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小麦抗旱相关根系表型原位测量与分析

农业机械学报 2024年

作者：段凌凤傅金阳王新轶施家伟李为坤杨万能华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室华中农业大学工学院

根系是植物吸收水分的主要通道，根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标，利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验，共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程，... 详细信息

根系是植物吸收水分的主要通道，根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标，利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验，共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程，针对土壤遮蔽引起的断根问题，提出了一种融合目标检测网络和沙漏注意力网络的检测-修复两阶段断根修复方法，以修复根系断裂区域，并通过多尺度训练和自适应迭代法提高修复精度和鲁棒性。研究提取了小麦在干旱胁迫和对照处理下的根面积、总根长、根宽等6个表型性状，分析了小麦根系对干旱胁迫的表型响应。结果显示，干旱胁迫下，小麦会有更低的根系生物量、更深的根系扎根深度及更分散的根系构型。研究同时计算了小麦根系干旱胁迫耐受性指数，结合主成分分析法，对小麦品种的抗旱能力进行了描述和排序。

关键词：小麦根系表型原位测量抗旱性分析断根修复

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基于改进U-Net的根系表型参数测量系统

森林工程 2024年第4期40卷 127-136页

作者：赵亚凤刘晓璐王冬冬王孟雪宋文华胡峻峰东北林业大学计算机与控制工程学院哈尔滨150040

为解决背景噪声干扰下,从微根管采集的原位根系图像中难以直接提取准确的表型参数问题,提出一种基于改进U-Net的微根管根系表型参数测量系统。在U-Net网络中引入优化后的空洞空间金字塔池化模块(Atrous Spatial Pyramid Pooling,ASPP)... 详细信息

为解决背景噪声干扰下,从微根管采集的原位根系图像中难以直接提取准确的表型参数问题,提出一种基于改进U-Net的微根管根系表型参数测量系统。在U-Net网络中引入优化后的空洞空间金字塔池化模块(Atrous Spatial Pyramid Pooling,ASPP)和高效通道注意力模块(Efficient Channel Attention,ECA),增大感受野,提升模型捕捉根系细节特征的能力,获取精确的根系分割图像。结果表明,改进的U-Net模型平均交并比和平均像素精度分别为87.07%和91.85%,相较原始U-Net分别提高了2.49%和2.3%。与WinRHIZO根系分析软件测量值相比,根长度和面积决定系数分别为0.951 8和0.984 9,Spearman相关系数分别为0.972 5和0.975 7,可以实现根系长度和面积的准确测量。

关键词：根系表型微根管图像分割参数测量 U-Net

基于阵列式ESP32-CAM的番茄根系表型原位测量方法

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农业工程学报 2023年第18期39卷 172-182页

作者：孙国祥蔡嘉奇周新竹徐乃旻南京农业大学工学院南京210031 江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室南京210031

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... 详细信息

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对百分比误差分别为7.78%、5.66%、8.48%、2.40%和2.23%,决定系数R2分别为0.91、0.93、0.84、0.98和0.99。该方法适用于番茄根系表型原位测量,并可推广至其他植物或果树根系表型原位测量。

关键词：图像处理根系番茄根系表型原位图像拼接 U-Net ESP32-CAM

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作物根系表型鉴定评价方法的现状与展望

中国农业科学 2022年第3期55卷 425-437页

作者：李龙李超男毛新国王景一景蕊莲中国农业科学院作物科学研究所/农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程

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... 详细信息

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。

关键词：作物根系表型室内鉴定田间鉴定评价方法

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谷子适应干旱的根系表型及生理生化基础

谷子适应干旱的根系表型及生理生化基础

作者：杨小霞榆林学院

学位级别：硕士

谷子(Setaria italica L.)是我国西北地区重要的粮食作物,含有丰富的营养成分,正逐渐成为一种功能性食品原料。然而,降雨量减少和降水不均限制了其生长和产量。因此,培育新型抗旱、高产品种是应对气候变化的有效措施。研究谷子根系的表... 详细信息

