水稻根系是吸收無(wú)機(jī)物和支撐水稻植株的重要器官,水稻根系相關(guān)性狀與水稻的健康以及水稻產(chǎn)量有密切的聯(lián)系。然而由于根系土壤的不透光性,以及根系脆弱易損傷的特點(diǎn),相關(guān)輔助工具和測(cè)量方法的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢,根系表型研究和商業(yè)應(yīng)用仍處在研究階段,許多科研機(jī)構(gòu)仍然在使用低效率的人工測(cè)量的方式進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)市場(chǎng)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)根系高效率和大批量表型測(cè)量的需求,本文探索了與水稻根系相關(guān)的根系表型研究和參數(shù)測(cè)量方法。首先根據(jù)水稻的生長(zhǎng)特點(diǎn),選擇合理的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)方案和圖像采集方案。其次結(jié)合圖像處理技術(shù)和水稻根系的形態(tài)特點(diǎn),提出“變徑圓尋跡法”實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻根系的完整分割,以及主根和次根的拓?fù)潢P(guān)系識(shí)別。此外,本文就水稻根系相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了需求匯總,根據(jù)不同根系的形態(tài)參數(shù)和生長(zhǎng)發(fā)育階段,制定了相關(guān)的測(cè)量方法。并且針對(duì)水稻大批量的表型需求,設(shè)計(jì)和制作自動(dòng)化表型平臺(tái)。設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻幼苗的自動(dòng)化運(yùn)輸、成像、存儲(chǔ)操作,可實(shí)現(xiàn)大批量的實(shí)驗(yàn)樣本的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。并利用MATLAB圖像處理平臺(tái),進(jìn)行了相關(guān)表型參數(shù)測(cè)量算法的實(shí)現(xiàn),為科研人員提供了一個(gè)可靠高效的測(cè)量工具。 

【文章來(lái)源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：86 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

一種快速測(cè)量根系長(zhǎng)度的裝置

圖 1-2 根系測(cè)量軟件，左為 Gia Root 右為 RootNav[10,11]Fig.1-2 The Root measurement software Gia Root andRootNav[10,11]通過(guò)上圖可見(jiàn)水稻即便在發(fā)育初期，須根系就已經(jīng)相當(dāng)密集，理論上高通量測(cè)定和測(cè)定精度要是一對(duì)不易協(xié)調(diào)的矛盾。GiaRoots 以及 Iyer-Pascuzzi 等人開(kāi)發(fā)的軟件是目前針對(duì)水稻適用性最佳的高通量全自動(dòng)化測(cè)定軟件，但是也無(wú)法避免根系在交錯(cuò)和重疊較多時(shí)的測(cè)定誤差，同時(shí)也無(wú)法測(cè)定指定根段的長(zhǎng)度和直徑分布。此外，其他根系測(cè)定軟件都暫時(shí)無(wú)法做到對(duì)無(wú)需平鋪和手動(dòng)分散根系的水稻幼苗根系圖像進(jìn)行測(cè)定。目前大部分自動(dòng)化測(cè)定軟件是指在圖像處理過(guò)程中無(wú)需人工干預(yù)，如指定根基和根尖，修正程序自動(dòng)匹配的根系路徑等。而半自動(dòng)軟件一方面要求根系圖像中避免過(guò)多的根系遮擋和重疊，可能需要平鋪分散根系進(jìn)行拍照，一方面在軟件測(cè)定過(guò)程中可能需要人工對(duì)軟件的失誤進(jìn)行修正。RootNaV 是由 Michael P. Pound 等人開(kāi)發(fā)的半自動(dòng)化測(cè)定軟件，該軟件結(jié)合了聚類分析和連續(xù)性分析，避免了光照不均和噪聲對(duì)分割結(jié)果的影響，并且在手動(dòng)確定根基后，軟件可以通過(guò) A*算法（路徑最短算法）自動(dòng)尋找根的中心線得到骨架圖像[13]。Guillaume Lobet 等人基于一種循跡算法和 Image J 平臺(tái)開(kāi)發(fā)了半自動(dòng)

圖 1-3 RootReader2D 掃描儀和植株培養(yǎng)容器[13]Fig.1-3 RootReader2D Scanners and plant culture containers[13]RootReader2D 也是一款可適用于水稻根系測(cè)定的高通量掃描和處理系統(tǒng)，當(dāng)用戶需要單獨(dú)測(cè)定某條根段時(shí)需要用鼠標(biāo)進(jìn)行選取起始點(diǎn)，軟件通過(guò) Dijkstra 最小路徑算法分割該根段，該軟件不能處理生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)的植株根系[15]。此外，還有一些科研機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的免費(fèi)根系測(cè)量軟件，如半自動(dòng)化軟件RootScape，RootTip Trace，RootTrace，RootFlowRT 等[1617 18-19]。以及針對(duì)發(fā)育初期，形態(tài)簡(jiǎn)單的植株幼苗設(shè)計(jì)的自動(dòng)化軟件，如 Aria，ARTT，BRAT,ElonSim,GrowthExplorer 等[2021 22 23-24]。1.4 課題研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)根系的表型測(cè)量工作作為考察農(nóng)作物表型性狀和育種水平的的首要環(huán)節(jié)，其作業(yè)一直依賴手工標(biāo)記測(cè)量或者采用高精檢測(cè)機(jī)構(gòu)中昂貴的 XCT 機(jī)器進(jìn)行檢測(cè)。手工標(biāo)記測(cè)量效率低、誤差大，而 XCT 機(jī)器價(jià)格高昂、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境苛刻，

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]基于圖像處理的植物根系分割及定量分析系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 朱鑫.重慶大學(xué) 2014



本文編號(hào)：3540921