基于玉米根系图像的表型指标获取方法

为了快速获取玉米根系表型指标,该研究提出一种基于图像的高通量解决方案.系统整合一套简易可靠的根系图像获取硬件和自动化根系图像处理算法,首先在固定背景下获取玉米根系图像,通过标定物检出、背景分割算法得到根系目标前景图像,识别根系起始点并剪除冗余部分得到根系感兴趣区域后计算颜色、形状、空间分布3大类29个表型指标.应用该系...     

植物生长环境与根系分泌物的关系

植物所处环境条件会影响植物根系分泌物的数量和组成,同时,植物根系分泌物也会影响根际环境条件。本文综述了植物种类(品种、生长发育阶段)和光温水、养分胁迫、重金属胁迫、微生物活动等环境条件对植物根系分泌物的影响;植物根系分泌物对根际微区土壤结构性、pH、CEC、养分活化和微生物区系等方面的影响,并提出了今后植物根系分泌物与环境条件研究中在研究方法、不同环境条件等方面值得关注的问题。     

基于时间序列图像的玉米植株干旱胁迫表型检测方法

为了快速准确获取植物表型数据,该文提出了一种基于时间序列多图像的玉米植株干旱胁迫表型检测方法。首先,以固定时间间隔获取干旱胁迫条件下玉米植株一天内的图像数据,采用统计学习方法对图像序列进行初始背景分割,非局部均值(non-local mean,NLM)滤波对初始背景分割进一步求精,去除变化光照条件对图像序列分割的影响。在植株器官分割阶段,融合植株形态先验知识,通过逐行扫描和邻域数量判断拆分植株器官像素。最后,提出了叶片角度比值的干旱胁迫表型参数计算方法。结果显示,耐旱植株的叶片角度比值一天内从0.63上升到0.70后再降到0.65,而非耐旱植株的叶片角度比值维持在0.65左右,随时间变化不大。研究结果为阐明玉米植株耐旱表型参数与环境参数的协同变化关系,以及不同基因型玉米植株环境应激反应的细微形态变化提供方法和技术解决方案。     

基于阵列式ESP32-CAM的番茄根系表型原位测量方法

为原位采集番茄根系图像,解决番茄根系表型原位测量问题,该研究提出一种基于阵列式ESP32-CAM的番茄根系表型原位测量方法。通过4×4阵列式ESP32-CAM结合OV2640镜头模组实现土壤中根系图像原位自动化无线采集,并采用张正友标定法实现相机标定和畸变校正,利用尺度不变特征转换和最邻近分类的特征检测匹配算法实现图像配准,基于离线标定方法获取相机间变换矩阵实现根系图像拼接;通过引入多头自注意力机制改进U型卷积神经网络（Uarchitecture convolutional networks,U-Net）模型对根系图像进行语义分割,采用形态学处理和骨架提取测量根系长度、面积、平均直径、根深和根宽。研究结果表明：相机阵列图像的拼接迭代均方根误差小于1.11 mm,全局拼接图像的拼接融合质量评分大于0.85;改进后的U-Net模型应用于番茄根系分割的精度、召回率、交并比和F1值分别为86.06%、78.98%、71.41%和82.37%,相比于原始U-Net模型分别提高了18.97、13.21、21.67和16.30个百分点;与人工测量值相比,根系的面积、长度、平均直径、根深和根宽的平均绝...     

土壤水分与氮肥对玉米根系生长的影响

利用田间小区试验研究了不同土壤水分条件下N肥对根系生长(根长、根重和根冠比)的影响.结果表明,玉米拔节期和开花期无论水分条件如何,施N肥可增加其总根长、表层根长和根重并使根冠比下降;灌浆期施N肥可增加总根长和表层根长,但正常水分条件下N肥使根重和根冠比下降,而干旱条件下N肥对根重和根冠比则无影响.不同处理根冠比大小与N吸收和分配有很大关系.     

