專利名稱：根評價的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及植物育種領(lǐng)域并涉及評價植物根的方法，所述方法通過在裝有顆粒狀不透明生長培養(yǎng)基的基本透明的容器中培養(yǎng)植物并穿過基本透明的容器通過數(shù)字成像評價植物根。本發(fā)明還提供用于評價植物根的裝置，該裝置特別適用于以高通量模式評價溫室中生長的植物根。
植物育種基本上起始于給定物種的植物中基因型變異的產(chǎn)生?；蛐妥儺惖漠a(chǎn)生依賴于可通過多種技術(shù)獲得的遺傳改變的產(chǎn)生，所述技術(shù)包括通過經(jīng)典雜交、化學(xué)誘變、輻射誘發(fā)突變、體細(xì)胞雜交、種間雜交和遺傳工程的重組?；蛐妥儺惍a(chǎn)生后，選擇具有最期望農(nóng)學(xué)表型的基因型。例如，可選擇植物的某些根表型。
盡管根對植物的整體生存性非常重要，但是根系的評價(特別是成熟的根系評價)常常被技術(shù)局限所阻礙。在大田環(huán)境中，評價根系的傳統(tǒng)方法涉及在進(jìn)行任何測量前從土壤中挖掘根；這意味著對任何給定的植物只可進(jìn)行一次評價。另外，土壤中短距離的改變(由于例如土壤組分、土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分的可用性或微生物土壤居住者的存在)也可妨礙大田環(huán)境中的根評價。
能夠獲得多種方法用于非破壞性測量根。一種這類方法依賴于使用電容，所述電容涉及在植物(優(yōu)選莖)和基質(zhì)間插入電極。這允許測量根和基質(zhì)間接觸面的電性質(zhì)，并由此推論出根質(zhì)量。然而該技術(shù)也存在缺點。例如i)由于和校準(zhǔn)(例如基質(zhì)的不同水含量)相關(guān)的困難，可信度低；ii)向莖中插入電極難以自動化，特別是在多莖的植物中(這應(yīng)用于多數(shù)谷物例如小麥和稻)；iii)使用該技術(shù)產(chǎn)生的唯一信息是指示根質(zhì)量。
以非破壞性方式測量根的另一方法涉及使用X射線或核磁共振(NMR)，然而這些技術(shù)會是格外慢和昂貴的，并因此在要求高通量時通常不適用。
以非破壞性方式測量根的另一方法涉及使用穿地雷達(dá)，然而與該技術(shù)使用相關(guān)的低分辨率使得結(jié)果難以解釋。
盡管植物育種者通常明白根系的重要性，與用于評價根系的常規(guī)方法相關(guān)的缺點是指植物育種者傾向于將他們的注意力集中在植物地上部分，很少(如果有的話)的注意力給予地下部分。目前的根功能知識多數(shù)得自對苗的研究或推斷自對植物株冠和土壤剖面的觀察。
沒有現(xiàn)有技術(shù)缺點的評價植物根的能力使植物育種者能夠獲得例如最佳根系剖面和其應(yīng)如何與植物其他部分相稱的知識。理解對于給定環(huán)境條件組最有效的根結(jié)構(gòu)應(yīng)該是怎樣的對于育種者也會是有用的。例如，通常認(rèn)為具有更發(fā)達(dá)根系的植物會具有更高的干旱脅迫抗性。然而仍存在許多問題，如需要的發(fā)達(dá)程度，具有更發(fā)達(dá)根系對植物其余部分的負(fù)擔(dān)和根與葉區(qū)域的最佳比例。沒有現(xiàn)有技術(shù)缺點的評價植物根的能力會使植物育種者能夠回答這些和其他這類問題。
因此提供評價植物根的方法是本發(fā)明的目的之一，所述方法減輕一些上述問題。
因此，根據(jù)本發(fā)明提供用于評價植物根的方法，包括(i)在裝有顆粒狀不透明生長培養(yǎng)基的基本透明的容器中培養(yǎng)植物；和(ii)穿過基本透明的容器通過數(shù)字成像評價植物根。