谷子(Setaria italica L.)是我国西北地区重要的粮食作物,含有丰富的营养成分,正逐渐成为一种功能性食品原料。然而,降雨量减少和降水不均限制了其生长和产量。因此,培育新型抗旱、高产品种是应对气候变化的有效措施。研究谷子根系的表型特征是新品种选育的基础,对选育的优势资源进行干旱胁迫,以揭示谷子适应干旱的根系表型及生理生化基础,为培育新品种提供重要理论依据。本研究首先从全国种植谷子的四大生态区收集65品种进行水培,通过鉴定根系表型,选出8个优势品种;其次,利用水培法对优势品种进行聚乙二醇-6000(PEG-6000)模拟干旱,初步判定干旱对根系表型及生理生化特性的影响;最后,进行盆栽验证性试验,选用抗旱性品种(Yugu1)和干旱敏感性品种(An04)全生育期进行干旱胁迫,确定干旱胁迫对根系表型及生理生化特性的影响。主要结果如下:1.不同品种在根系生长和功能性状上存在较大差异。根干质量、最大根长、根表面积和根密度对主成分的贡献最大。根表面积比和根体积比与根长比呈显著正相关,而根长密度和根重密度与根长比呈显著负相关(P根系最大,具有最大的根长、地上部干质量、根干质量和根密度;东北早熟区的根系最小。西北早熟区品种的根长和根干重约为东北早熟区的2.2倍。2.不同生态区谷子幼苗根系对干旱胁迫的响应机制存在差异。生态区由北向南,谷子根冠比、根长、根表面积和根体积依次增加。西北早熟区谷子根系中非结构性碳含量最多、夏谷区品种吸水能力最强。干旱胁迫下,谷子生物量减少,根冠比增大;根长、根表面积和根体积显著降低,且夏谷区品种降幅最大;西北早熟区谷子将较多的光合糖分配给根系,以维持可溶性糖与淀粉比值稳定。***1和An04的水分利用效率在干旱胁迫下与对照组分别提高18.4%和63.2%;根系伤流(RE)分别下降66.7%和89.0%,光合速率分别下降34.3%和61.8%,产量分别下降40.6%和62.6%。RNA-Seq数据显示Yugu1中β-淀粉酶2的表达低于An04。3个参与糖转运的基因SWEET和4个质膜内源蛋白基因PIP在Yugu1中的表达水平高于An04,从而将更多的光合糖分配给根系,以防止可溶性糖与淀粉的比值剧烈升高。Si PIP的高表达水平也增强了根系的吸水能力。谷子在干旱胁迫条件下保持较高的RE、气孔导度和净光合速率。综上所述,西北早熟区的谷子品种根系较大,根系中非结构性碳含量较多,在干旱胁迫下通过将较多的光合糖分配给根系来稳定可溶性糖与淀粉比值,进而提高抗性。

关键词：谷子干旱胁迫根系表型生理生化特性

基于热红外成像和断根修复算法的玉米根系表型检测方法

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光谱学与光谱分析 2020年第9期40卷 2845-2850页

作者：卢伟韩钊蹇兴亮 Zhou Ji 姜东丁艳锋南京农业大学工学院/江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室江苏南京210031 John Innes Centre Earlham InstituteNorwich Research ParkNorwichNR47UHUK 南京农业大学作物表型组学交叉研究中心江苏南京210014

针对土壤遮挡时根系图像信息不全的问题,提出一种热红外成像根系表型检测方法,结合Criminisi改进算法实现根系图像信息的增强和修复,并研究玉米根系表型与种子活力之间的关系。首先,设计一种适应于玉米根系构型的环形双层石英培养装置... 详细信息