低铁胁迫对玉米苗期根系生长和铁素吸收利用的影响

为了揭示不同耐低铁玉米品种苗期根系生长和铁素吸收利用的差异,为玉米耐低铁能力的遗传改良提供依据,以耐低铁玉米品种‘正红2号’和不耐低铁玉米品种‘川单418’为材料,采用重度[10μmol(Fe~(3+))·L~(-1)]、中度[30μmol(Fe~(3+))·L~(-1)]和轻度[50μmol(Fe~(3+))·L~(-1)]3种低铁胁迫及对照[100μmol(Fe~(3+))·L~(-1)]的铁营养液处理3叶1心玉米幼苗,分析低铁胁迫对不同耐低铁玉米品种苗期根系生长和铁素吸收利用的影响。结果表明,随着营养液铁浓度降低,两个玉米品种幼苗的根长、根体积、根系活力、干物质、铁含量、铁积累量、相对吸铁能力均显著降低,但根系麦根酸分泌量增多,铁素向地上部转移分配能力增强,铁素的生理效率提高,这是玉米适应低铁胁迫的重要生理机制之一。玉米幼苗的铁素积累量与根长、根体积、根干重、根系活力等根系性状均呈极显著或显著正相关。耐低铁玉米品种在中度和重度低铁胁迫下根长、根体积、根干重、根系活力均较不耐低铁玉米品种高,是其铁素吸收积累量高的重要原因。根系麦根酸分泌量与铁素茎叶分配率呈正相关,铁素茎叶分配率与铁素生理效率呈极显著正相关,增加根系麦根酸的分泌量可在一定程度上提高玉米铁素的茎叶分配率,从而提高铁素生理效率;耐低铁玉米品种在中度和重度低铁胁迫下麦根酸分泌量增幅高于不耐低铁玉米品种,是其铁素生理效率高的主要原因。     

酸铝胁迫对栝楼根系生长及铝积累的影响

针对南方酸性红壤对作物的生长造成的不利影响,采用水培方式,研究酸铝环境0、100、300、500、1000μmol·L-1Al3＋pH4.5,处理7d对长兴栝楼根系生长及铝积累的影响。测定指标包括根系活力、质膜透性、抗氧化酶类活性（过氧化物酶POD、过氧化氢酶CAT、抗坏血酸过氧化物酶APX、愈创木酚过氧化物酶GPX、超氧化物歧化酶SOD）及其同工酶、过氧化氢（H2O2）含量、根尖铝含量的影响。结果表明：随着铝处理浓度升高,根系活力增大,根系质膜透性无显著变化;POD、CAT、APX酶活升高,GPX和SOD活性降低,多种抗氧化酶都有多条同工酶谱带出现;根尖相对铝含量升高,桑色素染色情况显示,荧光梯度与铝含量测定结果一致,并观察到根尖以上根毛处细胞凸起较之平整排列的根细胞更容易积累铝。栝楼对南方酸性红壤具有较强的适应能力,其体内抗氧化酶系统及根尖吸收、积累铝的机制对缓解铝毒害起着重要作用。     

干旱胁迫对玉米根系生长及根际养分的影响

通过盆栽模拟干旱试验，测定了干旱胁迫下玉米根系生长情况和根际土壤中速效N、P、K的含量。结果表明，干旱胁迫抑制了玉米拔节期和抽雄-开花期玉米根系的生长，减弱了玉米根系的吸收能力。干旱胁追下玉米根际NH4^＋-N、NO3^--N、速效P和速效K均发生根际富集现象。其中有效N和速效K含量高于正常供水．而速效P却呈现低于正常供水的趋势。干旱胁追抑制玉米根系生长、减弱根系吸收能力是玉米减产的重要原因。     

施用氮肥对玉米产量构成因素及其根系生长的影响

通过不同施氮水平对玉米产量构成因素及其根系生长影响的研究,结果表明,氮肥用量在90~270 kg/hm2,玉米产量构成因素随氮肥用量增加而提高,当氮肥用量达360 kg/hm2时玉米产量则下降。在试验土壤肥力条件下,施氮270 kg/hm2玉米产量最高,玉米根长、棒三叶叶面积、百苗干重和粗蛋白质、粗淀粉、粗脂肪含量均明显好于其它处理。     

低钾胁迫下不同耐低钾玉米品种(系)开花后根系生长和结构的变化

[目的]土壤缺钾常引起植株早衰,严重影响玉米产量.从玉米开花后根系形态、结构和活性等参数的变化,研究低钾胁迫下玉米早衰的机理.[方法]以耐低钾玉米自交系90-21-3和钾敏感玉米自交系D937为试材,进行池栽试验.设置天然低钾土壤(低钾,-K)和正常供钾(CK,+K)两个处理,分别于玉米开花后测定根系形态、结构和活性等...     