基本透明的容器可以是盆、盤等。優(yōu)選地，容器為透明材料(如合適的塑料材料)成型的典型植物盆。優(yōu)選每盆一株植物。透明材料優(yōu)選含有(綠色)色素以基本吸收除500至600納米之外的所有波長的光。這用于抑制根的光回避反應(yīng)并避免盆內(nèi)壁的藻類生長。使用中，可看到植物根指向容器壁。容器可基本上完全由透明材料組成或可僅具有透明底部。
顆粒狀不透明生長培養(yǎng)基可以是任何土壤樣基質(zhì)(例如土壤、堆肥、泥煤、沙等，或其組合)。確定基質(zhì)例如盆栽土或石棉的使用還可減少由土壤不均一性引起的變更。另外，溫室植物在確定基質(zhì)中的生長允許控制將給予植物的水和營養(yǎng)物的量。
根據(jù)本發(fā)明的方法，通過數(shù)字成像評價植物根，其方便了大樣本(如多達(dá)數(shù)萬)的處理。優(yōu)選使用至少一個照相機以自動化形式評價植物。植物可(連續(xù)地)提供給固定的照相機，或照相機對固定盆中的植物可移動。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的方面，(例如從溫室或別處的位置)取回植物并將放置植物的基本透明的容器連續(xù)地提供給安排記錄根圖像的照相機。然后將植物返回它們最初的位置或另一位置，均基本不受人干預(yù)。選擇用于評價的植物或系列植物步驟中可存在一定程度的人干預(yù)，但是這也可被計算機化。在優(yōu)選的方法中，每小時可評價最少500株植物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于評價植物根的裝置，其包含(i)用于移動裝有顆粒狀不透明生長培養(yǎng)基的基本透明容器中植物的運輸工具；(ii)至少一個照相機；和任選地(iii)用于將基本透明的容器提供給所述至少一個照相機的機械系統(tǒng)；和(iv)用于測量根性狀的算法。
運輸工具優(yōu)選為傳送帶。還可設(shè)想備選實施方案，其中至少一個照相機是可移動的從而記錄固定盆中植物的圖像。因此提供用于評價裝有顆粒狀不透明生長培養(yǎng)基的基本透明容器中植物根的裝置，所述裝置包含準(zhǔn)備穿過所述基本透明的容器記錄植物根圖像的至少一個可移動的照相機。
還可通過使若干植物或每個植物帶有唯一標(biāo)識符輔助自動化評價，所述標(biāo)識符允許將涉及這些個體植物的信息與在計算機中它們的唯一標(biāo)識符相聯(lián)系。優(yōu)選地，標(biāo)識符為應(yīng)答器(transponder)，但可使用任何其他合適的標(biāo)識符例如條形碼?？墒占⒋鎯π畔?，所述信息涉及植物物種、品種、親本信息、轉(zhuǎn)基因存在/缺乏、播種日期、根測量(帶有日期戳)和對植物除根外的部分進(jìn)行的任何其他測量或觀測(也帶有日期戳)。計算機中存儲的信息可通過合適的軟件檢索。也可進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析以鑒定具有不同根特性的植物并鑒定值得注意的性狀。
值得注意的性狀的實例包括(i)提高的根生長率(知道這個是有用的，因為具有快速發(fā)育根系的品種在植物生命周期關(guān)鍵性的早期階段和缺水情況下吸收水分、礦物質(zhì)和其他營養(yǎng)物時更為有效)；(ii)提高的根長度和厚度(更長、更厚的根具有更高的穿透堅硬基質(zhì)的能力并提供對緊密土壤的更佳適應(yīng)，特別是在缺水時)；(iii)提高的根分支(高度分支的根系具有更高的有效探索土壤層的潛力)；(iv)改善的固著性(根倒伏減少作物品質(zhì)和產(chǎn)量；具有更強健根系的植物對根倒伏較不敏感)。
本發(fā)明的方法可對任何植物進(jìn)行。優(yōu)選的植物為谷物，例如稻、小麥和玉米。
本發(fā)明的方法特別適用于在溫室中的植物育種，優(yōu)點為植物在確定的基質(zhì)上生長，從而可以控制給予植物的水和營養(yǎng)物的量。本發(fā)明的方法還特別適用于需要高通量的情況。
還優(yōu)選通過比較植物的表型特征選擇用于進(jìn)一步育種或用于商業(yè)用途的植物。
