專利名稱：用于對(duì)植物胚芽進(jìn)行收獲和多級(jí)篩分的自動(dòng)化系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明針對(duì)人造種子，尤其是用于自動(dòng)收獲和多級(jí)篩分大量生產(chǎn)的植物胚芽以確認(rèn)適合用于人造種子的胚芽的一種方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通過組織培養(yǎng)來對(duì)挑選的植物品種進(jìn)行繁殖在商業(yè)上取得成功已經(jīng)很多年了。該技術(shù)能夠?qū)μ暨x出的具有相同遺傳基因的觀賞植物、農(nóng)業(yè)植物和森林物種進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。森林物種中的木本植物也許造成了最大的挑戰(zhàn)。在20世紀(jì)70年代，在松類上使用器官形成技術(shù)得到了成功，該技術(shù)的特征在于，將胚芽或者其它器官放在培養(yǎng)基上，胚芽或者其它器官最終將在培養(yǎng)基上復(fù)制多次。將新長(zhǎng)成的胚芽放在能夠誘導(dǎo)其生根的不同培養(yǎng)基上。培養(yǎng)基上生根的胚芽被栽種到土壤中。
雖然松類器官形成技術(shù)是一個(gè)突破，但是，由于需要管理的工作量大，所以成本較高。仍然存在著對(duì)可能產(chǎn)生的基因變性的擔(dān)憂。十年后，體細(xì)胞胚胎形成技術(shù)取得了巨大的成功，成為了松類組織培養(yǎng)的重要方法。利用體細(xì)胞胚胎形成技術(shù)，將外植體放在一個(gè)初始培養(yǎng)基上，外植體通常是一粒種子或者種子胚芽，外植體在培養(yǎng)基上將繁殖出大量具有相同基因的未成熟胚芽。這些都可以在培養(yǎng)基上保持很長(zhǎng)一段時(shí)間并繁殖成所需要的無性系。最后，將未成熟的胚芽放在生長(zhǎng)培養(yǎng)基上，未成熟的胚芽在這里生長(zhǎng)為成熟種子胚芽的體細(xì)胞模擬體。與本描述中使用的方法一樣，體細(xì)胞胚芽是一種通過全能植物細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)或者通過誘導(dǎo)裂生多胚技術(shù)而長(zhǎng)成的植物胚芽，這種植物胚芽與合子胚相反，合子胚是從相應(yīng)植物種子中取出的植物胚芽。這些胚芽經(jīng)過單獨(dú)挑選然后放到萌芽培養(yǎng)基上繼續(xù)生長(zhǎng)。另外一個(gè)方法是，胚芽可以用于人工種子中，即通常所說的人造種子。
當(dāng)前，有很多關(guān)于植物胚形成的一般技術(shù)文獻(xiàn)和越來越多的專利文獻(xiàn)。在授予Gupta等人的第5,036,007和5,236,841號(hào)、授予Robets的第5,183,757號(hào)、授予Attree等人的第5,464,769號(hào)以及授予Gupta等人的第5,563,061號(hào)美國專利文獻(xiàn)中都可查到松類組織培養(yǎng)方法的例子。此外，在授予Carlson等人的第5,701,699號(hào)美國專利中可查到人造種子的一些例子。特此引用這些專利文獻(xiàn)披露的內(nèi)容。扼要地說，一粒典型的人造種子由一層種皮(被膜)構(gòu)成，種皮由各種材料比如纖維質(zhì)制造，里面裝入人工合成配子體(一種發(fā)芽培養(yǎng)基)，然后，在里面放入一顆被管狀限制器包圍著的胚芽。當(dāng)人造種子種入土壤中以后，種皮里面的胚芽長(zhǎng)出根系，最終在發(fā)芽的過程中將限制器連同種皮一起脫掉。
在胚胎形成工序中，從適合于發(fā)芽的胚芽的生長(zhǎng)培養(yǎng)基上選擇性地收獲就是勞動(dòng)密集并受到主觀支配的各步驟中的一個(gè)步驟(例如適合用于人造種子)。從成熟培養(yǎng)基中得到的胚芽可能處在成熟和生長(zhǎng)的很多階段。利用很多直觀估計(jì)的篩分標(biāo)準(zhǔn)將那些最有可能成功發(fā)芽并生長(zhǎng)成為正常植物的胚芽?jī)?yōu)先挑選出來。一個(gè)熟練的技術(shù)人員對(duì)每個(gè)嵌在生長(zhǎng)培養(yǎng)基中的胚芽的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)，如胚芽大小、形狀(比如軸對(duì)稱)、子葉的生長(zhǎng)、表面紋理、顏色以及其它特征進(jìn)行檢查，并通過人工用鑷子將合格的胚芽從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上摘下，摘下的合格胚芽按照二維陣列方式被小心地放在托盤中進(jìn)行進(jìn)一步的處理，這是一個(gè)高度熟練而且單調(diào)乏味的體力勞動(dòng)，即費(fèi)時(shí)又昂貴。此外，當(dāng)最終需要的產(chǎn)量為數(shù)以百萬的植物時(shí)，這個(gè)步驟就成為一個(gè)重要的生產(chǎn)瓶頸。
曾經(jīng)有人提出使用某些類型的用于胚芽選擇的儀表圖像分析裝置來補(bǔ)充或者替代上述的直觀估計(jì)。比如，PCT申請(qǐng)PCT/US00/40720(WO 01/13702 A2)中披露了一種用于人造種子并且包括成像照相機(jī)的胚芽傳輸系統(tǒng)，該成像照相機(jī)能夠獲取并以數(shù)字方式存儲(chǔ)胚芽圖像，然后將圖像發(fā)送到計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)使用一種分級(jí)方法，根據(jù)預(yù)定的參數(shù)(軸對(duì)稱、子葉生長(zhǎng)、表面紋理、顏色等等)并按照它們的合意性(即發(fā)芽并生長(zhǎng)成一般植物的可能性)來對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)，PCT申請(qǐng)PCT/US99/12128(WO 99/63057)中披露了這種分級(jí)方法。然后這些被劃分為合格的胚芽被小型機(jī)器人抓取及放置系統(tǒng)拿來插入到人造種子中。特此引用兩個(gè)PCT專利申請(qǐng)披露的內(nèi)容。
雖然儀器成像分析系統(tǒng)以及隨后的將合格胚芽自動(dòng)插入人造種子的操作在增加胚形成工序的效率方面取得了成功，但是仍然沒有一個(gè)完全自動(dòng)化的工藝，能夠進(jìn)行胚芽收獲(比如，將胚芽從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上摘下)，能夠根據(jù)胚芽的尺寸/形狀對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)并將它們挑選到獨(dú)立單元中(比如，除去不合格的組織或者其它碎片)，并且能夠根據(jù)人造種子的合意性進(jìn)行分級(jí)，以用到人造種子中。換言之，還沒有一個(gè)自動(dòng)工藝，能夠替代目前將生長(zhǎng)培養(yǎng)基上將合格胚芽摘下并把它們放入適合于進(jìn)行進(jìn)一步成熟處理的陣列中的手工操作。本發(fā)明提供一個(gè)完全自動(dòng)化的體細(xì)胞胚收獲工藝，它能夠替代目前的手工操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于自動(dòng)收獲植物胚芽的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明的自動(dòng)收獲法在多個(gè)篩分步驟中對(duì)植物胚芽進(jìn)行篩分，以確定適合用于人造種子中的胚芽，即，不但在飽滿程度上適合用于人造種子(尺寸不是太大也不是太小，沒有太大的彎曲度)，而且從質(zhì)量上也認(rèn)為很可能發(fā)芽并生長(zhǎng)成為正常植物。