在富营养土壤斑块中根增值对玉米养分吸收和生长的贡献

Root proliferation can be stimulated in a heterogeneous nutrient patch; however, the functions of the root proliferation in the nutrient-rich soil patches are not fully understood. In the present study, a two-year field experiment was conducted to examine the comparative effects of localized application of ammonium and phosphorus (P) at early or late stages on root growth, nutrient uptake, and biomass of maize (Zea mays L.) on a calcareous soil in an intensive farming system. Localized supply of ammonium and P had a more evident effect on shoot and root growth, and especially stimulated fine root development at the early seedling stage, with most of the maize roots being allocated to the nutrient-rich patch in the topsoil. Although localized ammonium and P supply at the late stage also enhanced the fine root growth, the plant roots in the patch accounted for a low proportion of the whole maize roots in the topsoil at the flowering stage. Compared with the early stage, fine root length in the short-lived nutrient patch decreased by 44%-62% and the shoot dry weight was not different between heterogeneous and homogeneous nutrient supply at the late growth stage. Localized supply of ammonium and P significantly increased N and P accumulation by maize at 35 and 47 days after sowing (DAS); however, no significant difference was found among the treatments at 82 DAS and the later growth stages. The increased nutrient uptake and plant growth was related to the higher proportion of root length in the localized nutrient-enriched patch. The results indicated that root proliferation in nutrient patches contributed more to maize growth and nutrient uptake at the early than late stages.     

Wood biochar produces different rates of root growth and transpiration in two maize hybrids (Zea mays L.) under drought stress

This study investigated the effects of wood-derived biochar (BC) applied at 1% to a C-poor silty-loam soil in the drought-tolerant (D24) and in the drought-sensitive (P1921) Pioneer Hi-Bred maize hybrids in pot and field trials (NE Italy). D24 had better growth than P1921 under rain-fed conditions without irrigation and soil amendment. The addition of biochar increased root growth in D24 (+38% root area) and decreases it in P1921 (?9%) at the silking stage, while the fraction of finer roots (<250 µm diam.) was reduced in D24 and increased in P1921. This led both hybrids to maintain the maximum transpiration at a lower fraction of transpirable soil water (from 82% to 45% in D24, and from 46% to 22% in P1921). There were no significant variations in plant nutrient contents, productivity and in the protein and starch contents of the grains, whereas the lipid content was reduced by biochar, particularly in P1921 (2.6% vs. 3% DW, ?13%).

We conclude that biochar can be profitably used to enhance drought tolerance in maize, possibly due to improvements in the physicochemical characteristics and the water content of treated soils, although maximum benefits are expected in drought-tolerant hybrids through increased root elongation and transpiration.     

密植条件下玉米冠根生长抑制的因果关系

密植条件下玉米地上部及根系生长均受到抑制。以澄海3719(DH3719)为材料,通过种植密度×施氮量2因素4处理田间试验,研究了密植条件下玉米地上部及根系生长受抑制的因果关系。结果表明,高密度群体具有较高的叶面积指数(LAI),但拔节期后单株叶面积、冠根干物重、茎粗、总根长及含氮量均小于低密度种植的植株,生长受到抑制。叶面积与根长的消长变化趋势相同,各生育期不同处理植株的冠根比没有明显差异。吐丝期剪去穗位叶以上连续两个叶片或切去地上部最上层节根均减少了植株体内的氮素累积。尽管剪叶使根系生物量的减少远远低于切根的影响,但剪叶造成植株含氮量的减少多于切根的影响。综合结果表明,密植引起地上部生长空间竞争加剧,使地上部生长受到抑制,从而影响根系生长。     