本文使用術(shù)語“包含”旨在包括“包括”的概念和“基本上由… …組成”的概念。
現(xiàn)在將參考下列圖表描述本發(fā)明，其中


圖1為根據(jù)本發(fā)明第一個實施方案的裝置的圖示(俯視圖)。
圖2為根據(jù)本發(fā)明第一個實施方案的裝置的圖示(側(cè)視圖)。
圖3為根據(jù)本發(fā)明第二個實施方案的裝置的圖示(俯視圖)。
圖4為根據(jù)本發(fā)明第二個實施方案的裝置的圖示(elevated side view)。
圖5為根據(jù)本發(fā)明第三個實施方案的裝置的圖示。
圖1到圖4各由說明植物根成像過程的三張圖片組成，由左側(cè)圖片開始，其顯示成像之前的裝置；中間的圖片顯示成像期間裝置的元件；右邊的圖片顯示成像完成后裝置的元件。箭頭指出移動元件移動的方向。
為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明，現(xiàn)在下文給出通過實例說明本發(fā)明并應(yīng)與附圖一起閱讀的描述。
根據(jù)本發(fā)明裝置的第一個實施方案包含第一個運輸工具(1)，通過它透明盆中的植物被支持并移動至記錄根圖像的位置。優(yōu)選的運輸工具為傳送帶。容器(2)為植物盆，其中一株或多株植物生長在為所述目的選擇的培養(yǎng)基中。盆為透明塑料等。顯示了旋轉(zhuǎn)板(3)，盆栽的植物可置于其上并沿中央垂直軸旋轉(zhuǎn)。第一個機械裝置稱為“推動器”(4)，具有將盆栽植物從第一個運輸工具(1)移動至旋轉(zhuǎn)板(3)上的能力。用于從盆側(cè)面記錄照片的照相機(5)離旋轉(zhuǎn)板(3)合適距離水平放置。照相機為“行掃描”類型并能夠以數(shù)字格式輸出圖像。二維數(shù)字照片由像素的疊加測線組成，第一維為行的長度而第二維為行的數(shù)量。行掃描照相機的一個特性為它們以規(guī)則的時間間隔記錄單行像素并在指定的時間段內(nèi)將其編輯。根據(jù)該原理，通過在行掃描照相機前旋轉(zhuǎn)物體記錄圓形物體的表面圖像是可能的。合適的光源(6)離旋轉(zhuǎn)板(3)適當(dāng)距離水平放置從而以均勻方式照亮盆的側(cè)面。
計算機(7)連接在上述照相機上并裝有合適的程序用于收集、存儲并分析照相機產(chǎn)生的照片。讀數(shù)工具(8)允許閱讀附著在植物上的標(biāo)識符。優(yōu)選的標(biāo)識符為應(yīng)答器，但可使用任何其他合適的系統(tǒng)。第二個運輸工具(9)將植物盆轉(zhuǎn)移至它們的原始位置或需要時轉(zhuǎn)移到另一位置。該運輸工具也是傳送帶。第二個機械裝置稱為“推動器”(10)具有將盆栽植物從旋轉(zhuǎn)板(3)移動至第二個運輸工具(9)上的能力。
在第一個用作說明的裝置中評價根性狀的方法一般包括下列步驟第一個運輸工具(1)設(shè)置為移動以將盆栽植物(2)帶至旋轉(zhuǎn)板(3)面前。第一個運輸工具(1)隨后停止。第一個推進(jìn)器(4)被激活并將盆栽植物推上旋轉(zhuǎn)板(3)。備選地，將植物置于旋轉(zhuǎn)板上的動作也可手動進(jìn)行或通過帶有合適夾子以抓住植物并將其移至預(yù)選位置的機器臂進(jìn)行。盆栽的植物在行掃描照相機(5)面前轉(zhuǎn)向并打開光源(6)。優(yōu)選地，在各植物之間不關(guān)閉光源(6)以確保照片采集的每個循環(huán)有穩(wěn)定的照明。行掃描照相機(5)在旋轉(zhuǎn)板(3)旋轉(zhuǎn)同時開始記錄照片并在完成一圈后停止。通過標(biāo)識符讀數(shù)器(8)閱讀附著在盆栽植物上的標(biāo)識符并通過數(shù)據(jù)電纜連接送至計算機(7)。照相機(5)通過數(shù)據(jù)電纜連接將存儲的照片送至計算機(7)。植物的標(biāo)識符在圖像存儲和被分析時連接到圖像。