自動(dòng)收獲法通常包括三個(gè)步驟。第一，根據(jù)植物胚芽的尺寸/形狀進(jìn)行自動(dòng)分類并將它們分別挑選到獨(dú)立裝置中。例如，使用水成液將胚芽從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上沖洗下來(比如，從生長(zhǎng)墊上沖洗下來)并通過多孔材料對(duì)胚芽進(jìn)行篩分。在篩分過程中，對(duì)胚芽進(jìn)一步噴灑水成液，以便更容易地通過多孔材料的孔洞來去掉和沖走任何不需要的材料，比如尺寸過小的胚芽、組織、殘余胚柄塊(ESM)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，多孔材料被做成一條移動(dòng)多孔傳送帶，以便經(jīng)過分類和挑選的胚芽同時(shí)被輸送到后面的分類階段。第二，使用第一分級(jí)方法對(duì)經(jīng)過分類和挑選的胚芽進(jìn)行分級(jí)。例如，用照相機(jī)對(duì)每個(gè)胚芽進(jìn)行成像，然后利用圖像來確定胚芽的尺寸/形狀。那些在預(yù)定尺寸/形狀范圍以內(nèi)的胚芽就被認(rèn)為通過了第一分級(jí)法。第三，至少要對(duì)那些已經(jīng)通過第一分級(jí)法篩分的胚芽利用第二分級(jí)法進(jìn)一步挑選出可用于人造種子的胚芽。例如，可以使用根據(jù)胚芽的假定發(fā)芽勢(shì)(即，成功發(fā)芽的可能性)來對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)的預(yù)開發(fā)分級(jí)算法來對(duì)第一尺寸/形狀分級(jí)法中分析過的相同圖像進(jìn)行分析，以確定很可能發(fā)芽的那些胚芽。通過第一和第二分級(jí)法篩分的胚芽被確定為適合用于人造種子。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，當(dāng)經(jīng)過分類和挑選的胚芽在傳送帶上運(yùn)輸時(shí)，就沿著分級(jí)傳送帶實(shí)施第一和第二分級(jí)方法。在某些分級(jí)方法中，優(yōu)選地，通常在分級(jí)傳送帶上將胚芽排成單行。還提出了實(shí)現(xiàn)胚芽單行布置的各種方法。例如，分級(jí)傳送帶可以垂直于多孔傳送帶布置，而胚芽就在多孔傳送帶上進(jìn)行分類和挑選。根據(jù)這種布置，經(jīng)過分類和挑選的胚芽運(yùn)送到多孔傳動(dòng)帶的末端就會(huì)因?yàn)橹亓哪抢锏舻椒旨?jí)傳動(dòng)帶上，并在分級(jí)傳送帶上形成單行布置。為了在單行布置的胚芽間形成足夠的間距，將胚芽從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上沖洗到多孔傳送帶上的初始速度，或者多孔傳動(dòng)帶的速度可以根據(jù)胚芽從多孔傳送帶掉到分級(jí)傳送帶上的實(shí)際速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這個(gè)實(shí)際速度通過合適的光學(xué)掃描系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該方法還包括將那些沒有通過第一或者第二分級(jí)法篩分的不合格胚芽從分級(jí)傳送帶上自動(dòng)去掉的這個(gè)步驟。例如，一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的空氣或者液體噴嘴就可以用來將不需要的胚芽噴出去。噴嘴啟動(dòng)的準(zhǔn)確時(shí)間可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因?yàn)?，根?jù)照相機(jī)對(duì)每個(gè)胚芽成像的激發(fā)時(shí)間以及分級(jí)傳送帶的速度，能夠準(zhǔn)確知道每個(gè)不合格胚芽的位置。
仍根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該方法還包括將那些已經(jīng)通過第一、第二分級(jí)法篩分的合格胚芽從傳送帶上自動(dòng)移走的這個(gè)步驟。在一個(gè)實(shí)施例中，合格的胚芽被自動(dòng)傳遞到一個(gè)接收面上，形成一個(gè)均勻間隔的陣列，適合于進(jìn)一步進(jìn)行各種成熟處理。例如，接收面可以通過一個(gè)安裝到一個(gè)電動(dòng)化平臺(tái)上的托盤提供，平臺(tái)做成能夠調(diào)節(jié)托盤相對(duì)于分級(jí)傳送帶的位置。根據(jù)每個(gè)合格胚芽從分級(jí)傳送帶上落下時(shí)的已知位置來調(diào)節(jié)托盤的位置，就可以將合格胚芽接收到托盤中，形成一個(gè)均勻間隔的二維陣列。
仍根據(jù)本發(fā)明的又一方面，該方法包括該將那些已經(jīng)通過一個(gè)或者多個(gè)初始分級(jí)法篩分的合格胚芽從傳送帶上自動(dòng)移走的這個(gè)步驟。例如，可以使用小型機(jī)器人系統(tǒng)來拾起那些已經(jīng)確認(rèn)在可接受尺寸/形狀范圍內(nèi)的胚芽，并準(zhǔn)確地將它們放在接收托盤上均勻間隔的二維陣列中。此時(shí)，將胚芽統(tǒng)一定向，比如讓它們的子葉末端對(duì)著同一方向。托盤中正確定向并且相互間間隔均勻的胚芽就可以送去進(jìn)行進(jìn)一步的處理，例如，烘干以及隨后的進(jìn)一步的分級(jí)法篩分。然后，這些在托盤中正確定向并且相互間間隔均勻的胚芽就可以送去并插入到人造種子中，更有利的是，將人造種子按照相對(duì)應(yīng)的均勻間隔陣列進(jìn)行布置。
在多個(gè)篩分階段中對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)以實(shí)現(xiàn)高效的胚芽篩分。例如，首先使用相對(duì)簡(jiǎn)單而且耗時(shí)少的第一分級(jí)方法來對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)，就能夠減少轉(zhuǎn)送到第二分級(jí)法進(jìn)行篩分的胚芽的數(shù)量，第二分級(jí)法更加復(fù)雜而且耗時(shí)。因此，通過仔細(xì)選擇要包含的合適的分級(jí)方法，就能夠以高效利用時(shí)間的方式實(shí)現(xiàn)胚芽更嚴(yán)格的選擇和有區(qū)別的分級(jí)。同樣，本發(fā)明提供了一個(gè)完全自動(dòng)化的收獲體細(xì)胞胚的工藝，該工藝包括對(duì)胚芽就分類和挑選(從把胚芽從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上取下開始)，根據(jù)胚芽的假定發(fā)芽勢(shì)對(duì)經(jīng)過分類和挑選的胚芽進(jìn)行分級(jí)，并進(jìn)一步把這些劃分為合格的胚芽布置成適合于進(jìn)行進(jìn)一步成熟處理的方式，比如，在托盤上布置成均勻間隔的二維陣列。因此，本發(fā)明的自動(dòng)收獲方法和系統(tǒng)能夠代替目前從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上摘下合格胚芽的手工操作。
