图像、三维建模、机器学习、深度学习以及表型大数据建模等技术方法;总结讨论了当前表型技术在棉花精准栽培管理和数字育种方面的应用进展;展望了棉花表型技术的未来发展趋势。     

作物根系表型鉴定评价方法的现状与展望

根系是作物固定植株并吸收土壤水分和养分的主要器官,其表型特征直接影响作物的生产力和适应性。优化根系表型被认为是实现第二次“绿色革命”的重要途径之一。然而,根系的隐匿性、复杂性和可塑性极大地制约着根系表型鉴定效率,导致根系优化进程远远滞后于地上部器官。随着光谱成像、机器学习和三维重建等新技术的快速发展,根系表型鉴定方法逐渐由传统取样观测向原位、无损、自动化检测转变,评价依据由二维形态指标向立体构型参数拓展,促进了根系表型鉴定效率大幅提升,根系表型数据快速增长。与此同时,海量数据也带来了信息冗余及利用率低等问题,对根系表型研究提出了规范化和共享化的时代新要求。本文概述了现行主要根系表型鉴定方法的原理和技术要点,从精准度、通量和成本等方面对不同方法进行系统比较,并从使用许可、运行平台和分析方式等方面对常用根系表型量化软件进行归纳总结;进一步提出今后重点研究方向,即开发高效的田间根系表型鉴定方法,建立根系可塑性鉴定评价技术体系,加强根系解剖结构的鉴定和利用,强化分子检测技术在根系表型鉴定中的应用,推进根系表型鉴定技术规范化和数据信息共享化,以期为合理选用和改进作物根系表型鉴定评价方法提供参考,促进作物根系改良。     

植株自旋转多视角重建技术在小麦植株三维表型获取中的应用评估

基于多视角重建技术的作物三维表型高通量获取系统成本低、获取效率高，引起越来越多的关注。植物自旋转式拍摄平台易于搭建，但植物旋转过程中产生的抖动对点云三维重建和表型解析精度有一定影响。为评估旋转式多视角成像在小麦植株三维表型解析中的适用性，基于植物旋转设计了便携式小麦植株三维表型高通量采集系统，选取穗期不同品种的小麦植株作为实验样本进行点云重建，基于Hausdorff距离评价了重建点云的精度误差；并基于人工测量数据，对所提取的表型指标精度进行评价。结果表明，植物旋转式重建的点云与相机旋转式重建的点云有较高的一致性，点云精度差距基本控制在0.4 cm以下；获取的叶长、叶宽和株高的均根方误差分别为0.79、0.13和0.53 cm，平均绝对百分比误差分别为3.26%、7.63%和0.74%，表明该方式适合穗期的小麦植株表型重建，具有较高的点云重建和表型提取精度，并为小麦植株表型评价提供了一种低成本的解决方案。     

基于16S rDNA高通量测序技术研究转基因作物对根际细菌群落结构的影响

近几年,随着分子生物学的发展,以16S rDNA基因为分子标记的高通量测序技术凭借低成本、高通量、流程自动化的优势为研究转基因作物对根际细菌群落结构的影响提供了新的技术平台。归纳介绍了基于16S rDNA扩增子高通量测序技术在评价转基因作物对根际细菌群落结构及多样性等方面应用的研究进展,总结了16S rDNA扩增子高通量测序技术应用中存在的问题,并分析展望其在土壤微生物多样性研究中的发展趋势。     

作物根系构型三维探测与重建方法研究进展

根系是作物获取水分和养分的重要器官,由于土壤的观测阻碍,根系三维形态的认知与表达成为作物根系深入研究的瓶颈。三维数字化、可视化是研究和认知作物形态结构的重要方法,研究具有表征根系长相长势及土壤中水分、养分等物质对作物根系构型的影响具有重要意义。本文从三维角度,综述了近年来作物根系构型探测手段、三维重构与可视化方面的研究进展。首先从破坏性探测与原位探测两方面介绍了近年来根系构型三维探测的方法。破坏性探测主要包括直接挖掘法、土块保护挖掘清洗法和平板扫描图像分析法,破坏性探测方法在获取全局或局部根系拓扑结构与平面几何构型参数方面具有较大优势;原位探测方法主要包括土壤中安置观察装置法、地面穿透雷达法、特殊培养环境法、CCD相机法、三维数字化方法及穿透射线成像法等,作物根系的原位探测保持了根系构型的空间分布信息,但大部分方法仅能针对作物生长初期或可控生长环境下的作物根系开展数据获取。由于作物根系探测数据大多以局部二维图像形式存在,文章综述了基于二维图像的作物根系平面几何构型解析的相关内容,包括基于二维图像的根系识别与参数提取的算法与相关软件。分析表明,目前作物根系数据获取仍存在:(1)数据获取费时费力;(2)方法局限性大;(3)数据完整性低;(4)各种方法所获取数据融合应用度低等问题。在根系探测的基础上,从三维建模与生长建模两方面介绍了作物根系三维建模与可视化方面的相关工作。其中,根系三维建模包括了基于模拟算法的几何建模和基于原位探测的三维重建两部分,基于模拟算法的几何建模是在人们对作物根系认识的基础上,结合计算机模拟算法,构建与实际根系具有形态相似性的根系三维几何模型;与之相比,基于原位探测的三维重建更能真实地反映作物根系的实际形态,其主要包括XCT、三维数字化等方法。最后,文章展望了数据缺失条件下的作物根系三维重建研究,认为在目前技术手段前提下,已可实现根系拓扑结构三维解析,但根系的空间分布重建难度较大,尤其是在大田环境下作物根系原位测量的前提下;此外,目前作物根系三维数据主要存在着数据缺失、各种数据各为己用等问题,认为有必要将小子样理论与数据融合相关方法引入到作物根系三维重建研究,实现缺失数据条件下有效利用多种数据获取手段的作物根系三维重建。     

