植物形态结构模拟与可视化研究进展

 本文较系统阐述了植物形态结构模拟与可视化研究的社会背景、学术价值和经济意义,从创立与发展、研究与发展的总体趋势和特点、研究居世界先进水平的机构或学者以及领先标志等方面综述了植物形态结构模拟与可视化的研究进展;指出了该研究的前沿领域、空白点及薄弱环节,分析了中国在该研究中的总体水平、差距及其成因;最后在研究展望基础上提出了若干政策建议。     

植物三维可视化研究进展

植物三维建模及其可视化系统基于植物的生理生态特性和形态特征进行研究,对于植物生长过程研究和自然景观再现均有重要意义。从基于模型的三维建模、基于图像的三维建模和基于扫描数据集的三维建模三个方面阐述了植物的三维建模研究进展,介绍了几何模型以及多个植物可视化系统软件的研究成果,总结了植物三维建模方式及其可视化系统存在的优势与不足,尤其是植物生理生态模型与形态模型可视化的耦合研究还有待完善,并对植物三维建模方式及其可视化系统的趋势进行了展望。     

盐胁迫对植物形态结构影响的研究进展

随着土壤盐渍化现象的加剧,世界生态环境和农业生产发展受到严重制约.在盐胁迫的环境下,植物势必会做出应答从而改变其形态结构.对世界盐生植物的分布,盐胁迫对植物结构形态、细胞器的影响,以及植物对盐胁迫的结构适应性变化进行了总结.     

复方天然植物制剂对奶牛回乳效果及调控激素的影响

【目的】探究复方天然植物制剂对奶牛回乳效果及回乳期奶牛血清胰岛素(INS)、氢化可的松(HC)、生长激素(GH)和胰岛素生长因子1(IGF-1)含量的影响。【方法】试验于2016年1—6月进行,选择四川省某规模化奶牛场半封闭统一舍饲,体重(582±41)kg、第2—4胎中国荷斯坦奶牛150头。从中选取体况良好,健康,乳房、乳汁均正常,即将进入回乳期,产奶量为(15.42±0.71)kg的妊娠后期即将干乳的健康奶牛80头。随机分为A、B、C、D组,每组20头,均采用逐渐干奶法回乳,回乳开始当天记为第0天,A组为对照组,不饲喂复方天然植物制剂。B、C、D组均从回乳开始第1天,每日上午8:00分别饲喂复方天然植物制剂400、500、600g,回乳完成后停止饲喂复方天然植物制剂。复方天然植物制剂由麦芽,朴硝,升麻,柴胡,香附,薏仁,蚕蜕,白术,黄芩,知母,苏梗,芡实,五味子,蒲公英,甘草等按一定比例组成。分别采集奶牛回乳期第0、1、3、5、7、9和11天尾静脉血,置于未加抗凝剂的离心管中,室温下静置1h,置离心机352×g离心10min,转移上层血清于EP管中,-20℃冻存。采用双抗体夹心酶联免疫吸附技术(ELISA)法检测血清INS、HC、GH和IGF-1含量,并记录回乳期奶牛单日产奶量。【结果】A、B、C、D 4组奶牛回乳时间分别为11、7、5、5天。各组回乳期奶牛血清IGF-1和HC含量均呈下降趋势,且对照组下降趋势较各复方天然植物制剂组慢,复方天然植物制剂组血清IGF-1、HC和GH含量在回乳期后回升,对照组血清INS含量上升趋势较各复方天然植物制剂组慢,第0至1天,各组奶牛血清HC、IGF-1和GH含量差异均不显著(P0.05);第3—7天,A组奶牛血清HC、GH和IGF-1含量极显著高于B、C、D组(P0.01),而血清INS含量极显著低于B、C、D组(P0.01);第9天,A、D组奶牛血清HC含量均显著高于C组(P0.05),A、B组奶牛血清GH和IGF-1含量均极显著低于C、D组(P0.01),A组奶牛血清INS含量极显著低于B、C、D组(P0.01);第11天,A组奶牛血清HC、GH和IGF-1含量极显著低于B、C、D组(P0.01),A组奶牛血清INS显著低于D组(P0.05),但极显著低于B、C组(P0.01);C、D组奶牛血清IGF-1、GH、HC和INS含量在整个回乳期均差异性不显著(P0.05)。在奶牛回乳期,产奶量、HC、GH和IGF-1两两间均呈极显著正相关(P0.01),INS与产奶量、HC、GH和IGF-1均呈极显著负相关(P0.01)。【结论】复方天然植物制剂能显著促进回乳期奶牛回乳,饲喂500g/日复方天然植物制剂,奶牛回乳时间为5d,回乳效果即可达到最佳。回乳期奶牛血清INS、HC、IGF-1含量和产奶量变化两两间均呈极显著相关,IGF-1、GH和HC对奶牛回乳起负向调控功能,而INS对奶牛回乳起正调控作用。     