附圖簡(jiǎn)述結(jié)合附圖并參考詳細(xì)描述，對(duì)同樣的內(nèi)容作更好的了解，本發(fā)明的上述各方面以及隨之而來的很多優(yōu)點(diǎn)就更加容易理解了。其中


圖1A顯示了本發(fā)明中一個(gè)用于植物胚芽自動(dòng)收獲和多級(jí)篩分的系統(tǒng)；
圖1B顯示了本發(fā)明中一個(gè)用于植物胚芽自動(dòng)收獲和多級(jí)篩分的可選擇系統(tǒng)；圖2是一個(gè)流程圖，該流程圖顯示了本發(fā)明中一種用于自動(dòng)收獲及在多級(jí)篩分系統(tǒng)中篩分胚芽的方法的總流程；和圖3A和3B顯示了本發(fā)明中用于對(duì)胚芽進(jìn)行自動(dòng)分類和挑選的可選方法。
優(yōu)選實(shí)施例詳述本發(fā)明涉及一種在日益完善的多級(jí)篩分系統(tǒng)中用于自動(dòng)收獲和篩分大規(guī)模生產(chǎn)的胚芽，比如體細(xì)胞胚，優(yōu)選地用于復(fù)雜性遞增的多級(jí)步驟，以確定那些適合用于人造種子的胚芽的方法和系統(tǒng)。如這里使用的那樣，一個(gè)適合用于人造種子的胚芽意味著胚芽不但在生物化學(xué)上成熟(即，很可能發(fā)芽并生長(zhǎng)成為正常的植物)，而且在形態(tài)上或者飽滿程度上適合用于人造種子(即，具有適合于插入到人造種子中的尺寸/形狀)。
參考
圖1A，在生長(zhǎng)室10，體細(xì)胞胚已經(jīng)從胚柄塊(ESM)中長(zhǎng)出，并且已經(jīng)支撐/懸掛在生長(zhǎng)表面16上。生長(zhǎng)表面可以通過一張生長(zhǎng)墊提供，如圖示的那樣，或者通過任何其它適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)培養(yǎng)基來提供，包括凝膠形式的培養(yǎng)基，或者還可以通過放在生長(zhǎng)培養(yǎng)基上的插入表面提供，比如不銹鋼網(wǎng)。以下描述闡述了一個(gè)利用生長(zhǎng)墊來提供生長(zhǎng)表面的例子，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明中使用的生長(zhǎng)表面是指任何一個(gè)能夠支持或者懸掛從胚柄塊ESM中生長(zhǎng)出的胚芽的表面。
生長(zhǎng)體細(xì)胞胚的方法已是公知，并且在各種出版物中進(jìn)行了描述，如同上面在背景部分討論的那樣。合格的胚芽與未完全生長(zhǎng)的胚芽、異常生長(zhǎng)的胚芽、尺寸過大或者過小的胚芽以及其它非胚芽植物材料片段一起，以不同的程度附在并插入到生長(zhǎng)墊16上的胚柄組織和剩余的發(fā)育不全的胚柄塊ESM中(或者培養(yǎng)材料上)。懸掛在生長(zhǎng)墊16上的胚芽被送到收獲和分級(jí)室12，在這里，將(插入到培養(yǎng)材料上)的胚芽從生長(zhǎng)墊上取下，然后進(jìn)一步進(jìn)行自動(dòng)分類、挑選，并根據(jù)它們合意性進(jìn)行分級(jí)。分級(jí)可以采用日益完善的多級(jí)篩分系統(tǒng)但是耗時(shí)的分級(jí)方法來完成，以實(shí)現(xiàn)日益增多的更高的選擇準(zhǔn)確性和操作效率。那些劃分為合格的胚芽被送去接受進(jìn)一步的成熟處理，例如，送到后生長(zhǎng)處理室14(圖示實(shí)施例中的干燥室)進(jìn)行干燥用于儲(chǔ)存和以后用到人造種子中。本發(fā)明專門針對(duì)在收獲和分級(jí)室12中使用的胚芽自動(dòng)收獲和分級(jí)工藝。優(yōu)選地，在潮濕清潔的空調(diào)房中進(jìn)完成收獲和分級(jí)操作，以保持處理的胚芽的發(fā)育能力。
參考圖2，在一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明的方法包括四個(gè)步驟。第一，參考
圖1A和圖2中的步驟“A”，利用壓力被控制的水成液噴霧(比如，等壓營養(yǎng)液)將胚芽從生長(zhǎng)表面16(比如，生長(zhǎng)墊表面)上沖下來，水成液由一個(gè)恰當(dāng)布置的噴嘴18中噴出。這個(gè)沖刷的過程把包括胚芽在內(nèi)的培養(yǎng)材料與生長(zhǎng)表面16分開，但是至少有些胚芽仍然插在或者附在胚柄組織、剩余發(fā)育不全的胚柄塊ESM、以及這個(gè)位置的其它材料上。如圖示，可以將生長(zhǎng)表面16放在一個(gè)傾斜的表面20上，使得包括胚芽在內(nèi)的培養(yǎng)材料更容易通過重力朝貯液器22(或者是一個(gè)水力旋流器型的分離器)方向沖刷下去。貯液器22的底部26有一個(gè)伸長(zhǎng)的開口(裂縫)，這個(gè)開口沿著垂直于傳送帶24的方向延伸并貫穿傳送帶24的整個(gè)寬度，使得胚芽(插在或者附在胚柄組織或者剩余胚柄塊ESM上的胚芽)能夠以鋪展方式或者局部均勻的方式放入到傳送帶24上。另外一個(gè)選擇是，被水散開的胚芽從貯液器22流出的速度可以通過其它各種方法，如收縮、調(diào)節(jié)流程長(zhǎng)度等方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而將胚芽按照規(guī)定的局部均勻方式放入到傳送帶24上面。
下面參考步驟“B”，傳送帶24由多孔傳動(dòng)皮帶28做成，由一個(gè)合適的馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)(圖中未顯示)，傳送帶24通過篩分來對(duì)胚芽進(jìn)行分類和挑選。如同這里使用的那樣，“分類和挑選”是指根據(jù)它們的尺寸/形狀對(duì)胚芽進(jìn)行初步分類，并將胚芽分離到獨(dú)立裝置中，例如將胚芽分開，以及將任何不需要的材料與每個(gè)胚芽分開。舉例來說，使任何小尺寸的材料比如小尺寸胚芽和碎片從孔中掉下去，多孔傳送帶28的篩分就可以完成分類和挑選。
特殊情況下，在多孔傳送帶28上，仍然插在胚柄組織和剩余胚柄塊ESM上的胚芽就可以進(jìn)一步用第二噴嘴30的水成液進(jìn)行噴射，使胚芽(和其它附著材料)在水成液中進(jìn)一步分散開。液體噴霧使附著的胚柄組織和剩余胚柄塊ESM與胚芽分開，然后沖走并通過多孔帶28落下。任何小尺寸的或者未完全生長(zhǎng)的胚芽也將通過多孔帶28落下。在一個(gè)實(shí)施例中，傳送帶24可以是振動(dòng)型傳送帶，例如傳送帶技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)公知的類型，使分類和挑選處理更加容易進(jìn)行。任何通過多孔帶28落下的材料都將被收集到設(shè)在多孔帶28下方的廢物接收器32中?？蛇x地，可以將第二條粗糙多孔帶(圖中未顯示)與設(shè)有第一多孔帶28的第一傳送帶24相連，將第二粗糙多孔帶設(shè)在第一多孔帶28的前面以便將尺寸過大的胚芽和其它尺寸過大的材料片段帶走。因此，只有這些挑選出的具有需要尺寸/形狀的胚芽仍然留在第一多孔帶28上，這些胚芽或多或少都去掉了胚柄組織和其它細(xì)小的植物材料。通過調(diào)節(jié)多孔帶28(以及任何其它附加多孔帶)的網(wǎng)孔尺寸/形狀，只有這些在需要尺寸/形狀范圍內(nèi)的胚芽才能被選中。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然優(yōu)選地使用多孔傳動(dòng)帶，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)對(duì)胚芽進(jìn)行篩分和輸送(到下一階段)，但是作為對(duì)上述一條或多條多孔傳送帶的其它選擇，也可以使用一個(gè)或者多個(gè)金屬網(wǎng)或者其它篩孔，比如振動(dòng)傾斜篩網(wǎng)。