表型组学研究进展及其在作物研究中的应用

表型组学是指在基因组水平上系统地研究某一生物或细胞在不同环境条件下所有表型的学科。随着植物表型获取技术和设备的不断完善,以及基因组学、蛋白组学、代谢组学、生物信息学和大数据计算技术的快速发展,高通量表型组学分析在种质资源鉴定、遗传图谱绘制、功能基因挖掘等方面发挥越来越大的作用。高通量表型组学研究正成为突破未来作物学研究和应用的关键领域,为作物遗传育种、栽培管理提供精准、高效的决策支持。因此,充分挖掘多组学信息,加快高通量表型研究对全面了解农作物基因型、表型和环境之间的关系,发现和揭示重要农艺性状调控基因和作为机制,促进作物功能基因组及作物遗传改良研究具有非常重要的意义。概述了表型组学的发展历程,并对当前表型组学主要研究平台和成像系统,及其在作物根系结构、冠层结构、生物和非生物胁迫研究中的应用进行了系统论述,旨在为农作物表型高通量获取和解析提供方法借鉴,加速表型组学研究方法在作物育种中的应用。     

基于视觉三维重建的作物表型分析

采用基于图像序列的三维重建技术对作物小麦进行三维重建,通过对比不同处理下的三维点云,选择合适的处理方式对同一品种的不同植株进行三维重建;最后通过获取的作物三维模型对其进行表型测量。结果表明,重建出的三维模型在一定程度上可以还原作物的真实结构,说明利用计算机视觉技术对作物进行表型测量是切实可行的,利用三维模型测量作物的表型对于育种是省时有效的。     

水稻表层根系图像分割算法研究

水稻根系形态特征的定量研究对于改进农田管理方式、水稻品种选育和遗传改良等具有重要意义。近年来,随着表型组技术迅速发展,利用图像处理技术对水稻根系生长情况进行测量和分析,同时配合施肥、灌溉、光照、温控等环境监控技术已成为水稻育种和功能基因组研究新型技术手段,而根系图像分割技术是进行后续表型组学分析的重要基础之一。由于生长在土壤中的水稻根系图像具有对比度低、信噪比低、纹理复杂的特点,分割十分困难。针对此问题,研究了主干-分支连接算法、基于形态特征的局部阈值分割算法和基于形态特征的自适应阈值分割算法,对生长在土壤中水稻根系图像进行分割处理和比较。实验结果表明,主干-分支连接算法虽然保留了大量细节,但是受噪声影响严重,其结构略显杂乱,毛刺现象严重;基于形态特征的局部阈值分割算法能保留更多根部的细节,但轮廓断裂的现象比较严重;自适应阈值分割算法分割的图像根系连续性较好,毛刺现象也得到了抑制,但是细小的须根无法保留。最终将两种算法结合起来,提出一种适用于水稻表层根系图像分割的综合算法,则可以获得较为理想的分割结果,为后续水稻根系性状提取奠定了重要基础。     

作物根系结构对干旱胁迫的适应性研究进展

干旱是影响植物生长和作物产量的重要环境因素,全球性的气候变化更加剧了干旱胁迫对作物生产和粮食产量的影响。根系是植株吸收水分的主要器官,它能够调节自身生长发育和对水分的吸收和运输从而对干旱胁迫产生适应性,因而根系在作物适应干旱缺水环境中发挥重要作用。从根系构型和根的解剖结构两方面总结了作物根系形态结构对干旱胁迫的适应性研究进展,并分析了目前根系结构研究方法的现状,指出通过研究方法和技术手段的进步和创新,实现根系表型特征全面、快速和精准鉴定将是未来的发展趋势,这将为抗旱节水作物品种的筛选和评价提供理论指导。     