植物三维形态数字化设计评价指标体系探讨

 针对植物可视化建模与数字化设计技术及软件工具研发中存在的目标不明确、流程不统一、技术不规范、难以量化评价等问题,结合植物三维形态结构、形态建成过程特点和软件工程技术标准,探讨了当前植物三维形态数字化设计目标以及应用需求,提出了植物三维形态数字化设计的功能评价指标和技术评价指标,并以模糊综合评价模型为实例阐述了评价体系的应用。     

植物miRNA的生物学特性及在环境胁迫中的作用

MicroRNA(miRNA)是一类在生物体内普遍存在的非编码、长度约为21 nt的小RNA分子,一般由内源基因编码,RNA聚合酶Ⅱ转录后,经过Dicer-Like酶等一系列的蛋白复合物将pre-miRNA(precursor miRNA)剪切成成熟miRNA,在转录及转录后水平介导靶mRNA转录沉默、降解或翻译抑制来调控基因的表达,是真核细胞基因表达的重要调控因子。第一个miRNA是在秀丽隐杆线虫(C.elegans)中发现的lin-4,与lin-14 mRNA 3′UTR的碱基序列部分互补,降解lin-14,从而抑制lin-14的表达。lin-4对靶基因lin-14的调控与线虫的生长发育密切相关。而第一个发现的植物miRNA是拟南芥mi R171,它靶向剪切编码基因Scarecrow-Like(SCL)家族的mRNA,调控其基因的表达,进而影响植物的生长发育。植物部分miRNA,如mi R156—mi R408在各植物物种中相对保守,而mi R408以后的miRNA具有物种特异性。植物在生长过程中会遭遇诸多不可预知(如同盐碱、干旱、重金属以及害虫和病原菌的侵扰等)的环境胁迫。固着生长的特性使得植物不能像动物那样通过移动来避免不利环境的影响,因此,需要自身特殊机制来应对这些环境胁迫。植物在长期逆境中已进化出极为精细复杂的生理和分子机制。miRNA与它作用的靶基因是响应环境胁迫的主要调控因子。miRNA参与了植物的生长发育、信号转导、蛋白质降解、营养胁迫、抗病原菌的入侵以及适应高盐和干旱等逆境胁迫过程,对于调节内源抗性基因表达具有一定意义。目前通过高通量测序、实时定量PCR检测和转基因等技术已经发现了很多与环境胁迫相关的miRNA,它们在逆境胁迫下的表达呈现显著差异性;miRNA的过表达植株经逆境胁迫处理可能表现出一定的抗逆或敏感性。同一家族的miRNA不同成员在响应环境胁迫时具有物种特异性。新疆地区是典型的大陆性干旱气候,降水量少,盐碱荒漠化地区多。在这样严酷的环境中顽强生存着许多盐生旱生类植物,这些植物的miRNA如何在逆境中发挥调控作用,依然需要更深入的探索。本文主要综述了现阶段植物miRNA生物合成、与靶基因作用方式、生物功能以及不同环境胁迫下对miRNA和作用的靶基因影响等方面的研究进展,以便更好地利用miRNA依据的生物技术开展研究和应用转化。     