如上所述，在步驟“A”“B”的過程中，不同的背景(包括合格的胚芽、不合格的胚芽、胚柄組織、剩余胚柄塊ESM、以及其它植物材料)在水成液中被分散開，而且在物理作用力(比如，篩分作用力)的作用下，這個(gè)背景的各組成成分容易散開，物理作用力根據(jù)胚芽物理特性(質(zhì)量、尺寸、形狀、比重、阻力系數(shù)、可濕性等等)對(duì)組成成分的作用不同。其結(jié)果是，將細(xì)小的植物材料和附有胚芽的胚柄組織除掉，降低其它任何不需要成分的數(shù)量，生產(chǎn)出只包含經(jīng)過挑選而且完全不帶胚柄組織的胚芽的群體。
在有噴霧輔助的篩分過程之后，參考步驟“C”，在第一傳送帶24的末端，經(jīng)過分類和挑選的胚芽在重力作用下落到另外一條傳送帶上，或者落到分級(jí)傳送帶34上。分級(jí)傳送帶34通常垂直于第一傳送帶34布置，以使落下的胚芽將沿著選擇傳送帶34的長(zhǎng)度方向成為一行，這樣適合于后面對(duì)胚芽進(jìn)行成像。如果胚芽容易粘在第一傳送帶24上不容易落下，可通過各種方法幫助胚芽與第一傳送帶24分開。例如，可以通過設(shè)在多孔帶28下面靠近第一傳送帶24末端的空氣/液體噴嘴(比如，營養(yǎng)液的柔和噴流，或者一陣空氣——圖中未顯示)、或者通過一條垂直設(shè)在第一傳送帶24上方并且靠近末端35的細(xì)小振動(dòng)金屬絲來幫助移動(dòng)胚芽，以消除表面張力并將胚芽敲落到第一傳送帶24上。另外一種選擇方法，可以將一臺(tái)干燥機(jī)靠近第一傳送帶24布置，當(dāng)胚芽下降到第一傳送帶24上面時(shí)進(jìn)行干燥。
為了后面成像的目的，胚芽在分類傳送帶34上相互間被充分地隔開。為了使單行36中的胚芽之間有足夠的間隔距離，可以調(diào)整將胚芽從生長(zhǎng)表面16沖下的初始速度。同樣，和上面所討論的一樣，可以調(diào)節(jié)貯液器22(或者水力旋流器型分離器)的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)胚芽可控地分配到第一傳送帶24上，以及胚芽可控地從第一傳送帶24落到分級(jí)傳送帶34上。雖然圖示中貯液器22設(shè)在
圖1A中噴灑篩分工藝的上游，但是應(yīng)當(dāng)理解，貯液器22可以設(shè)在噴灑篩分工藝的下游，靠近第一傳送帶24末端35的地方，以便接收胚芽并可控地使胚芽從第一傳送帶24落到分級(jí)傳送帶34上。如同另一個(gè)例子，可以將一個(gè)通過計(jì)算機(jī)40控制的電子胚芽位置測(cè)繪儀(圖中未顯示)設(shè)在靠近噴灑篩分工藝的第一傳送帶24下游末端35的位置上。胚芽位置測(cè)繪儀由一個(gè)光學(xué)傳感器和探測(cè)器組成，用來在胚芽被輸送到第一傳送帶24上的時(shí)候確定每個(gè)胚芽的位置。計(jì)算機(jī)40根據(jù)從胚芽位置測(cè)繪儀接收到的信息，連續(xù)調(diào)節(jié)第一傳送帶24和/或者分類傳送帶34的皮帶速度，以實(shí)現(xiàn)胚芽從第一傳送帶24落到分級(jí)傳送帶34的均勻落下速度。上述的任何方法都可以結(jié)合在一起使用。例如，設(shè)在第一傳送帶24末端35的胚芽位置測(cè)繪儀可以用來控制胚芽從生長(zhǎng)表面16沖下的初始速度。同樣，當(dāng)胚芽被放入到第一傳送帶24上時(shí)，任何用于使胚芽隔開足夠距離的，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員對(duì)此顯而易見的方法都可以使用。
在另外一個(gè)實(shí)施例中，利用被液體散開的胚芽沿著管道流動(dòng)就可以獲得成像時(shí)首選的單行布置方式。特別地，參考圖3A，利用一個(gè)適當(dāng)布置的噴嘴噴出的水成液，將胚芽從生長(zhǎng)表面16上沖下，然后進(jìn)入貯液器22中，如
圖1A中所示實(shí)施例。貯液器與具有適當(dāng)直徑的管道21相連，優(yōu)選地，被液體散開但仍然與其它組織、剩余胚柄塊ESM、植物碎片纏繞在一起的胚芽以預(yù)先確定的可控速度流動(dòng)，然后流出到多孔傳送帶25上。在一個(gè)實(shí)施例中，管道21非常清澈，所以沿著清澈管道21布置的光學(xué)掃描儀23可以觀察到管道21中的流動(dòng)情況，從而為胚芽從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上沖下的速度提供反饋，以保證通過管道21的材料(例如，胚芽)之間所需的間隔距離。與前面的一樣，傳送帶25至少上游部分是多孔的，在噴嘴30噴出的水成液的進(jìn)一步推動(dòng)下，使得任何尺寸較小的胚芽以及其它細(xì)小材料(胚柄組織、剩余胚柄塊ESM等)都通過皮帶25落下。如圖示，因?yàn)閺墓艿?1中分配的培養(yǎng)物物流一般在多孔傳送帶25上排成一行，所以經(jīng)過噴灑篩分工藝后仍然留在傳送帶25上的胚芽就已經(jīng)是單行布置方式34了。因此，胚芽可以直接在相同的傳送帶25上面繼續(xù)進(jìn)一步的分級(jí)，例如，由照相機(jī)38進(jìn)行圖像獲取以及由噴射器42對(duì)不合格胚芽進(jìn)行的選擇性去除，這兩個(gè)操作都由計(jì)算機(jī)40控制。胚芽最后從傳送帶25的末端落到一個(gè)接收盤54中，如同下面將更加充分描述的那樣。
作為另外又一個(gè)獲得單行布置的方法，參考圖3B，可以使用一個(gè)流動(dòng)血細(xì)胞計(jì)數(shù)器來對(duì)胚芽進(jìn)行分類和挑選。在這個(gè)實(shí)施例中，使用適當(dāng)布置噴嘴18噴出的水成液將胚芽從生長(zhǎng)面16上沖下，然后流到貯液器22中，就象前面的實(shí)施例那樣，然后，胚芽穿過清澈管道21。將一臺(tái)本領(lǐng)域公知的流動(dòng)血細(xì)胞計(jì)數(shù)器(或者細(xì)胞分離器)27沿清澈管道21布置，以便觀察并將合格的胚芽從其它材料如太小/太大的胚芽、胚柄組織、剩余胚柄塊ESM分開。
簡(jiǎn)短地說，流動(dòng)血細(xì)胞計(jì)數(shù)器根據(jù)光學(xué)傳感器27a觀察到的細(xì)胞特性來區(qū)分在液體中輸送的不同細(xì)胞，然后根據(jù)噴墨技術(shù)，使用轉(zhuǎn)向器27b，進(jìn)一步利用靜電將細(xì)胞分類(分開)，即，偏轉(zhuǎn)含有靶細(xì)胞并且經(jīng)過選擇性充電的液滴。在圖示實(shí)施例中，用流動(dòng)血細(xì)胞計(jì)數(shù)器27對(duì)滿足預(yù)定尺寸/形狀標(biāo)準(zhǔn)的胚芽進(jìn)行分類并將它們分離到分級(jí)傳送帶34上，而其它材料比如太小或者太大的胚芽以及胚柄組織和剩余胚柄塊ESM就落到廢物接收器29中。因此，流動(dòng)血細(xì)胞計(jì)數(shù)器27不但對(duì)胚芽進(jìn)行分類和挑選，而且還將它們成單行地放到分級(jí)傳送帶34上。
回頭查閱
圖1A和2，在步驟“C”中，優(yōu)選地，根據(jù)胚芽的合意性，對(duì)經(jīng)過分類和挑選然后在分級(jí)傳送帶34上放成單行，而且相互之間間隔出足夠距離的胚芽進(jìn)行分級(jí)。例如，每個(gè)胚芽都可以通過設(shè)在分級(jí)傳送帶34旁的照相機(jī)進(jìn)行成像。每個(gè)胚芽的圖像被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)40進(jìn)行分析，然后根據(jù)一個(gè)或者多個(gè)高速算法對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)。