针对土壤遮挡时根系图像信息不全的问题,提出一种热红外成像根系表型检测方法,结合Criminisi改进算法实现根系图像信息的增强和修复,并研究玉米根系表型与种子活力之间的关系。首先,设计一种适应于玉米根系构型的环形双层石英培养装置迫使玉米根系贴壁生长,分别将老化0, 1, 3和6 d的玉米种子种植在环形培养装置中。基于水和土壤比热容具有显著差异的特点,利用水对玉米苗根茎进行滴灌,并通过热空气对培养装置中的玉米根系进行短时热激励,再用红外热像仪采集根系红外热像,利用土壤与根土间隙水流温度的差异实现土壤遮挡处根系的热成像。其次,对预处理后的根系热像,进行端点和最佳匹配对判定,并利用Criminisi改进算法对红外热像中的断根连接,实现根系热红外图像的修补。最后,利用以上方法分别对不同老化天数的玉米种子幼苗进行根系表型检测验证。结果表明,所提出的热红外成像方法可有助于土壤遮挡处根系的表型图像信息增强,比彩色图像提取的根系表型参数精度提高约0.5%~10%。玉米种子老化1d后其根系表型参数总根长(RTL)和总根数(RTN)未见明显差异,但老化3d和6d的种子其根系表型参数具有显著差异, RTL减少20%~35%, RTN减少10%~55%,反映了玉米种子长时间老化后其活力存在显著下降。不同老化天数的玉米根系表型参数RTL和RTN均与老化天数呈显著负相关,可作为种子活力的重要指标参数,其中,种子根系RTN参数对老化更为敏感,更能够直观反映种子的活力水平,老化1和3 d的种子发根与未老化种子相比均推迟1 d;老化6 d的种子其发根则推迟2 d,且后续根系发育一直迟缓。所提的基于热红外成像的根系表型检测结合Criminisi改进算法的根系表型检测方法,可用于作物根系表型高通量无损检测,具有广阔的应用前景。

关键词：根系表型热红外成像图像修复种子无损检测

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利用径向生长修复算法检测玉米根系表型

农业工程学报 2021年第18期37卷 195-202页

作者：卢伟邵昱宁王玲罗慧周济邓一明南京农业大学人工智能学院南京210031 剑桥作物研究所/国立农业植物学研究所英国剑桥CB30LE 密歇根州立大学工学院美国密歇根州东兰辛48824

针对根系图像中的断根易导致根系表型信息难以精确获取的问题,该研究提出一种根系径向生长修复算法,并基于此进行不同抗性玉米种子根系表型对比研究。首先,采用自适应对比度增强、直方图灰度查找、椒盐去噪等对采集的根系图像进行预处理... 详细信息

针对根系图像中的断根易导致根系表型信息难以精确获取的问题,该研究提出一种根系径向生长修复算法,并基于此进行不同抗性玉米种子根系表型对比研究。首先,采用自适应对比度增强、直方图灰度查找、椒盐去噪等对采集的根系图像进行预处理,从复杂背景中分离出根系图像;再通过YOLO-V3检测模型进行根系图像中主根根尖识别;最后,自根尖开始进行径向生长,通过分叉点主根提取策略、端点自适应修复策略实现主根图像修复,并提取主根和侧根表型信息。将普通、抗旱、抗涝、抗盐4种不同抗性的玉米种子种植于槽型扁平容器中培养14 d后取出,冲洗得到完整根系并进行图像采集。采用径向生长修复算法进行根系修复后提取根系长度和直径与根系图像修复前相比,根系长度和直径的提取精度分别由83.6%和84.4%提高至97.4%和94.8%,径向生长修复算法提取精度优于区域生长算法,适用于不同胁迫环境下玉米根系表型参数提取。在干旱环境和盐腌环境下,径向生长修复算法精度提升更明显。结果表明,该研究所提出的根系径向生长修复算法可有效提高根系图像表型信息精度,为根系表型快速提取提供参考。