基于点特征检测的农业航空遥感图像配准算法

针对当前无人机遥感图像配准算法普遍存在匹配精度差与配准速度慢等问题,该文以点特征检测方法为基础,结合矩阵降维处理方法,提出一种适用于农业航空遥感图像配准的改进算法—SNS(scale-invariant feature transform and singular value decomposition)算法。SNS算法以高斯函数同步检测尺度空间极值点的坐标和特征尺度,利用海森矩阵消除伪特征点,获取特征点精准定位,在求取特征点的模值与方向基础上,采用奇异值分解方法进行矩阵优化,实现数据降维再重构。试验结果表明,SNS算法与经典算法相比,配准速度平均提高5.01%,配准精度均方根误差平均降低10.48%,说明SNS算法在压缩数据量的同时,提高了整体配准精度,具有配准速度较快和鲁棒性较好的特点。研究结果可为农业航空遥感图像快速配准提供参考。     

缺水和缺铁胁迫对玉米光合作用特性和根生长的影响

研究了缺水胁迫和缺铁胁迫对三叶期玉米(Zea mays)的光合作用特性和根生长的影响。玉米叶部的光合作用均受缺水胁迫和缺铁胁迫影响;短时间(≤2 h)缺水胁迫对光合作用造成的不利影响不能被短时间(24 h)的复水完全消除,而较长时间的缺铁胁迫(168 h)对光合作用造成的抑制作用可以被短时间(24 h)的补铁措施消除。短时间缺水(≤2 h)或短时间(≤72 h)缺铁不影响根系生长。较长时间的缺铁(168 h)严重限制根的生长并导致根生长畸形,短时间(24 h)补铁不能消除较长时间的缺铁对根的生长带来的不利影响。     

适宜灌水施氮方式利于玉米根系生长提高产量

为研究不同灌水方式和施氮方式对玉米根系生长分布的影响,2011年在大田条件下采用垄植沟灌技术,设交替灌水、固定灌水、均匀灌水和交替施氮、固定施氮、均匀施氮2因素3水平的随机完全组合试验方案。分抽雄期、灌浆期和成熟期对0~100 cm土层监测植株正下方、植株正南侧和植株正北侧的根系生长状况。结果表明,灌水方式对各位置根长及根系总量影响均达显著水平,施氮方式只对植株南侧根长和根系总干质量影响显著,二者的交互作用只对植株北侧根长和总根长影响显著。交替灌水均匀施氮在监测时期内维持了较大总根长,并使得灌浆期植株不同位置根长、总根量(总根干质量除外)均较大,并最终获得较大的产量(11 524 kg/hm2)。而固定灌水固定施氮总根长最小,产量最低。各处理下0~40 cm土层根长所占整个土层根长比例均较高,该比值以交替灌水均匀施氮最大。对比发现,根系生长分布对灌水方式更加敏感,通过不同灌水与施氮调控玉米根系生长分布应集中在0~40 cm土层,交替灌水均匀施氮最有利于根系的生长和产量的提高,为垄植沟灌下较好的灌水施氮方式。该研究为通过不同灌水施氮方式调控作物根系生长并获得高产提供了一定理论依据。     

基于深度掩码的玉米植株图像分割模型

随着深度学习技术在植物表型检测领域的应用,有监督深度学习逐渐成为植物表型信息的提取与分析的主要方法。但由于植物结构复杂、细节特征多,人工标注的成本和质量问题已成为制约技术发展的瓶颈。该研究针对玉米苗期植株图像分割问题提出一种基于深度掩码的卷积神经网络（Depth Mask Convolutional Neural Network,DM-CNN）,将深度图像自动转换深度掩码图像,并替代人工标注样本完成图像分割网络训练。试验结果表明,在相同的网络训练参数下,通过测试DM-CNN得到的平均交并比为59.13%,平均召回率为65.78%,均优于人工标注样本对应的分割结果（平均交并比为58.49%,平均召回率为64.85%）;此外,在训练样本中加入10%室外玉米苗期图像后,DM-CNN对室外测试集的平均像素精度可以达到84.54%,证明DM-CNN具有良好的泛化能力。该研究可为高通量、高精度的玉米苗期表型信息获取提供低成本解决方案及技术支持。