在一個(gè)實(shí)施例中，胚芽的每個(gè)圖像(單色或者彩色)都要分兩個(gè)步驟進(jìn)行分析。第一，參考圖2，方框46，使用一個(gè)適當(dāng)?shù)乃惴▉碜R(shí)別那些不能滿足人造種子的基本尺寸和形狀標(biāo)準(zhǔn)的胚芽。第二，參考方框48，一個(gè)預(yù)開發(fā)的分級(jí)模型，比如上面討論過的PCT申請(qǐng)PCT/US99/12128(WO 99/63057)的專利中披露的那些模型，用來分析剩下的胚芽(即，滿足第一尺寸/形狀標(biāo)準(zhǔn)的胚芽)以識(shí)別那些發(fā)芽可能性小的胚芽(缺乏發(fā)芽勢(shì))。簡(jiǎn)要的說，根據(jù)已經(jīng)獲得了圖像和實(shí)際發(fā)芽數(shù)據(jù)的胚芽抽樣總體，就可以開發(fā)出合適的分級(jí)模型。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，利用一個(gè)根據(jù)胚芽的假定發(fā)芽勢(shì)來對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)的預(yù)開發(fā)分級(jí)模型來對(duì)第一尺寸/形狀分級(jí)步驟中使用過的相同圖像進(jìn)行分析，以使一張圖像能夠同時(shí)在第一和第二分級(jí)步驟中使用。參考
圖1A，根據(jù)照相機(jī)38攝制的圖像。進(jìn)行胚芽實(shí)際分級(jí)和其他評(píng)價(jià)的程序(算法)，比如預(yù)開發(fā)分級(jí)模型都儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)40中。
那些在第一分級(jí)步驟由于沒有滿足尺寸/形狀標(biāo)準(zhǔn)(方框46)或者在第二次分級(jí)步驟中由于不大可能發(fā)芽(方框48)而被廢棄的胚芽可以從分級(jí)傳送帶34上被噴射出去，比如，利用由計(jì)算機(jī)40控制、精確定時(shí)的空氣/液體噴嘴42將廢棄的胚芽噴射到廢物回收器44中。噴嘴啟動(dòng)的精確時(shí)間可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，是因?yàn)楦鶕?jù)照相機(jī)對(duì)每個(gè)胚芽成像的激發(fā)時(shí)間以及分級(jí)傳送帶的速度，就能夠準(zhǔn)確知道每個(gè)不合格胚芽的位置。使用由圖像驅(qū)動(dòng)的精確噴嘴從傳送帶上移走不需要的材料在食品工業(yè)已經(jīng)公知，例如，根據(jù)食品的視覺特性來對(duì)食品進(jìn)行分類。當(dāng)不合格的胚芽被全部拿走后，只有那些已經(jīng)通過第一和第二分級(jí)步驟篩分的胚芽仍然留在分級(jí)傳送帶34上面。另外一個(gè)方法是，可以設(shè)噴射器來將合格的胚芽從分級(jí)傳送帶34上移到另外的一個(gè)位置，比如移到另外的傳送帶或者一個(gè)收獲箱中，用于進(jìn)行進(jìn)一步的成熟處理，這些對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員是顯而易見的。
胚芽分級(jí)步驟“C”還可以包括多個(gè)數(shù)據(jù)采集步驟或者階段，以及分級(jí)/篩分操作。例如，當(dāng)兩步照相機(jī)成像分析(圖2中的方框46和48)按照上述方法完成以后，在不合格的胚芽從選擇傳送帶34上拿下以前，胚芽將進(jìn)行進(jìn)一步的成像分析(比如，方框50)或者使用紅外線、NIR或者拉曼(Raman)光譜學(xué)(方框52)進(jìn)行光譜分析，如同下面詳細(xì)描述的那樣。另外一個(gè)方法是，當(dāng)如上所述的兩步照相機(jī)成像分析完成并且不合格的胚芽都已被丟棄，剩下的合格胚芽可以放入到托盤中然后進(jìn)行干燥，用于儲(chǔ)存(步驟“D”)，然后(在以后的時(shí)間中)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分級(jí)的其它步驟，或者進(jìn)行“第二”分級(jí)步驟“E”，如同下面詳細(xì)描述的那樣。換言之，根據(jù)本發(fā)明，胚芽將經(jīng)過很多分級(jí)階段，但是并不需要同時(shí)進(jìn)行所有的分級(jí)步驟。
就象本領(lǐng)域一般技術(shù)人員顯而易見的那樣，照相機(jī)38可為任何合適的型號(hào)的照相機(jī)，優(yōu)選地，使用帶有電荷耦合器件(CCD)并且與數(shù)字存儲(chǔ)裝置相連接的數(shù)字照相機(jī)，以便能夠?yàn)閷?duì)活得的胚芽圖像進(jìn)行數(shù)字分析。此外，照相機(jī)38可以是單視圖照相機(jī)(比如，只拍攝分級(jí)傳送帶34上傳送的胚芽的俯視圖)或者多視圖照相機(jī)(比如，拍攝每個(gè)胚芽的俯視圖、側(cè)視圖和端視圖)。為了獲得胚芽的多個(gè)視圖，可以把一臺(tái)照相機(jī)移動(dòng)到多個(gè)位置，或者使用多個(gè)照相機(jī)。但是，優(yōu)選地，應(yīng)當(dāng)使用通過一臺(tái)照相機(jī)和適當(dāng)布置的反射表面(比如，棱鏡)來對(duì)胚芽同時(shí)多視圖成像的方法和系統(tǒng)，以縮短獲得多個(gè)視圖所需的時(shí)間并簡(jiǎn)化操作。在一起申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)中披露了這樣一種用于對(duì)植物胚芽多個(gè)視圖同時(shí)進(jìn)行成像的方法和系統(tǒng)，專利名稱為“Method and System for Simultaneously Imaging Multiple Views of aPlant Embryo”(受理號(hào)WEYE-1-20651)，特此引用。
利用分級(jí)模型算法用于對(duì)胚芽多個(gè)圖像中的每個(gè)圖像進(jìn)行分析，以便根據(jù)假定的發(fā)芽勢(shì)來對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)。
另外的或者可選擇的方法是，在胚芽分級(jí)步驟“C”過程中，可以對(duì)位于植物胚芽子葉末端的頂點(diǎn)凸起進(jìn)行三維成像和分析，以確定胚芽的發(fā)芽勢(shì)(即，發(fā)芽后上胚軸迅速生長(zhǎng)的潛能)，(參見圖2，方框50)，因?yàn)轫旤c(diǎn)凸起是長(zhǎng)出植物體的植物細(xì)胞形成的地方，可以肯定的是頂點(diǎn)凸起的形態(tài)特征(尺寸、形狀等)是胚芽發(fā)芽后迅速生長(zhǎng)傾向的可靠指示器。換言之，胚芽頂點(diǎn)凸起的三維信息可以用做分級(jí)模型算法的輸入，以便根據(jù)胚芽的合意性對(duì)胚芽進(jìn)行進(jìn)一步分級(jí)。在一起申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)中可以查閱到對(duì)植物胚芽的頂點(diǎn)凸起進(jìn)行三維成像的一些方法，專利名稱為“Method and System for Three-Dimensionally Imaging an Apical Dome of a Plant Embryo，”(受理號(hào)WEYE-1-20665)，特此引用.
