基于分形L系统的水稻根系建模方法研究

【目的】根系建模是虚拟水稻可视化模型中重要的组成部分,是认知以及研究水稻根系形态结构的重要方法,并为精确农业提供依据,本研究旨在构建仿真效果较好的水稻根系模型。【方法】利用水培法开展试验,测定水稻根系各类形态参数。【结果】构建了基于分形L系统的水稻根系模型,包括不定根模型、分枝根模型、旋转角度等信息。首先根据水稻根系形态特征解析出分形L系统的产生式,然后借助MATLAB软件实现了根系的形态模拟,最后根据模拟效果图进一步优化了分形L系统的产生式,提高了模型精度。【结论】构建完成的模型能够较好地模拟水稻根系的生长过程,在智慧农业发展过程中,具有一定的参考价值。     

基于动态生长模型的植物根系模拟研究

围绕基于动态生长模型的植物根系模拟技术展开研究与讨论,在分析了冬小麦根系动态生长模型的基础上,提出了一种利用改进型L系统规则结合动态数据结构的冬小麦根系模拟方法并予以实现.引入了植物根系的"管道模型",使系统在模拟根系生长的同时,能完成对根系各生长参数的计算,最后能生成根系图形并计算出根系研究所需要的根长、根重、根体积等重要参数,实现了根系生长发育模型和形态发生模型的有机结合.     

水稻根系空间分布特性的三维建模及可视化研究

为明确水稻根系在土壤中的空间分布特性,应用"根箱法"进行试验,获取水稻根系坐标数据,分析根系生长随水稻生育进程的变化规律,采用植物模拟技术,建立了水稻根系三维形态模型,包括根节点初始位置的确定、根节点生长方向的确定、不定根位置的确定、不定根生长方向的确定等。根据水稻根系几何形态参数,采用Visual C++及Open GL标准图形库,对水稻根系的三维形态结构进行重构,使系统生成更加逼真的水稻根系图像。结果表明该模型对水稻根系形态结构动态生长具有较好的预测效果,同时也可为其他作物根系的可视化研究提供参考。     

基于动态生长模型的植物根系模拟研究

围绕基于动态生长模型的植物根系模拟技术展开研究与讨论,在分析了冬小麦根系动态生长模型的基础上,提出了一种利用改进型L系统规则结合动态数据结构的冬小麦根系模拟方法并予以实现。引入了植物根系的“管道模型”,使系统在模拟根系生长的同时,能完成对根系各生长参数的计算,最后能生成根系图形并计算出根系研究所需要的根长、根重、根体积等重要参数,实现了根系生长发育模型和形态发生模型的有机结合。     

基于三维动态生长模型的水稻根系模拟

以水稻‘淦鑫688’‘两优培九’‘金优463’‘陆两优996’为试材,利用根箱栽培试验研究水稻不同生长时期根系的形态结构和分布与生理生态因子之间的相互关系;统计分析水稻根系的形态参数,量化其生物学意义和结构特征,基于水稻根系拓扑结构,提出了一种融合发根时间、发根位置、生长速率和生长方向的水稻根系三维动态生长模型。对模型模拟值与观测值进行相关性分析,纳什效率系数为0.811~0.899,均方根误差为0.121~0.135,平均偏差为0.125~0.137,表明模型的准确度较高。以水稻根系三维动态生长模型作为算法基础,利用Visual C++开发工具和OpenGL开放图形库构建了实现水稻根系三维生长可视化仿真系统。对水稻根系的不定根、一级枝根、二级枝根和三级枝根的拟合度和误差进行分析,结果显示,其平均模拟拟合度分别可达到89.36%、90.12%、90.86%和91.75%。     