关键词：图像处理算法根系表型环境胁迫径向生长自适应修复

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干旱胁迫对不同年代谷子苗期根系表型的影响

中国农学通报 2023年第7期39卷 24-32页

作者：杨小霞严加坤榆林学院生命科学学院陕西榆林719000

作为种植于中国西北干旱和半干旱区域重要的粮食作物,谷子具有较高的营养价值。但近年来干旱频发,导致谷子品种退化、品质下降。因根系是运输有机质的重要器官,对植物生长发育的全过程至关重要,选取3个不同年代的6个谷子品种为研究对象... 详细信息

作为种植于中国西北干旱和半干旱区域重要的粮食作物,谷子具有较高的营养价值。但近年来干旱频发,导致谷子品种退化、品质下降。因根系是运输有机质的重要器官,对植物生长发育的全过程至关重要,选取3个不同年代的6个谷子品种为研究对象,采用土培法人工模拟干旱环境(出苗10天后一组停止浇水至收获;另一组正常浇水,70%±5%FWC),探究品种更替过程中干旱胁迫对谷子苗期根系表型的影响机理。结果表明,不同年代谷子幼苗根系对干旱胁迫的响应机制存在差异,随年代推进,谷子根系干质量、根长、根表面积和根体积呈先降后升趋势。自20世纪70年代以来,1970s—1980s和2000s—2010s谷子在干旱环境中的生长速率分别显著提升了18.1%和30.1%(P0.05);1970s—1980s谷子的总干重、根宽度和根条数分别显著增加59.8%、21.4%和27%(P0.05);2000s—2010s谷子的根宽度、根总长和根长比分别显著降低28.5%、15.3%和35.9%(P0.05)。本研究结果表明,干旱胁迫下,现代品种苗期根系的敏感度降低,表型差异缩小,耐性提高。

关键词：谷子干旱胁迫品种更替根系表型

基于生理指标的棉花耐高温品种筛选及与根系表型关系分析

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中国生态农业学报（中英文） 2022年第12期30卷 1949-1958页

作者：司鹏刘连涛孙红春张科白志英李存东张永江河北农业大学农学院/省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室/河北省作物生长调控重点实验室保定071000 河北农业大学生命科学学院保定071000

近年来黄河流域棉区高温频发,已成为限制棉花生长发育的重要非生物胁迫因素之一。目前不同棉花品种响应高温的特性,尤其是根系表型差异尚不明确。本试验选择该棉区15个主栽棉花品种,于六叶期在人工气候室设置对照(昼夜25℃/25℃)和高温... 详细信息

近年来黄河流域棉区高温频发,已成为限制棉花生长发育的重要非生物胁迫因素之一。目前不同棉花品种响应高温的特性,尤其是根系表型差异尚不明确。本试验选择该棉区15个主栽棉花品种,于六叶期在人工气候室设置对照(昼夜25℃/25℃)和高温(昼夜35℃/30℃)处理,处理1周后测定功能叶片光合性能指标及根长、根表面积等根系表型指标。结果表明,高温胁迫下棉花叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、PSⅡ最大光化学效率(F_(v)/F_(m))和叶绿素含量(SPAD值)均降低;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性,可溶性糖含量和相对电导率均升高。利用主成分分析将10个指标整合为2个综合指标,得到不同品种的耐热系数和品种得分,聚类分析筛选出3个耐高温品种:‘硕丰1号’‘国欣9号’和‘鲁棉研28’,及5个不耐高温品种:‘石抗126’‘邯无216’‘国欣4号’‘沧棉268’和‘农大601’。进一步将高温与对照的棉花根系表型指标比值与耐高温品种得分进行相关性分析,根长、根表面积、根体积和根平均直径的相关系数分别为0.766(P0.05),表明耐高温能力强的品种在受到高温胁迫后,根系表型指标值降低的幅度较小;此外研究也表明,根长、根表面积和根体积也可以作为棉花耐高温筛选的指标。

关键词：耐热性棉花根系表型黄河流域棉区

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