優(yōu)選圖像文件存儲時標(biāo)識符整合在圖像文件名稱中，但是任何命名系統(tǒng)可用于命名圖像，只要標(biāo)識符和圖像名稱之間的連接在計算機數(shù)據(jù)庫中明確相關(guān)。通過合適的軟件從照片中推論根特征并將結(jié)果存儲在計算機數(shù)據(jù)庫中，與植物的標(biāo)識符相聯(lián)系。第二個推進(jìn)器(10)將盆栽植物推至第二個運輸工具(9)上，其隨后被設(shè)為移動以轉(zhuǎn)移盆栽植物。備選地，將植物從旋轉(zhuǎn)板移回至第二個運輸工具的動作也可手動進(jìn)行或通過帶有能夠抓住植物并將其移至預(yù)選位置的合適夾子的機器臂進(jìn)行。重復(fù)上述步驟直至所有置于第一個運輸工具上的植物都已被評價。
第二種闡明性裝置包括運輸工具(21)，植物盆被其支持并移動至記錄根圖像的位置。優(yōu)選的運輸工具為傳送帶。容器(22)為植物盆的形式，其中一株或多株植物生長在為所述目的選擇的培養(yǎng)基中。盆的材料優(yōu)選為透明塑料等。稱為“夾子臂”的機械裝置(23)具有將盆栽植物從運輸工具(21)抓起并將它們在垂直于運輸工具(21)的水平方向或在垂直于地面的垂直方向短距離移動(例如10和50cm之間)的能力。提供帶有透明底的水池(24)。水池可以是任何形狀，但其長度和寬度必須至少大于盆的直徑。優(yōu)選水池的高度應(yīng)超過盆的高度。置于水池(24)下面的照相機(250)記錄盆的底面照片。T照相機(25)以數(shù)字格式輸出圖像。合適的光源(26)置于水池(24)下合適的距離從而以均勻方式照亮盆的底面。計算機(27)連接在上述照相機上并裝有合適的程序用于收集、存儲并分析照相機產(chǎn)生的照片。提供允許閱讀附著在植物上的標(biāo)識符的工具(28)。優(yōu)選其為應(yīng)答器，但可使用任何其他合適的系統(tǒng)。
在第二種闡明性裝置中評價根性狀的方法一般包括下列步驟水池(24)、照相機(25)和夾子臂(23)裝備在離運輸工具(21)合適距離處，盆栽植物(22)置于所述運輸工具上用于運輸。運輸工具(21)設(shè)為移動將植物帶至水池(24)前。運輸工具(21)隨后停止。
夾子臂(23)激活并將置于水池(24)前的植物盆抓起。植物盆通過夾子臂(23)移動，首先水平移動至水池(24)上，然后垂直向下進(jìn)入水池(24)。將盆投入水池中從盆的底面去掉灰塵、土壤或冷凝水以改善圖像質(zhì)量。優(yōu)選水池中保持連續(xù)水流以加速清潔過程。備選地，將植物置于盆中的動作可以手動進(jìn)行。備選地，水池可是運輸工具的部分，而盆可以通過機器臂和橫向軌道的方法引入水池上。用標(biāo)識符讀數(shù)器(28)閱讀附著在盆栽植物上的標(biāo)識符并通過電纜連接送至計算機(27)。位于水池下的照相機(25)記錄盆的底部圖像。圖像通過電纜連接送至計算機(27)。植物的標(biāo)識符在圖像存儲和被分析時連接到圖像。優(yōu)選圖像文件存儲時標(biāo)識符寫入圖像文件名稱中，但是任何命名系統(tǒng)可用于命名圖像，只要標(biāo)識符和圖像名稱之間的關(guān)系聯(lián)系在計算機數(shù)據(jù)庫中。通過合適的軟件從照片中推論根特征并將結(jié)果存儲在計算機數(shù)據(jù)庫中，與植物的標(biāo)識符聯(lián)系。植物盆放回運輸工具(21)，其再次設(shè)為移動以將下一植物帶至水池(24)前。備選地，將植物放回運輸工具上的動作可手動進(jìn)行。重復(fù)上述步驟直至置于運輸工具(21)上的所有植物都已被評價。