植物根系生长的三维可视化模拟

利用模拟植物形态结构的L系统理论结合计算机图形学方法建立了模拟植物根系生长的三维可视化模拟系统。并利用随机参数L系统方法对豆科作物根系的生长过程进行了模拟。     

基于改进L-系统的水稻根系建模方法

根系作为水稻生长的“发动机”,其形态特征直接影响植株的生长发育、营养水平和产量水平。水稻根系不便于直接观测,实现根系形态结构三维建模及可视化研究对改善农田管理、水稻育种和遗传改良等具有重要作用。用L-系统描述水稻根系弯曲的算法复杂,较难提取产生式,产生的分枝根根型比较生硬。为了更好地模拟水稻根系直根和曲根的形态结构,研究基于改进L-系统的水稻根系建模和可视化方法。结合二次均匀B-样条曲线的数学表达式改进传统L-系统的产生式,把根系生长节点作为控制中心,运用二次均匀B-样条曲线函数来表达根轴的弯曲程度,并以动态数据结构存储根系生长节点。对模型模拟值与现场观测值进行相关性分析显示,均方根误差在0.022～0.040之间变化,平均偏差在0.107～0.189之间变化,表明基于改进L-系统的水稻根系模型的准确度较高。以模型作为算法基础,利用Visual C++开发工具和OpenGL开放图形库实现了水稻根系生长可视化仿真系统。系统能够表达水稻根系在不同生长时期的形态特征和生长规律,模拟的真实度较为理想,可以有效满足精确农业的研究需求。     

钙对盐胁迫水稻生长和营养元素吸收的影响

为揭示Ca对盐胁迫水稻的生长和营养元素吸收的影响,以日本晴水稻为材料,采用水培方式,设置不同浓度Ca和Na处理以及正常营养液处理开展对比试验,结果表明:盐胁迫水稻地上部的生长损害较为严重,外界供应5 mmol/L Ca能够修复25 mmol/L Na造成的生长损害。Ca对盐胁迫水稻的修复作用不是通过提高根系活力,而是通过降低水稻Na的吸收同时恢复根系K的吸收从而扩大根冠比实现的。水稻根系Ca含量对外界Ca和Na浓度的变化反应顿感,但地上部变化与Ca浓度成正相关。Na和Ca对Mg吸收的竞争作用主要表现在地上部的差异,根系几乎不受影响,但高Na能显著抑制水稻体内N的累积。     

稀土镧对水稻幼苗生长及叶绿素荧光动力学参数的影响

在水稻幼苗2叶1心期,采用不同浓度的硝酸镧溶液处理水稻幼苗,考察其对水稻幼苗生长、体内抗氧化酶活性和叶片叶绿素荧光动力学参数的影响.研究结果表明: 0.3 mg/L硝酸镧处理在促进水稻幼苗地上部的生长效果最佳,表现在幼苗高度、干重及鲜重分别比对照增加17.27%、24.83%和19.30%;而硝酸镧处理浓度为0.6 mg/L时促进水稻根系生长效果最佳,根系长度、干重及鲜重分别比对照增加18.87%、46.36%和10.07%.0.9～1.5 mg/L硝酸镧处理后能较大幅度地提高水稻叶片中超氧化物歧化酶(SOD)活性,而0.3～0.6 mg/L硝酸镧处理能较大程度地提高水稻根中SOD活性.过氧化物酶(POD)活性提高与SOD活性提高趋势一致.0.6 mg/L硝酸镧处理能降低叶绿素荧光参数Fo、提高Fm和Fv.不同的硝酸镧浓度处理能提高ETR、ΦPSⅡ和qP,减小NPQ,提高光合作用中PSⅡ的运行效率.因此低浓度(0.3～0.9 mg/L)硝酸镧处理对水稻幼苗的生长发育有利.     