家蚕感染二分浓核病毒(镇江株)的数字基因表达谱分析

【目的】筛选家蚕与二分浓核病毒(Bombyx mori bidensovirus Zhenjiang strain,Bm BDV-ZJ)感染相关的差异表达基因,鉴定家蚕与病毒感染有关的调控基因,为进一步阐明家蚕抗Bm BDV-ZJ的分子机制提供理论依据。【方法】采用Illumina高通量测序技术,构建家蚕品种JS口服感染Bm BDV-ZJ的数字基因表达谱,为排除个体间差异,以10头蚕作为一个样本用于DGE检测。样本中基因的差异表达检测通过严格的运算法则进行,对差异检验的P值(P value)作多重假设检验校正,通过控制FDR(false discovery rate)来决定P值的域值。本研究中,差异表达基因定义为FDR≤0.001且差异倍数在2倍及以上(|log2ratio|≥1)的基因。采用基因本体论(GO)分类体系确定所有差异表达基因可能的功能。用GO计算P值和bonferoni校正。选用校正P值≤0.05作为基因组显著富集的阈值。WEGO软件用来视化、比较和绘制GO注释结果。利用KEGG数据库进行通路富集分析,进一步确定显著富集代谢途径或信号传导途径,Q值≤0.05的通路指定为DGEs中的显著富集通路。通过q RT-PCR方法对部分差异表达基因进行验证。【结果】感染组和对照组分别得到4 850 663和4 875 307个原始标签,去除低质量标签后,分别得到4 757 934和4 788 406个清洁标签,对应的标签种类数量分别为62 436和63 680种。两个文库间的清洁标签和清洁标签种类的数量在不同拷贝区间分布类似,感染组和对照组样本的测序量分别为3.5 M和3.7 M,测序深度符合试验的要求,两样本的DGE数据是可信的。将这两个DGE数据库的所有清洁标签与家蚕参考基因库进行比对,在对照组与感染组中,分别有36.39%和45.30%的清洁标签可以比对到基因。另有50.02%和43.34%的清洁标签可以比对到家蚕参考基因组,剩余的未知标签分别占清洁标签总数的13.59%和12.35%。共发现了447个差异表达基因,其中306个上调表达,141个下调表达。分别有218、147和179个差异表达基因涉及GO 3个本体中的分子功能、细胞组分和生物过程。利用KEGG公共数据库进行Pathway显著性富集分析,注释到的基因总数为8 473个。447个差异表达基因经鉴定后,其中的330个基因被归类到151个KEGG路径中。差异表达基因显著富集的Pathway(Q值≤0.05)有19个,其中最显著富集的是细胞质中DNA识别通路。挑选了24个差异表达基因进行q RT-PCR验证,其中20个基因的差异表达趋势与DGE的结果一致。其中在DNA识别通路中共检测到9个差异表达基因,BGIBMGA009408-TA、BGIBMGA004913-TA、BGIBMGA011753-TA均为编码RNA聚合酶III的基因,表达量均上调,是对照组的4.3、2.3、3.4倍。【结论】构建了3龄家蚕JS感染Bm BDV-ZJ后28 h感染组及对照组幼虫的数字基因表达谱,Pathway显著性富集分析和q RT-PCR验证显示,家蚕感染Bm BDV-ZJ后可能通过启动胞质内DNA识别通路来感应入侵病毒的异源DNA成分并迅速启动天然免疫抵御Bm BDV-ZJ病毒感染,为研究Bm BDV-ZJ侵染家蚕和家蚕抵御Bm BDV感染的分子机制打下了基础。     

油菜植株三维结构的测量与可视化建模研究

油菜模型研究对油菜栽培和育种具有一定参考作用。试验选用浙江省推广面积较大且叶形不同的油菜品种浙油50和浙油18,采用三维扫描仪扫描油菜叶片,用两种方法建立油菜单株模型,为相关植物模型构建提供参考。根据模型计算叶片面积并进行初步分析,为后续群体模型构建奠定基础。     

植物根系形态建成研究进展

根系的形态建成对植物生长发育的好坏发挥着十分重要的作用.本文概述了植物侧根形成和生长过程中侧根原基的起始、形成、生长点的活化和侧根的伸长过程,分析了根毛形成和生长过程中根毛细胞命运的特异化、根毛的初始化和伸长的过程及其相关基因的作用.     

