利用多光譜成像技術(shù)根據(jù)種皮顏色預(yù)測蓖麻種子活力

使用多光譜成像技術(shù)預(yù)測蓖麻種子的活力
 

摘要：本研究旨在強(qiáng)調(diào)多光譜成像在蓖麻種子質(zhì)量檢測中的應(yīng)用。從視覺上看，120顆種子被分為三類：黃色、灰色和黑色種子。此后，在375-970nm范圍內(nèi)的19個(gè)不同波長下拍攝了所有種子的圖像。從圖像中提取每個(gè)種子的平均強(qiáng)度，觀察到三種顏色類別之間的顯著差異，近紅外波長的分離效果最好。采用基于歸一化典型判別分析的特定特征（區(qū)域SI均值），以92%的準(zhǔn)確率區(qū)分活種子和死種子。在一組驗(yàn)證種子上測試了相同的模型。根據(jù)發(fā)芽能力將這些種子分為兩組，其中241個(gè)被預(yù)測為有活力并有望發(fā)芽，59個(gè)被預(yù)測為死亡或未發(fā)芽的種子。該模型的驗(yàn)證使種子分類正確率達(dá)到96%。這些結(jié)果說明了如何利用多光譜成像技術(shù)，根據(jù)種皮顏色預(yù)測活蓖麻種子。 
 

圖1.(A)VideometerLab儀器圖片和(B)VideometerLab 儀器的輪廓設(shè)置
 

2.種子概述根據(jù)種皮的視覺顏色分為三類：黃色、灰色和黑色

本文是對蓖麻的第一項(xiàng)研究，其中使用多光譜成像測量了種皮顏色反射，并根據(jù)種子活力進(jìn)行了分類。Lucena 等人實(shí)施了類似的蓖麻種子分離，基于人眼的檢查，在我們的研究中也進(jìn)行了評(píng)估作為主要步驟（A 行，圖 2）。圖 2 提供了生態(tài)型 Esfahan 種子的概覽，分為三個(gè)種皮顏色類別；黃色、灰色和黑色。行A中種子的3×3圖像的視覺比較表明所有三種種皮顏色類別之間的顏色變化。B行顯示A行種子的變換圖像；此處黃色種子顯示為紅色，灰色和黑色種子顯示為藍(lán)色。C行和D行顯示切割的種子，觀察到與整個(gè)種子相似的模式，展示了圖像的轉(zhuǎn)換如何導(dǎo)致切割的黃色種子呈現(xiàn)紅色，而可行的切割種子呈現(xiàn)藍(lán)色外觀。E行顯示四唑染色的結(jié)果。根據(jù)脫氫酶活性，黃色種子沒有染色，而灰色和黑色種子將活組織染成紅色。因此，我們的結(jié)果表明，多光譜成像可以是蓖麻種子活力測試中的一種非破壞性方法，因?yàn)槲覀円呀?jīng)觀察到種皮顏色反射與通過四唑測試獲得的活力之間令人滿意的正相關(guān)。
 

圖3中的光譜顯示了三個(gè)種子類別的反射，從中可以觀察到，在375 470 nm 的波長中，黃色和灰色種子是相似的，但在使用更高的波長數(shù)時(shí)有所不同。與所有19個(gè)波長的黃色和灰色種子相比，黑色種子的反射強(qiáng)度較低�；�于來自所有波長的反射數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，三類有顯著差異。黑色種子類別內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差低于黃色和灰色種子類別內(nèi)的變化。
 

圖3.基于三種種子類別的種皮表面反射的平均反射光譜，確定為黃色、灰色和黑色種子

校準(zhǔn)模型（基于活種子和死種子之間的nCDA轉(zhuǎn)換）校準(zhǔn)集的結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4顯示了從活種子獲得的區(qū)域平均值的分布，觀察到大多數(shù)值為負(fù)值，屬于種子類別的灰色和黑色。在圖5中，大多數(shù)值為正值，從測定為黃色的種子中獲得。根據(jù)四氮唑試驗(yàn)和區(qū)域平均特征，總共有94個(gè)種子被確定為有活力的，89個(gè)種子為負(fù)值，被歸類為有活力的。在校準(zhǔn)組中，根據(jù)四氮唑試驗(yàn)，26個(gè)種子被確定為死亡，根據(jù)區(qū)域平均特征，21個(gè)種子被分類為死亡。在校準(zhǔn)組中，120個(gè)種子中有92%被正確分類（當(dāng)0被設(shè)置為閾值時(shí)）。
 

圖4.在四唑試驗(yàn)中具有/不具有酶活性的種子RegionMSI平均值圖
 

圖6.平均反射光譜基于來自發(fā)芽和未發(fā)芽種子的種子的種皮表面的反射

光譜反射率的評(píng)估在圖6和靜態(tài)分析中觀察到，發(fā)芽種子和非發(fā)芽種子的平均強(qiáng)度值之間存在顯著差異，并且使用近紅外反射(NIR)波長進(jìn)行最佳分離。早期的視覺研究強(qiáng)調(diào)了 NIR 波長在預(yù)測發(fā)芽能力方面的重要性，例如Shetty, N對菠菜種子進(jìn)行的多光譜成像測試。
 

Videometer Lab4多光譜種子表型成像系統(tǒng)是丹麥理工大學(xué)與丹麥Videometer公司開發(fā)，是用于種子研究先進(jìn)的多光譜表型成像設(shè)備，典型客戶為ISTA國際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)、ESTA歐洲種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)、John Innes Centre、LGC化學(xué)家集團(tuán)、奧胡斯大學(xué)等等，利用該系統(tǒng)發(fā)表的文章已經(jīng)超過300篇。
 

Videometer種子表型表型成像系統(tǒng)可測量種子如尺寸、顏色、形狀等，間接測定種子參數(shù)如種子純度、發(fā)芽百分比、發(fā)芽率、種子健康度、種子成熟度、中壽命等。種子活力綜合種子活力是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的總和（發(fā)芽和出苗期間的活性水平與行為），是種子品質(zhì)的重要指標(biāo)，具體包括吸漲后旺盛的代謝強(qiáng)度、出苗能力、抗逆性、發(fā)芽速度及同步性、幼苗發(fā)育與產(chǎn)量潛力。種子活力是植物的重要表型特征，傳統(tǒng)檢測方法包括低溫測試、高溫加速衰老測試、幼苗生長測定等。
 

該系統(tǒng)也可以對細(xì)菌、蟲卵、真菌等進(jìn)行高通量成像測量，進(jìn)行病理學(xué)、毒理學(xué)或其它研究。對于擬南芥等冠層平展的植物，可以進(jìn)行自動(dòng)的葉片計(jì)數(shù)等。
 

北京博普特科技有限公司是丹麥Videometer系列產(chǎn)品中國區(qū)總代理，全面負(fù)責(zé)其系列產(chǎn)品在中國市場的推廣、銷售和售后服務(wù)。