水稻形态的分形特征及其可视化模拟研究

在试验观察的基础上 ,分析了水稻根系、穗、茎叶的分形特征 ,根据水稻的分形特征及L -系统的生成规则 ,建立了水稻根系、穗、茎叶等形态的模拟模型 ,通过模拟 ,实现了水稻形态的计算机三维重建。     

水稻植株的虚拟生长

以节间及其着生叶或穗为单位,将水稻植株分解成N 3个结构单元(N为植株总叶龄),采用L系统技术描述了水稻植株拓扑结构。并根据田间试验获得的水稻品种武运粳7号植株器官的几何参数,结合L系统的导龟解释,实现了武运粳7号不同生长阶段植株空间形态结构的虚拟再现。     

浅析缺碳对农作物病害发生的影响

正一、缺碳,直接造成农作物的主要病害(一)根系衰弱首先,根的趋水趋肥性使根系有一种内在的向外向下伸长的刺激,缺乏有机质的土壤含水性差,各类肥料溶液向根部"表达"能力差,致使根系生长的内在刺激不足。其次,土壤微生物同根系的互动,是根系生长的外源刺激。土壤中有机质不足,微生物繁殖所需的碳源不足,致使根际微生物群落稀疏,根系生长的外源刺激太弱,根系就失     

腐植酸对水稻生长及相关生理指标的影响

[目的]研究腐植酸对水稻生长及相关生理指标的影响.[方法]以水稻“湘早籼45”为材料,观测不同浓度下腐植酸对水稻种子萌发、稻株生长、根系活力及叶片抗氧化酶活性的影响差异.[结果]200 ～250 mg/L的腐植酸处理种子的发芽率和发芽势最高.在水稻生长的分蘖期、孕穗期和灌浆期,150～250 mg/L的腐植酸溶液培养条件下,水稻根系活力、抗氧化酶活性和总生物量均表现为最高.当腐植酸浓度高于250 mg/L时,随着浓度的增加,水稻根系活力、抗氧化酶活性和总生物量呈现下降的趋势.[结论]在水稻栽培过程中,早期施用腐植酸以150～200 mg/L为宜,后期以200～ 250 mg/L为宜.     

葡萄糖对水稻幼苗根系生长和生长素组织细胞分布的影响

利用DR5-GUS转基因水稻(Oryza sativa L.)中花11号为材料,分析了0~5%的葡萄糖和甘露醇处理4~10 d对水稻幼苗根系生长和生长素组织细胞分布的影响。结果表明,3%的葡萄糖有利于水稻根系生长,缺糖在幼苗生长后期显著抑制了根系的生长,5%葡萄糖显著延迟侧根的形成和生长。通过根尖横切片发现,生长素在组织细胞间的基本分布规律,即根冠和分生区细胞中生长素多且分布比较均匀,从伸长区到成熟区逐渐呈现梯度分布,成熟区中生长素主要分布在近表皮的皮层细胞和表皮细胞。不同浓度葡萄糖对生长素在根尖各区组织细胞间的梯度分布规律没有明显影响,但随葡萄糖浓度升高根尖各区生长素含量逐渐升高。相同浓度条件下,甘露醇明显抑制根系的生长并引起生长素的过量积累。试验结果表明,葡萄糖对水稻根系生长的调节与其信号作用有关而非渗透作用引起的,且这种信号作用与其调节生长素的合成和分布有一定关系。     

水稻抗倒伏的遗传研究进展

倒伏是制约水稻(Oryza sativa L.)生产的重要因素之一,发生倒伏后引起水稻产量降低、品质变差。水稻倒伏分为茎倒伏和根倒伏,与其株型、茎秆结构、根系生长情况等因素密切相关。近十多年来,随着水稻分子生物学研究的快速发展,已定位或克隆了多个与水稻倒伏相关的QTLs或基因。对水稻抗倒伏的遗传研究进展进行了综述,并提出了利用基因聚合育种技术培育抗倒伏品种的育种策略。     