基于多视角图像的植物三维重建研究进展

快速重建植株三维结构并以三维可视的方式分析研究农作物的形态结构和生长过程、进行表型测量是数字植物及作物育种研究的热点和难点。概述了植物三维重建的研究现状和主流植物三维重建技术,并对各种技术的方法原理和技术优势进行了分类和对比;重点介绍了基于多视角图像三维重建方法 SFM和MVS的研究进展、技术原理以及相关软硬件系统平台;分析了近几年基于多视角图像三维重建方法在植物三维重建中的应用进展,基于多视角图像三维重建方法具有数据获取成本低、获取点云精度高、植物三维重建质量高等技术优势,同时指出了该技术方法的不足之处和未来技术发展趋势,以期为植物三维重建技术的发展、植物表型组学的研究以及低成本高通量设备的研制提供有益参考。     

作物的抗旱性及抗旱品种选育

干旱缺水是限制作物产量的主要因素之一.提高产量的途径有二,一是改善作物生长环境,二是培育抗逆性强的优良品种.文中对作物形态与抗旱性、根系与抗旱性、肥料与抗旱性的关系进行了阐述.培育抗旱品种应重视抗旱性的鉴定、根系的选拔、早发性的选拔.     

基于XCT序列图像的植物根系三维矢量模型构建方法

为实现植物根系三维构型参数的原位、无损、准确、快速和自动化测量,提出一种基于X射线计算机断层摄影术(X-ray computed tomography,简称XCT)序列图像的植物根系三维矢量模型构建方法。首先,根据根系的形态特征设计了根结点、根分枝、根系统3个基本结构;其次,对植物根系三维体数据(XCT序列图像)重切以提取根截面,并根据根截面质心和面积构建初始根结点,继而对根结点分组以构建初始根分枝,再通过重构根结点、重获根结点面积和根分枝关系判定构建完整的根系统(矢量模型);再次,基于矢量模型设计根数、根长度、根体积、根表面积以及根夹角的计算方法;最后,在Windows平台上利用图形用户界面开发工具Qt、可视化工具包VTK和医学图像分割与配准工具包ITK实现上述结构和算法,并将上述参数的计算结果与手工测量值进行对比,验证所提出方法的可行性与准确性。     

作物根际环境研究进展

作物根际环境研究进展北京农业大学土壤与植物营养系苏德纯根际是指受植物根系的影响，在物理、化学和生物学特性上不同于周围土体的根表面的微域土区。它是土壤水分、养分和有益或有害微生物进入根系的门户，培育作物对贫瘠和含酸、碱、盐等有害物质的土壤的适应性，提高...     

基于电阻层析成像技术和ResNet的萝卜根系表型无损检测方法研究

【目的】针对现有根系表型检测方法存在价格昂贵、需要专人操作以及无法对根系表型进行原位无损检测等问题，提出一种基于电阻层析成像技术(Electrical resistance tomography,ERT)和深度残差神经网络(Deep residual network,ResNet)的萝卜根系表型无损检测方法。【方法】首先，利用COMSOL软件对萝卜-琼脂场域不同情况的ERT正问题进行仿真分析，并获得大量边界电压数据；然后，基于ResNet对萝卜-琼脂场域的内部电导率分布与边界电压之间的非线性映射关系建立模型，对萝卜-琼脂场域进行图像重建；最后，基于ERT研制一套萝卜根系表型检测装置，并进行试验验证。【结果】基于ERT和ResNet的萝卜根系表型检测方法能够实现萝卜根系表型的可持续无损检测，试验装置操作简单、成本低，图像重建相对误差小于5%。【结论】基于ERT的萝卜根系表型检测方法可以实现对萝卜根系表型的无损检测；结合ResNet算法，成像精度较高。该方法可有效应用于萝卜根系表型的检测。     

作物根系形态对施肥措施的响应

氮磷钾是植物生长所必需的营养元素,但土壤中植物能利用的有效成分低,限制作物生长发育,而植物可以形成特有的适应机制来应对不同的生长环境。本文综述了作物为适应不同施肥条件所产生的一系列根系形态学变化。分析了不同施肥处理对作物根系形态指标(根长、根表面积、根直径、根体积和根冠比等)的影响：氮对作物影响主要在侧根,低氮胁迫下,根系纵向伸长,增加根长、根体积；低磷条件下,植物普遍抑制主根生长,刺激侧根发育生长,诱导根毛形成；缺钾抑制细根生长,根表面积、根体积等也显著降低；普遍随元素水平的提高,作物根长、根体积、根直径、根表面积和其他根系特征均呈先增加后减少的趋势,植物根系发育产生“低促高抑”的现象；有机肥比化肥可以弥补化肥养分单一和供肥不平衡的缺点,与化肥配合施用更能促进根系生长发育,增加根系体积和总表面积；作物不同基因型品种对肥料胁迫的响应也不尽相同,高效基因型具有良好的根系形态和根系分布,以获得更多的养分。为有效利用有限的肥料资源以及高效作物品种的选种提供理论基础,对作物进一步达到经济收益最大化和环境污染最小化具有重要意义。     