其它另外的或者可選擇的方法是，在胚芽分級(jí)步驟“C”過程中，可利用光譜分析方法如紅外線光譜、NIR光譜或者拉曼(Raman)光譜法對(duì)胚芽進(jìn)行分析。(參見圖2，方框52)。上面討論的在申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US99/12128(WO99/63057)的PCT專利中披露的分級(jí)模型可用于分析胚芽的反射譜、透射率和吸收作用，以便進(jìn)一步根據(jù)胚芽的化學(xué)成分定性地對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)。簡(jiǎn)要地，光譜分析能夠識(shí)別每個(gè)胚芽的化學(xué)成分，從而識(shí)別胚芽的目標(biāo)化合物或者被分析物。生物化學(xué)成熟的且可能發(fā)芽的胚芽已知包含某種程度的化合物或被分析物，比如糖醇。因此，胚芽的光譜分析是從生物化學(xué)方面定量確定成熟胚芽的可靠方法。上面討論的PCT申請(qǐng)PCT/US99/12128(WO99/63057)專利中披露了使用NIR光譜對(duì)胚芽進(jìn)行光譜分析和分級(jí)的一些方法。此外，在一起申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)中披露了使用NIR光譜對(duì)胚芽質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定的方法，專利名稱為“Method for Classifying plant EmbryosUsing Raman Spectroscopy.”(受理號(hào)WEYE-1-20649)，特此引用.如同這里使用的那樣，光譜分析包括了對(duì)一個(gè)或多個(gè)光譜帶中拍攝圖像的分析，通常被稱作多光譜成像(或者化學(xué)成像，化學(xué)繪圖)。
應(yīng)當(dāng)指出的是，也可以將其它確定胚芽生物化學(xué)成分或者形態(tài)結(jié)構(gòu)的成像或光譜技術(shù)用到上述的任何一個(gè)分級(jí)方法中。當(dāng)新的成像或者光譜技術(shù)出現(xiàn)或者成熟，這些技術(shù)就可以與現(xiàn)在的植物胚芽自動(dòng)收獲和多級(jí)篩分方法結(jié)合在一起。比如，可以用Teraherz射線(T射線)對(duì)植物胚芽進(jìn)行光譜成像，以識(shí)別它的化學(xué)和物理成分。還有一個(gè)例子，熒光分類技術(shù)如加州Quantum Dot Corporation of Hayward公司開發(fā)的量子打點(diǎn)技術(shù)，就可以用來檢測(cè)特定的化合物并追蹤植物胚芽中的生物活動(dòng)。此外，宇宙射線可以用來測(cè)量胚芽的密度。如同本領(lǐng)域一般技術(shù)人員顯而易見的那樣，在使用電磁輻射廣譜的基礎(chǔ)上，任何其它能夠確定植物胚芽生物化學(xué)或者形態(tài)(結(jié)構(gòu))特性的技術(shù)都可以在本發(fā)明中使用。
應(yīng)當(dāng)指出的是，上述方法在多個(gè)篩分過程中對(duì)胚芽進(jìn)行篩分或者分級(jí)，首先根據(jù)基本尺寸/形狀標(biāo)準(zhǔn)(步驟“B”)進(jìn)行篩分，然后在步驟“C”中根據(jù)越來越完善、但更耗時(shí)的方法比如以圖像為基礎(chǔ)的尺寸/形狀分析(方框46)、以圖像為基礎(chǔ)的分級(jí)模型分析(方框48)、以圖像為基礎(chǔ)的頂點(diǎn)凸起分析(方框50)、以及以光譜為基礎(chǔ)的化學(xué)分析(方框52)方法進(jìn)行篩分或者分級(jí)。應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)提出了更多的篩分標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就可以增加更多的分級(jí)方法。例如，使用某些傳感器，就可以開發(fā)出確定胚芽抗病能力的方法。那么，就可以增加根據(jù)抗病標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)的一個(gè)分級(jí)步驟，以改進(jìn)整個(gè)分級(jí)方法。當(dāng)有更多的篩分標(biāo)準(zhǔn)被提出并且將相應(yīng)的分級(jí)方法與本方法結(jié)合在一起的時(shí)候，本方法就能夠確定那些更有可能長(zhǎng)成強(qiáng)壯、健康以及具有各種其它需要特性的植物的胚芽。
希望只將那些通過前面分級(jí)步驟篩分的胚芽送到后面的篩分步驟，使需要在后面越來越完善和復(fù)雜的篩分步驟中進(jìn)行評(píng)定的胚芽數(shù)量更少，因?yàn)閺?fù)雜的篩分步驟更耗時(shí)。但是，在某些情況下，可以同時(shí)并行地進(jìn)行兩個(gè)或者多個(gè)篩分步驟。例如，當(dāng)拍攝了胚芽的多個(gè)視圖(比如，俯視圖、側(cè)視圖、和端視圖)并根據(jù)分級(jí)模型進(jìn)行(方框48)分析時(shí)，就可以同時(shí)對(duì)其中一個(gè)視圖(比如，包含胚芽頂端凸起三維信息的子葉端視圖)進(jìn)行深入地分析，以確定胚芽頂端凸起(方框50)的形態(tài)特點(diǎn)。
仍然參考
圖1A和2，在步驟“D”中，在分級(jí)傳送帶34末端，這些仍然流在傳送帶34上的合格胚芽在重力作用下(也許在空氣/液體噴嘴的作用下——圖中未顯示)掉落到托盤54上(墊子或者合適的表面上)，托盤54設(shè)在一個(gè)由計(jì)算機(jī)40控制的二維驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(或電動(dòng)平臺(tái))56上。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)56以二維(或者三維)方式調(diào)節(jié)托盤54相對(duì)于分級(jí)傳送帶34末端的位置，以便接收從那里落下的胚芽，形成均勻間隔的陣列(比如，一個(gè)二維陣列)。根據(jù)照相機(jī)38的激發(fā)時(shí)間以及傳送帶34的速度，在已知每個(gè)胚芽在傳送帶34上精確位置的基礎(chǔ)上，就可以確定托盤54相對(duì)于分級(jí)傳送帶34末端的位置。因此，即使傳送帶34上合格胚芽排列為不規(guī)則間隔的線性陣列，也可以在托盤54中轉(zhuǎn)化為均勻間隔的二維陣列。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)56的結(jié)構(gòu)和操作對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)是顯而易見的，因此不需要在這里詳細(xì)描述。因而可以將可能包括了100多個(gè)布置在均勻間隔陣列中的胚芽的托盤54送去進(jìn)行進(jìn)一步的成熟處理，。例如，托盤54可以送到后生長(zhǎng)處理室14(圖示實(shí)施例中的干燥室)對(duì)胚芽進(jìn)行干燥用于儲(chǔ)存，然后用于人造種子中。
另外，特別要參考圖2，在階段“E”中，在用于人造種子之前，放在托盤54中并經(jīng)過干燥的胚芽就要進(jìn)行進(jìn)一步的二次分級(jí)步驟篩分。根據(jù)每個(gè)具體的應(yīng)用方式，可以在進(jìn)行二次分級(jí)步驟篩分之前，對(duì)胚芽進(jìn)行再水化處理，或者在分級(jí)步驟的一個(gè)或多個(gè)二次系列處理過程中仍保持脫水狀態(tài)。與前面分級(jí)步驟“C”的情況一樣，二次分級(jí)步驟“E”也包括一個(gè)或者多個(gè)越來越完善和復(fù)雜的分級(jí)步驟，以實(shí)現(xiàn)日益增加的更高選擇精度和操作效率。因?yàn)橹挥邢鄬?duì)數(shù)量較少的通過了前面的分級(jí)階段“C”篩分的胚芽此時(shí)仍然留在傳送帶上，所以就可以使用更加完善因此更加耗時(shí)的分級(jí)方法，比如使用一個(gè)分級(jí)模型(方框54)進(jìn)行多視圖顏色成像分析，或者頂點(diǎn)凸起分析(方框56)，或者光譜分析，都可能會(huì)利用多視圖(方框58)。同樣，當(dāng)使用機(jī)器人抓取及放置系統(tǒng)自動(dòng)地將胚芽挑出并插入到人造種子時(shí)，可能需要進(jìn)行一些數(shù)字成像以確定每個(gè)胚芽的位置，以實(shí)現(xiàn)此目的，所以，這個(gè)數(shù)字成像可以更方便地同二次分級(jí)階段“E”過程的一個(gè)或者多個(gè)分級(jí)步驟中必須的圖像獲取過程結(jié)合在一起。
例如，在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)胚芽在階段“A”中從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上被沖下來，然后在階段“B”中經(jīng)過分類和挑選后，在胚芽分級(jí)階段“C”中，胚芽將經(jīng)過兩個(gè)分級(jí)階段。第一，進(jìn)行單視圖(比如，俯視圖)單色圖像分析以除去不滿足基本尺寸/形狀標(biāo)準(zhǔn)的胚芽(方框46)。第二，將分級(jí)模型用于相同的單視圖單色圖像以除去那些不大可能發(fā)芽的胚芽(方框48)。在階段“D”中，這些通過兩個(gè)分級(jí)步驟篩分而留下來胚芽被放入托盤中干燥。然后，在二次分級(jí)階段“E”中，從階段“D”中輸送過來的胚芽將進(jìn)行更多系列更加完善、也更耗時(shí)的分級(jí)篩分。例如，胚芽可能要進(jìn)行多視圖(比如，俯視圖、側(cè)視圖和端視圖)彩色圖像分析以便根據(jù)分級(jí)模型(方框54)除去不合格的胚芽，和進(jìn)一步進(jìn)行頂點(diǎn)凸起分析(方框56)和/或者光譜分析(方框58)以再次根據(jù)合適的分級(jí)模型進(jìn)一步除去不合格的胚芽。
