軟硬件集成平臺RhizoVision Crown在根冠表型分析的應(yīng)用

2020年2月，Plant Phenomics刊發(fā)了美國諾貝爾研究所（Noble Research Institute）Larry M. York課題組題為RhizoVision Crown: An Integrated Hardware and Software Platform for Root Crown Phenotyping的研究論文，本文介紹了用于根冠表型分析的軟硬件集成平臺——RhizoVision Crown。
 

根冠表型測量作物根系的頂部，可用于標(biāo)記輔助育種、基因定位以及了解根系如何影響作物對土壤資源的獲取�，F(xiàn)已存在幾種成像協(xié)議和圖像分析程序，但是它們并未針對高通量，可重復(fù)且魯棒的根冠表型進(jìn)行優(yōu)化。RhizoVision Crown平臺集成了成像單元，圖像捕獲軟件和圖像分析軟件，這些軟件經(jīng)過優(yōu)化，可以從大量根冠中提取可靠的測量數(shù)據(jù)。硬件平臺采用背景燈和單色機(jī)器視覺相機(jī)捕捉根冠輪廓。RhizoVision Imager和RhizoVision Analyzer是免費(fèi)的開源軟件，通過直觀的圖形用戶界面簡化圖像捕獲和圖像分析。RhizoVision Analyzer使用銅線進(jìn)行物理驗(yàn)證，并且使用雙子葉植物和單子葉植物根系的10464張模擬真實(shí)圖像對獲取到的特征進(jìn)行廣泛驗(yàn)證。之后，使用該平臺對大豆和小麥根冠進(jìn)行表型分析。本研究對187個株系的2799個大豆(Glycine max)根冠和186個株系的1753個小麥(Triticum aestivum)根冠進(jìn)行了表型分析。主成分分析表明，兩個物種的特征之間存在相似的相關(guān)性。大豆的最大遺傳力為0.74，小麥的最大遺傳力為0.22，這表明需要考慮物種和種群之間的差異。集成的RhizoVision Crown平臺制定了一個可以進(jìn)行基準(zhǔn)測試的開放植物表型分析平臺的標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上可促進(jìn)作物根冠高通量表型分析的發(fā)展。 
 

Fig.1：RhizoVison Crown hardware and software for root crown imaging.
 

RhizoVision Imager允許實(shí)時取景，以便用戶可以驗(yàn)證圖像是否具有高對比度和正確構(gòu)圖，正確的存儲相機(jī)設(shè)置以及是否開啟了將圖像與樣品標(biāo)識一起保存的條形碼掃描模式。使用來自公共數(shù)據(jù)集的10464張雙子葉植物和單子葉植物根系模擬圖像，對RhizoVision Analyzer提取到的特征進(jìn)行了廣泛驗(yàn)證。使用Analyzer提取到的根長、根尖數(shù)、根冠面積、根冠最大寬度、最大深度等數(shù)據(jù)與模擬圖像公布的數(shù)據(jù)之間存在極佳的一致性。
 

Fig.2：Regression between diameters extracted using the RhizoVision Analyzer of copper wires imaged with the camera-based hardware and caliper-measured diameters (each diameter has two points).
 

總之，RhizoVision Crown是一個性價比高的高通量平臺，有望促進(jìn)根冠表型分析技術(shù)的發(fā)展。該平臺建立在之前的平臺的基礎(chǔ)上，通過使用背光燈和條形碼優(yōu)化圖像采集，同時使用為表型設(shè)計(jì)的自定義成像軟件和為批處理設(shè)計(jì)的具有簡單圖形界面的圖像分析軟件，優(yōu)化了之前的平臺。所有軟件在Windows 10上都是免費(fèi)的并且隨時可以使用。該平臺已經(jīng)使用模擬數(shù)據(jù)集進(jìn)行真實(shí)檢測并通過了驗(yàn)證，同時成功地從田間挖掘的谷物和豆類作物的根冠中提取到了根的表型性狀。該平臺使用的工效學(xué)、硬件和軟件集成以及廣泛的驗(yàn)證測試為其他植物表型平臺提供了一個基準(zhǔn)。該技術(shù)將增加根冠表型的獲取途徑，還可作為獲取功能性表型組學(xué)數(shù)據(jù)、遺傳圖譜的一種方法，同時可在育種計(jì)劃中使用，并利用其認(rèn)識如何使用根系表型解決農(nóng)業(yè)不可持續(xù)性和糧食不安全等問題。
 

How to Cite this Article

Anand Seethepalli ,Haichao Guo ,Xiuwei Liu ,Marcus Griffiths ,Hussien Almtarfi,  Zenglu Li ,Shuyu Liu ,Alina Zare ,Felix B. Fritschi ,Elison B. Blancaflor ,Xue-Feng Ma ,and Larry M. York , “RhizoVision Crown: An Integrated Hardware and Software Platform for Root Crown Phenotyping,” Plant Phenomics, vol. 2020, Article ID 3074916, 15 pages, 2020.https://doi.org/10.34133/2020/3074916
 

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About Plant Phenomics
 

《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行，是Science合作出版的第二本期刊。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。2019年8月，已正式被DOAJ數(shù)據(jù)庫收錄。

來源：植物表型組學(xué)
 

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)翻譯。中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。

翻譯：孫港    編輯：黃藝清（實(shí)習(xí)）、孔敏

審核：尹歡