外源草酸对水稻幼苗铝毒害的缓解作用

为了解草酸对缓解铝毒害下水稻幼苗生长受抑的作用效果,采用含0～4 mmol/L铝离子(pH4.5)的木村B营养液培养水稻10 d,发现低浓度(0～0.4 mmol/L)的铝对水稻幼苗生长没有明显毒害,而较高浓度(大于0.5 mmol/L)的铝显著抑制水稻主根的伸长及株高生长,水稻幼苗根系的质膜相对透性提高,丙二醛及可溶性糖含量显著增加,茎叶中叶绿素和可溶性蛋白含量降低.而在含较高铝浓度(2 mmol/L)营养液中加入4,6,8 mmol/L的草酸后发现,铝毒害下水稻幼苗的主根长及株高生长的受抑制症状已明显缓解,其中以添加6 mmol/L草酸的效果最佳.进一步研究发现外源草酸可显著降低铝毒害下根系相对质膜透性,丙二醛和可溶性糖含量,提高茎叶中叶绿素和可溶性蛋白质含量.     

植物生长条件下土壤水分与养分资源动态分布的模拟研究

借助根系功能-结构机理模型,在动态描述根系空间生长发育的基础上,采用根系空间吸水速率函数耦合三维土壤水动力学模型,描述根系吸收条件下土壤水分的时空分布;以根个体为中心,采用扩散方式,描述了由于根系吸收土壤中磷元素而引起的土壤中有效磷分布的动态变化。通过小麦苗期根系结构与生物量的动态观测试验,获取了根系生长参数,利用文献资料获取了土壤水分运移参数、土壤有效磷扩散参数。在设定的灌溉与蒸散情景下,模拟了根长密度与根系吸收速率在三维空间的动态分布、根系吸水条件下土壤水分三维时空变化以及根系吸收磷元素的条件下土壤中有效磷的亏缺区域变化过程。模拟结果显示,根系-土壤系统能够实时地模拟根系生长下土壤环境资源的动态变化。     

冠菌素对早稻和水稻幼苗形态及生理指标的影响

用不同浓度的冠菌素对旱稻297和水稻越富进行浸种处理。研究冠菌素对旱稻和水稻幼苗的形态指标（干物重、株高、根长、根表面积、根系体积及侧根发生量）和生理指标（根系活力和叶绿素含量）的影响。结果表明：高浓度（≥10^-5mol／L）的冠菌素处理后旱稻和水稻幼苗的株高、根系生长、根系活力、干物质积累量及叶绿素含量均明显降低：而较低浓度（10^-8-10^-7mol／L）的冠菌素处理却促进了旱稻幼苗根系生长。提高了根系活力。促进了干物质的积累,对水稻幼苗根系生长（侧根发生）也有一定的促进作用：初步认为用低浓度的冠菌素浸种培育健壮幼苗是可行的。     

水稻根长动态模拟和生长特性研究

利用水培和土培试验,并基于空心菜和莴苣的根长增长模型,对整个生长周期的水稻根系生长特性进行动态模拟,结果表明:7个供试水稻品种的根长增长模型拟合精度均达到统计显著水平,由根长增长模型可得到根长增长常数、根系最大增长速率和最大根长及其出现的时间等根系生长特性的量化指标.不同晚稻品种间平均的根系生长特性差异不大,但特优3101品种与其他品种相比有较大的差异.最大根系增长速率在不同品种间的变异系数为7.6%,时间在播种后2个月左右.土培试验表明,与不施肥相比,氮磷钾平衡施肥使根系增长常数提高57.2%,最大根系增长速率和最大根长则分别提高61.0%和65.4%,明显促进根系生长和增加根长.     

作物生长实现数字化分析

本项目研究人员经努力实现了玉米、水稻实株型结构数字化设计，为超高产育种、资源高效利用提供了先进的高新技术研究手段。提出了一种植物拓扑结构建模方法和基于结构一功能模型的虚拟植物生长的体系架构，建立了基于数字化技术的植物形态结构信息采集系统与植物器官形态描述模型，对玉米、水稻等主要农作物形态进行了三维数字化测定，构建了器官形态描述模型与参数库，实现了叶片生长过程中的3维空间取向规律与冠层空间光分布的3维模拟的定量分析，并基于双尺度自动机和马尔可夫过程原理，构建了根系生长的模拟模型。