圖1B顯示了用于對(duì)植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)收獲和多步驟篩分系統(tǒng)的一個(gè)可選實(shí)施例。利用
圖1A中的實(shí)施例，在水成液沖刷作用下(與圖2相對(duì)應(yīng)，階段“A”和“B”)，胚芽從生長(zhǎng)表面上被沖刷下來，放入到多孔運(yùn)輸帶24上進(jìn)行篩分。留在傳送帶24上的胚芽就利用照相機(jī)38進(jìn)行成像。每個(gè)胚芽的圖像被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)40進(jìn)行分析，根據(jù)它們的形態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)(與圖2相對(duì)應(yīng)，階段“C”)。例如，使用一個(gè)合適的算法來確定那些滿足基本尺寸和形狀標(biāo)準(zhǔn)并且準(zhǔn)備用于人造種子的胚芽。
然后，利用計(jì)算機(jī)40控制的全自動(dòng)化小型機(jī)器人輸送系統(tǒng)60將每個(gè)滿足基本尺寸和形狀標(biāo)準(zhǔn)的胚芽挑出并以均勻間隔陣列方式放入到接收托盤54中。簡(jiǎn)要地說，輸送系統(tǒng)60包括一個(gè)外殼61，該外殼可以沿著軌道62橫向移動(dòng)；一個(gè)機(jī)器人臂63，機(jī)器人臂63從外殼61中伸出，包括一個(gè)真空末梢。機(jī)器人臂63可以縱向延伸及軸向旋轉(zhuǎn)。在申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US00/40720(WO 01/13702 A2)的專利中披露了適用于本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)小型機(jī)器人輸送系統(tǒng)60實(shí)例的詳細(xì)內(nèi)容，特此引用。在
圖1B顯示實(shí)施例中，當(dāng)胚芽被機(jī)器人臂63從傳送帶24上挑選出后，機(jī)殼61沿著軌道62平移到一個(gè)新位置61’，機(jī)器人臂63在這個(gè)位置向下伸出將胚芽放入到托盤54中。在這個(gè)位置，可控制機(jī)器人臂61’軸向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)照相機(jī)38成像并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)40中的胚芽初始方位，胚芽被放入到托盤54中時(shí)就可以正確定向。例如，將胚芽子葉的末端面對(duì)同一方向。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，胚芽以相同的方向被準(zhǔn)確地放入到托盤54中，使它們的子葉末端排成一行。在本描述中，胚芽以相同的方向排列成準(zhǔn)確陣列的托盤被稱作“索引托盤”(index tray)。
然后，索引托盤(index tray)54被送去進(jìn)行成熟處理，例如送到后生長(zhǎng)處理室14(圖示實(shí)施例中的干燥室)對(duì)胚芽進(jìn)行脫水(與圖2中階段“D”對(duì)應(yīng))。下一步，對(duì)胚芽進(jìn)行再水化和二次分級(jí)處理(與圖2中階段“E”對(duì)應(yīng))。特別地，將索引托盤(index tray)54放入到二次分級(jí)傳送帶64上，每個(gè)索引托盤(index tray)上都裝有定向正確并且均勻間隔的胚芽陣列，當(dāng)胚芽被輸送到傳送帶64上時(shí)，要對(duì)胚芽進(jìn)行額外的分級(jí)篩分步驟。例如，一個(gè)與計(jì)算機(jī)70連接的合適掃描儀68被用來對(duì)胚芽進(jìn)一步分級(jí)，以確定那些很有可能成功發(fā)芽并長(zhǎng)成正常植物的胚芽。在二次分級(jí)過程中，使用索引托盤(indextray)54是非常有利的，因?yàn)檫@樣可以對(duì)托盤上的每個(gè)胚芽進(jìn)行局部的分析。例如，針對(duì)每個(gè)胚芽的局部區(qū)域(例如，胚芽子葉末端部分)進(jìn)行某種成像或者光譜分析。因?yàn)橐阎饕斜P(index tray)54上胚芽的精確位置(例如，胚芽子葉末端)，這樣的局部分析是可能的。
在二次分級(jí)傳送帶64的末端，另外設(shè)有一臺(tái)機(jī)器人胚芽放置系統(tǒng)71來挑出那些經(jīng)過進(jìn)一步挑選為合格的胚芽，然后將它們插入到人造種子76中。在圖示實(shí)施例中，胚芽放置系統(tǒng)71包括一個(gè)機(jī)殼72，機(jī)殼72沿軌道73直線運(yùn)動(dòng)；一個(gè)機(jī)器人臂74，機(jī)器人臂74從機(jī)殼72中伸出。當(dāng)合格胚芽被機(jī)器人臂74挑出后，機(jī)殼72沿軌道73直線移動(dòng)到新位置72’，機(jī)器人臂74’在這個(gè)位置下降并將胚芽放入到人造種子76中(或者人造種子的管狀限制器)。在上面討論過的專利申請(qǐng)為PCT/US00/40720(WO 01/13702 A2)的專利中披露了一個(gè)胚芽放置系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容。其它各種用來輸送胚芽并將胚芽插入到人造種子76中的系統(tǒng)都可以使用，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員對(duì)此顯而易見。例如，機(jī)殼72和機(jī)器人臂74可以做二維或者三維運(yùn)動(dòng)。同樣，裝有多個(gè)人造種子76的托盤也可以做一維、二維和三維運(yùn)動(dòng)，以便精確地對(duì)每個(gè)種子76相對(duì)于胚芽放置系統(tǒng)71上攜帶的胚芽的位置進(jìn)行定位。
特別地，因?yàn)樗饕斜P(index tray)54上的胚芽的正確位置為已知，當(dāng)胚芽放置系統(tǒng)從托盤54上挑出胚芽時(shí)，胚芽放置系統(tǒng)71不需要具備確定或者修正每個(gè)胚芽位置和/或者方向的能力。例如，根據(jù)已知的每個(gè)胚芽的位置和方向，胚芽放置系統(tǒng)可以正確地將每個(gè)胚芽的子葉末端放在人造種子76中。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于自動(dòng)收獲體細(xì)胞胚的完整方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)可以替代目前的人工勞動(dòng)，包括胚芽的分類和挑選階段，以及根據(jù)它們假定的發(fā)芽勢(shì)進(jìn)一步對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的胚芽進(jìn)行分級(jí)。胚芽的分級(jí)在多個(gè)篩分步驟中完成，以便有效地確定那些適合于用做人工種子的胚芽。通過仔細(xì)選擇要組合到一起的適當(dāng)分級(jí)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)日益提高的選擇正確性，趕上或者超過目前只有熟練技術(shù)人員才能達(dá)到的選擇水平。此外，目前這個(gè)多級(jí)篩分(分級(jí))自動(dòng)方法的產(chǎn)量大約為每年5百萬個(gè)胚芽，能夠充分滿足人造種子大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)胚芽進(jìn)行分級(jí)和挑選所需要的1.5-2秒/個(gè)胚芽的速度。
雖然對(duì)發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了說明和描述，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，歡迎對(duì)本發(fā)明提出各種改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種在多個(gè)步驟中對(duì)植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)收獲和篩分的方法，包括對(duì)植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)收獲和挑選；使用第一分級(jí)方法對(duì)經(jīng)過分類和挑選的植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)；和使用第二分級(jí)方法對(duì)已經(jīng)通過第一分級(jí)方法篩分的植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，自動(dòng)分類和挑選步驟包括自動(dòng)將植物胚芽從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上取下。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，將植物胚芽自動(dòng)取下包括使用水成液將植物胚芽從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上沖下來。