基于基因组学的作物种质资源研究:现状与展望

作物种质资源工作涉及面很广,包括种质资源的收集、编目、保护、繁种更新、分发利用与信息系统建立等基础性工作,作物起源、驯化与传播、种质分类、民族植物学与传统知识研究等基础研究,遗传多样性评价、重要性状表型鉴定、种质资源基因型鉴定、基因发掘和种质创新等应用基础研究。经过近百年的努力,种质资源的基础性工作已卓有成效,作物种质资源保护与共享利用体系基本建立。但由于主要基于形态学的传统研究思路和方法存在很多先天不足,种质资源基础研究和应用基础研究一直举步维艰,效率低下。随着分子标记技术和第二代测序技术的快速发展,基因组学理论和方法不断深入到种质资源研究的多个层面,使种质资源保护和创新利用发生了研究思路和方法学上的变革。基因组学研究成果为种质资源的有效收集和保护提供了理论指导,也为阐明作物起源和演化、全面评估种质资源结构多样性提供了核心理论和技术,同时大幅度提高了基因发掘和种质创新效率。特别是全基因组测序、重测序和简化基因组测序技术不断成熟,使在全基因组水平上比较不同种质资源基因组变异成为可能;在此基础上,可阐明农作物起源以及驯化、改良和传播对种质资源形成的影响,明确现有种质资源和野外种质资源群体结构和遗传多样性,提出种质资源异地保存和原生境保护的最佳策略;结合表型鉴定数据,利用连锁分析和关联分析等基因组学方法,可高效发掘种质资源中蕴含的新基因和有利等位基因,提出其利用途径和具体方案,并在种质创新过程中充分利用基因组学研究成果提高创新效率。文章评述了基因组学在种质资源研究中的应用现状,特别是在种质资源基因型鉴定、异地保存和原生境保护、作物起源与进化研究、结构多样性分析、新基因发掘和种质创新等方面的应用情况及其发展趋势。提出了今后的发展方向和工作重点,强调把基因组学理论和方法与作物种质资源研究紧密结合,为种质资源的有效保护和高效利用提供强有力的理论、技术、材料与信息支撑。     

基于三维数字化的玉米株型参数提取方法研究

【目的】玉米株型参数获取是玉米精确化育种和栽培研究的重要环节,研究解决玉米株型参数获取中存在的测量标准不一致、测量精度低、数据难以可视化、算法提取参数精度低等问题具有重要意义。【方法】本文利用三维数字化仪获取玉米植株骨架结构,提出玉米茎、叶、雄穗和雌穗器官三维数字化获取标准规程。通过将植株三维数字化数据旋转至与Z轴正方向平行并平移至坐标系原点进行数据标准化,进一步根据三维数字化数据位置关系,结合各株型参数的定义实现了株高、叶片着生高度、叶片最高点高度、叶长、叶宽、叶展、叶倾角及叶方位角等主要株型参数的提取,同时提出一种新的玉米植株方位平面计算方法,通过构建植株方位平面与各叶方位角角度差绝对值之和作为目标优化函数,进一步对该L1优化问题进行迭代求解得到植株方位平面,当叶数量是偶数时,方法可以给出精确的方位平面区间,在此基础上,引入dev值作为评价植株叶相对植株方位平面偏离度的指标。【结果】利用6个品种吐丝期玉米植株三维数字化数据和人工测量参数数据进行株型参数提取方法验证。结果表明,方法提取的叶长、叶倾角、方位角误差较小,RMSE分别为3.44 cm、3.41°和8.23°,叶长和叶倾角的MAPE分别为4.06%和4.72%,叶宽因叶片在叶脉垂直平面上的曲线形态不一致导致误差相对较大,RMSE和MAPE分别为0.80 cm和7.21%。与传统负方向能量均值法相比,所提出新的玉米植株方位平面计算方法给出了玉米植株方位平面更确切的定量化描述,对于玉米株型的定量评价具有一定价值。【结论】基于三维数字化的玉米株型参数提取方法为玉米株型参数的提取与分析提供了一种精确、便捷、可视的技术手段,对于玉米株型表型组学、玉米功能结构模型及玉米株型优化研究具有重要作用。     

