水稻根系是吸收無機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,相關(guān)輔助工具和測量方法的研究進展相對緩慢,根系表型研究和商業(yè)應(yīng)用仍處在研究階段,許多科研機構(gòu)仍然在使用低效率的人工測量的方式進行測量。針對市場和研究機構(gòu)對根系高效率和大批量表型測量的需求,本文探索了與水稻根系相關(guān)的根系表型研究和參數(shù)測量方法。首先根據(jù)水稻的生長特點,選擇合理的實驗培養(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,提出“變徑圓尋跡法”實現(xiàn)了對水稻根系的完整分割,以及主根和次根的拓撲關(guān)系識別。此外,本文就水稻根系相關(guān)參數(shù)進行了需求匯總,根據(jù)不同根系的形態(tài)參數(shù)和生長發(fā)育階段,制定了相關(guān)的測量方法。并且針對水稻大批量的表型需求,設(shè)計和制作自動化表型平臺。設(shè)備可實現(xiàn)對水稻幼苗的自動化運輸、成像、存儲操作,可實現(xiàn)大批量的實驗樣本的動態(tài)監(jiān)測。并利用MATLAB圖像處理平臺,進行了相關(guān)表型參數(shù)測量算法的實現(xiàn),為科研人員提供了一個可靠高效的測量工具。 

【文章來源】：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

【文章頁數(shù)】：86 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

一種快速測量根系長度的裝置

圖 1-2 根系測量軟件，左為 Gia Root 右為 RootNav[10,11]Fig.1-2 The Root measurement software Gia Root andRootNav[10,11]通過上圖可見水稻即便在發(fā)育初期，須根系就已經(jīng)相當密集，理論上高通量測定和測定精度要是一對不易協(xié)調(diào)的矛盾。GiaRoots 以及 Iyer-Pascuzzi 等人開發(fā)的軟件是目前針對水稻適用性最佳的高通量全自動化測定軟件，但是也無法避免根系在交錯和重疊較多時的測定誤差，同時也無法測定指定根段的長度和直徑分布。此外，其他根系測定軟件都暫時無法做到對無需平鋪和手動分散根系的水稻幼苗根系圖像進行測定。目前大部分自動化測定軟件是指在圖像處理過程中無需人工干預(yù)，如指定根基和根尖，修正程序自動匹配的根系路徑等。而半自動軟件一方面要求根系圖像中避免過多的根系遮擋和重疊，可能需要平鋪分散根系進行拍照，一方面在軟件測定過程中可能需要人工對軟件的失誤進行修正。RootNaV 是由 Michael P. Pound 等人開發(fā)的半自動化測定軟件，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分割結(jié)果的影響，并且在手動確定根基后，軟件可以通過 A*算法（路徑最短算法）自動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 平臺開發(fā)了半自動

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定的高通量掃描和處理系統(tǒng)，當用戶需要單獨測定某條根段時需要用鼠標進行選取起始點，軟件通過 Dijkstra 最小路徑算法分割該根段，該軟件不能處理生長時間較長的植株根系[15]。此外，還有一些科研機構(gòu)開發(fā)的免費根系測量軟件，如半自動化軟件RootScape，RootTip Trace，RootTrace，RootFlowRT 等[1617 18-19]。以及針對發(fā)育初期，形態(tài)簡單的植株幼苗設(shè)計的自動化軟件，如 Aria，ARTT，BRAT,ElonSim,GrowthExplorer 等[2021 22 23-24]。1.4 課題研究內(nèi)容和目標根系的表型測量工作作為考察農(nóng)作物表型性狀和育種水平的的首要環(huán)節(jié)，其作業(yè)一直依賴手工標記測量或者采用高精檢測機構(gòu)中昂貴的 XCT 機器進行檢測。手工標記測量效率低、誤差大，而 XCT 機器價格高昂、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境苛刻，

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于Image J軟件的水稻根毛長度測量[J]. 付艷茹,須健.  湖北農(nóng)業(yè)科學(xué). 2015(07)
[2]論植物表型組和植物表型組學(xué)的概念與范疇[J]. 潘映紅.  作物學(xué)報. 2015(02)
[3]植物中硅礦化作用的硅同位素示蹤研究[J]. 丁悌平,田世紅,孫立,馬國瑞,周劍雄,吳良歡,萬德芳,水茂興,王成玉,陳振宇,高建飛.  地球?qū)W報. 2009(02)
[4]基于圖像處理方法的根系分形維數(shù)估計[J]. 盧煥達,周麗娟.  農(nóng)機化研究. 2006(12)
[5]不同類型水稻根系形態(tài)特性實驗方法的比較與分析[J]. 黃燕湘,羅麗華,何靜.  實驗技術(shù)與管理. 2006(07)
[6]水稻根系生長動態(tài)的研究[J]. 董桂春,王余龍,吳華,周小冬,王堅剛,蔡惠榮,蔡建中.  揚州大學(xué)學(xué)報. 2002(04)
[7]分形理論在植物根系結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用[J]. 廖成章,余翔華.  江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2001(02)
[8]綜合全局二值化與邊緣檢測的圖像分割方法[J]. 趙雪松,陳淑珍.  計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報. 2001(02)
[9]水稻根系研究方法[J]. 林文,鄭景生,姜照偉,李義珍.  福建稻麥科技. 1997(04)
[10]快速測量植物根系長度的方法[J]. 劉順康.  土壤. 1995(02)

博士論文
[1]植物根系圖像監(jiān)測分析系統(tǒng)[D]. 劉九慶.東北林業(yè)大學(xué) 2005

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)的研究與實現(xiàn)[D]. 朱鑫.重慶大學(xué) 2014



本文編號：3540921