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，胚芽的分類和挑選步驟包括使用一個(gè)流動(dòng)血細(xì)胞計(jì)數(shù)器。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，胚芽的分類和挑選包括將胚芽放入到多孔材料中進(jìn)行篩分。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，對(duì)放入到多孔材料上的胚芽噴灑水成液，將胚柄組織或者殘余胚柄塊(ESM)與胚芽分開。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，多孔材料包括多孔傳送帶。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，胚芽被放入到一個(gè)貯液器中，貯液器將胚芽分配到多孔傳送帶上，貯液器做成能夠以規(guī)定方式將胚芽分配到皮帶上。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，貯液器包括一根管道。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，篩分以后經(jīng)過分類和挑選的植物胚芽被放入到分級(jí)傳送帶上，然后沿著所述傳送帶來實(shí)施第一和第二自動(dòng)分級(jí)方法。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，利用重力將經(jīng)過分類和挑選的植物胚芽從多孔傳送帶轉(zhuǎn)移到分級(jí)傳送帶上。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，分級(jí)傳送帶通常垂直伸向多孔傳送帶。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，經(jīng)過分類和挑選的植物胚芽沿著分級(jí)傳送帶的長(zhǎng)度方向以單行方式放入到分級(jí)傳送帶上。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，植物胚芽被相互隔開單行放入。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括將那些被第一或者第二自動(dòng)分級(jí)方法確定為不合格的胚芽從分級(jí)傳送帶上自動(dòng)移走的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，將不合格胚芽自動(dòng)移走通過噴嘴來完成。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括將那些被第一或者第二自動(dòng)分級(jí)方法確定為合格的胚芽從分級(jí)傳送帶上自動(dòng)移走的步驟。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，將合格胚芽自動(dòng)移走的步驟包括將那些合格胚芽以預(yù)定的布置陣列轉(zhuǎn)移到一個(gè)接收表面上。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，接收表面包括一個(gè)安裝到電動(dòng)平臺(tái)上的托盤，電動(dòng)平臺(tái)做成能夠調(diào)節(jié)托盤相對(duì)于分級(jí)傳送帶的位置，以便接收由于重力作用而從分級(jí)傳送帶上落下的胚芽并排列成預(yù)定的陣列。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，胚芽從分級(jí)傳送帶上由于重力下落時(shí)利用噴嘴來協(xié)助其下落。
21.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，根據(jù)第一分級(jí)方法在多孔傳送帶上對(duì)經(jīng)過分類和挑選的植物胚芽進(jìn)行分級(jí)，而已經(jīng)通過第一分級(jí)方法篩分的植物胚芽從多孔傳送帶上以預(yù)定的陣列被轉(zhuǎn)移到索引托盤中。
22.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，第二分級(jí)方法對(duì)已經(jīng)布置在索引托盤中的植物胚芽實(shí)施篩分。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一分級(jí)步驟根據(jù)胚芽的形狀和尺寸進(jìn)行分級(jí)，而第二分級(jí)步驟則依照一個(gè)預(yù)定的分級(jí)模型根據(jù)它們假定的發(fā)芽勢(shì)進(jìn)行分級(jí)。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二分級(jí)方法比第一分級(jí)方法挑選更嚴(yán)格而且耗時(shí)更多。
25.一個(gè)在多個(gè)步驟中自動(dòng)收獲和篩分植物胚芽的系統(tǒng)，包括用于自動(dòng)對(duì)植物胚芽進(jìn)行分類和挑選的裝置；使用第一分級(jí)方法對(duì)經(jīng)過分類和挑選的植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)的裝置；和使用第二分級(jí)方法對(duì)已經(jīng)通過第一分級(jí)方法篩分的植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)的裝置。
26.一種在多個(gè)步驟對(duì)植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)收獲和篩分的方法，包括對(duì)植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)分類和挑選；根據(jù)胚芽的假定發(fā)芽勢(shì)對(duì)經(jīng)過分類和挑選的植物胚芽進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)；和將分級(jí)步驟中劃分為很有可能發(fā)芽的那些胚芽以預(yù)定的布置陣列自動(dòng)放入到一個(gè)接收表面上。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，自動(dòng)分類和挑選步驟包括將植物胚芽自動(dòng)從生長(zhǎng)培養(yǎng)基上取下。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，自動(dòng)分類和挑選步驟包括將胚芽放入到一個(gè)多孔材料上進(jìn)行篩分。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，自動(dòng)分級(jí)步驟包括對(duì)每個(gè)胚芽進(jìn)行圖像分析。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，當(dāng)胚芽被輸送到分級(jí)傳送帶上時(shí)進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)，將已經(jīng)劃分為合格的胚芽自動(dòng)放入到一個(gè)接收表面上包括將這些胚芽從分級(jí)傳送帶上轉(zhuǎn)移到接收表面上。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，接收表面包括一個(gè)安裝到電動(dòng)平臺(tái)上的托盤，電動(dòng)平臺(tái)做成能夠調(diào)節(jié)托盤相對(duì)于分級(jí)傳送帶的位置，以便接收由于重力作用而從分級(jí)傳送帶上落下的胚芽并排列成預(yù)定的陣列。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，接收表面包括一個(gè)托盤，胚芽被小型機(jī)器人抓取及放置系統(tǒng)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移到托盤上。
全文摘要
提供了一個(gè)用于在多級(jí)篩分步驟中自動(dòng)收獲和篩分植物胚芽，以確定那些適合用于人造種子的胚芽的方法和系統(tǒng)。該方法通常包括三個(gè)步驟。第一，根據(jù)植物胚芽的大致尺寸/形狀對(duì)植物胚芽進(jìn)行分類，并挑選到單獨(dú)的胚芽裝置中，比如通過振動(dòng)篩分。第二，使用一個(gè)第一分級(jí)方法對(duì)經(jīng)過分類和篩分的植物胚芽進(jìn)行分級(jí)。比如，每個(gè)胚芽可以通過照相機(jī)進(jìn)行成像，然后利用照片來確定胚芽更為精確的尺寸/形狀。第三，對(duì)于那些已經(jīng)通過第一分級(jí)方法篩分的胚芽，利用第二分級(jí)方法進(jìn)行篩分。比如，可以根據(jù)胚芽的發(fā)芽勢(shì)用于胚芽進(jìn)行分級(jí)的預(yù)開發(fā)分級(jí)算法，可以用于處理第一分級(jí)方法中使用的圖像，以確定那些很有可能發(fā)芽的胚芽。
文檔編號(hào)A01H4/00GK1618277SQ20041006320
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者羅杰·蒂米斯, 埃德溫·平原, 哈里·G·弗爾斯特, 希瑟·蘇雷魯斯-洛佩斯 申請(qǐng)人:韋爾豪澤公司