基于参数L-系统的温室番茄植株的三维重建

研究利用参数L-系统对温室番茄植株的生长过程进行快速高效的三维可视化仿真的方法。首先根据番茄植株的生长特点从图像中提取植株骨架,分析其拓扑结构,总结出番茄植株生长的参数L-系统公式集,然后利用图像与计算机图形学相结合的方法,对公式集进行图形符号解释,模拟再现番茄植株的生长过程。为了保证真实性,重建的虚拟番茄植株的茎干骨架利用来自Kinect数字化结果的真实番茄植株的茎干样本进行绘制;叶片采用了基于图像与图形相结合的方法重建,花和果实用纯图形学方法进行模拟。在VC++平台上,结合OpenGL图形库实现了可视化仿真过程。研究中所提出的方法能够较好地模拟温室番茄植株动态生长的过程,同时具备快速性与真实性。     

表型检测中用于小麦株型研究的快速三维重建方法

植物表型自动化检测技术在农业研究和作物育种的过程中发挥了重要作用,但目前受限于二维技术三维特征很难被提取。株型是影响多分蘖作物产量的重要表型特征之一,它包括分蘖数、分蘖角、和茎粗等参数。传统方法中获取这些特征参数需要大量的人工测量,而人工测量具有耗时,主观性强,不准确等缺陷,因此用人工的方法进行大批量的表型分析是不现实的。为了使作物育种研究中株型参数提取实现自动化,提出一种用于高通量植株株型性状参数获取的快速三维重建方法,为了提高重建效率,研究中使用了图形处理单元(GPU)并行处理技术,在统一计算设备架构(CUDA)下进行重建的并行计算,使单株重建时间缩减到10秒左右,适合使用于高通量表型检测平台。     

曲面建模方法在数字植物中的应用与展望

利用曲面建模方法实现植物形态结构的三维重构和真实感显示是数字植物研究的基础工作.本文对近年来曲面造型理论和技术的发展进行了介绍,着重阐述了参数曲面建模和隐式曲面建模技术在植物形态建模中的应用,分析了相关技术的各自优势,并对基于多边形网格的几何建模方法中一些新曲面造型技术在数字植物几何建模中的应用趋势进行了讨论,最后对曲面建模方法与数字植物研究的结合进行了展望.     

三维电子地图服务平台的关键技术研究

针对二维电子地图难以满足城市信息化管理的需求,提出建设城市三维电子地图的方法。通过三维电子地图的生产,利用ArcGIS Server和Flex Builder开发了可视化三维电子地图平台,实现城市的三维地图显示、浏览、查询功能,并能提供基于三维电子地图的地图书签服务、自驾查询服务、地图标记服务、地图纠错服务、地图广告服务等。重点阐明了系统总体技术路线、三维地图数据建设流程、服务平台构建技术等关键技术,所构建的三维电子地图服务平台在网络公众服务方面有较广阔的应用前景。     

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DCT中频的三维数字水印算法

提出一种基于DCT中频的三维模型数字水印算法。算法利用三维网格模型的中心到各个顶点的距离来负载水印,首先,对距离值序列进行一维DCT变换转换到频域,在变换中选择中频系数来负载水印,然后,再进行逆向DCT变换,转换到空域。实验结果表明该算法具有较好的透明性,并且实现简单,对噪声攻击、网格简化攻击、裁剪攻击具有较好的鲁棒性。