高产杂交棉标杂A1根系生长及空间分布特性

在田间自然条件下采用根钻取样,结合根系图像扫描分析方法,研究高产条件下杂交棉标杂A1和常规品种新陆早13号根系生长和空间分布特征.结果表明:在盛花期标杂A1根系较强大,85;的根系分布在0～40 cm土层;根系生物量、根系直径、根长密度、根表面积等指标均显著高于新陆早13号.吐絮期,常规品种新陆早13号根系生物量、根长密度和根表面积显著增加,尤以30～70 cm土层内增加明显;而标杂A1后期根系生长量明显减少,表征根系性状的各指标均较新陆早13号显著降低.新疆棉区种植标杂A1,在栽培管理中,生育前期要促进壮苗稳长,生育后期要通过加强水肥管理防止根系早衰是实现高产超高产的关键所在.     

粉垄栽培增产效果及其引发的栽培学新理论探讨

粉垄栽培是作者研究的一种新的农耕方法,其基本原理是充分利用耕作层及其以下适量土壤资源和天然降水.在玉米、甘蔗等10多种作物试验,结果显示:粉垄栽培比传统种植增产达10%以上;增产原因可能是良好的耕作土壤生态环境让作物根系发达,水肥营养得到均衡供给.由此探讨提出作物栽培学以培育根系为主导的"根‘本'理论"和创造作物生长期...     

作物表型组学测量方法综述

随着世界人口的增长,粮食安全问题变得日益严峻,培育新的作物品种是解决粮食危机的一种有效途径。传统的作物表型测量人工成本高,工作效率低,不能为育种学家提供充足的数据,阻碍了育种的发展,因此改进表型测量方法是十分迫切的。育种学家多关注作物的形态学参数和生理学参数,多种传感器已经被应用于作物的参数测量。本文对一些表型参数测量方法进行了分析与比较,包括作物高度、叶片参数、株间距、叶绿素含量、水分胁迫指数、生物量等。同时,也对一些可用于多种参数测量的复合测量平台进行了总结。此外,本文指出了表型测量中的不足,应该改进当前的一些测量方法,以降低表型测量的成本,提高测量效率。     

玉米根系对玉米抗倒伏性影响的研究进展

【目的】研究玉米根系对玉米抗倒伏性的影响,为筛选出抗倒伏性优良、产量高的玉米品种提供理论依据。【方法】本文通过国内外玉米根系对玉米抗倒伏性的影响研究专题进行了归纳总结,从玉米根系的三维图像构建、生长发育质量、延伸形态、抗倒伏指标和遗传性状,对影响玉米抗倒伏重要因素之一的根系性状进行系统的综述。【结果】随着技术的进步构建玉米根系三维模型正逐步应用到实际操作当中,为研究人员提供便利;玉米初生根、次生根、气生根生长发育优良的品种,极大提升了玉米抗倒伏性;横展型根系是玉米理想的抗倒伏根系延伸形态;根干重、根系开张角度、入土次生根条数、根体积、根直径、根层数是大多数学者选用的根系抗倒伏指标;目前常用QTL与GWAS技术对根系基因进行分析,定位了初生根直径、初生根长度、总根长、根尖数等一些根系相关的QTL,筛选出气生根直径、气生根角度等气生根性状相关联的SNP位点。【结论】明确玉米抗倒伏根系的优良性状并用现有的技术对其加强表达,是增产的重要手段。     

根系分隔和施氮对蚕豆/玉米间作体系根系分布和形态的影响

为西北1熟制灌区豆科/禾本科间作体系高产高效提供科学依据,于2007年在甘肃省农业科学院武威绿洲农业试验站设计了蚕豆/玉米间作体系的田间根系分隔试验,研究蚕豆/玉米2种作物间根系分隔和施氮对作物根系空间分布、根系形态的影响.采用根系行分隔法进行田间作物间根系分隔,并用根钻法采集根系.蚕豆和玉米根系主要分布分别在0～40 cm浅土层和0～60 cm土层,且间作玉米根系在60～120 cm比根系分隔的多,较深根系分布有利于玉米的后期竞争恢复生长.玉米根系可以占据蚕豆地下部空间,而蚕豆的根却较少到间作玉米的地下部空间.种间互作和施氮增加了玉米和蚕豆在纵向和横向2个尺度上的根重密度、根长密度、根表面积、根系体积.蚕豆玉米间作和施氮扩展了2种作物根系纵向和横向的空间生态位,改变了作物根系形态,从而增加了作物水分和养分吸收的有效空间.