第三種闡明性裝置包括支架或托盤(31)，通過它將植物盆支持并移至記錄根圖像的位置。優(yōu)選支架尺寸應(yīng)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)例如普及的“丹麥支架”。一般支架應(yīng)為大約50cm長30cm寬和5到10cm高。支架的運輸和操作可使用用于園藝工業(yè)的可商業(yè)獲得的運輸工具和自動化機械裝置進(jìn)行。在本實施例中，這樣的支架由帶有8個圓環(huán)的塑料框架組成，12cm直徑的盆可插入圓環(huán)中。該體系可擴大或縮小以用于不同物種的植物。容器(32)是植物盆形式，其中一株或多株植物生長在為所述目的選擇的培養(yǎng)基中。盆為透明塑料材料等。包含用于記錄支架中所有盆底面圖像的合適照相機(33)的數(shù)字成像站與將放置盆的平面合適距離處垂直放置。優(yōu)選照相機以數(shù)字格式輸出圖像。合適的光源(34)置于將放置盆的平面下合適距離處從而以均勻的方式照亮盆的底面。計算機(35)連接在上述照相機上并裝有合適的程序用于收集、存儲并分析照相機產(chǎn)生的照片。在該實施例中，每張照片需要分為對應(yīng)于各單個植物的部分。在該實施例中，由于應(yīng)答器可能不適合用在彼此如此接近的植物，單個植物的鑒定可使用各單個盆底部下的可讀標(biāo)簽進(jìn)行，所述標(biāo)簽優(yōu)選為“條形碼”的形式或甚至更優(yōu)選為“矩陣碼”的形式。備選地，可讀標(biāo)簽可用于標(biāo)識托盤；在該情況下，托盤上的單個植物可通過它們在托盤上的位置鑒定。最優(yōu)選的是，標(biāo)簽和膠，或用于將標(biāo)簽附著在盆或托盤底部的任何其他方法應(yīng)是耐水和機械壓力的。
在第三種闡明性裝置中評價根性狀的方法一般包括下列步驟將支持透明盆(32)的支架(31)帶至成像站并手動或使用可得自園藝工業(yè)的機械運輸系統(tǒng)放置在照相機(33)上方，距照相機的焦平面合適距離。置于支架下的照相機(33)記錄盆底部的照片。如果需要更高的分辨率，照相機可一次記錄一個單個盆的圖像，這要求支架或照相機的連續(xù)移動從而對于每個連續(xù)的盆，盆的垂直軸垂直于照相機的焦平面?？墒褂萌舾蓚€照相機，例如每盆一個。圖像通過電纜連接送至計算機(35)。存在于照片上的植物的標(biāo)識符通過軟件識別并在圖像被存儲和分析時與圖像連接。優(yōu)選圖像文件存儲時標(biāo)識符寫入圖像文件名稱中，但是任何命名系統(tǒng)可用于命名圖像，只要標(biāo)識符和圖像名稱之間的聯(lián)系在計算機數(shù)據(jù)庫中聯(lián)系。通過合適的軟件從照片中推論根特征并將結(jié)果存儲在計算機數(shù)據(jù)庫中，與植物的標(biāo)識符聯(lián)系。手動或使用可得自園藝工業(yè)的機械運輸系統(tǒng)將含有植物的支架放回其原始位置。
權(quán)利要求
1.用于評價植物根的方法，其包括(i)在裝有顆粒狀不透明生長培養(yǎng)基的基本透明的容器中培養(yǎng)植物；和(ii)穿過所述透明的容器通過數(shù)字成像評價植物根。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述透明容器含有吸收除500至600納米波長外的所有光波長的色素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述顆粒狀不透明生長材料包含土壤。
4.用于評價植物根的裝置，其包含(i)用于移動裝有顆粒狀不透明生長培養(yǎng)基的基本透明的容器中的植物的運輸工具；(ii)至少一個照相機；和任選地(iii)用于將基本透明的容器提供給所述至少一個照相機的機械系統(tǒng)；和(iv)用于測量根性狀的算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中為所述植物提供唯一的標(biāo)識符。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中所述唯一標(biāo)識符為應(yīng)答器。
7.根據(jù)權(quán)利要求4到6任一項的裝置，其中所述運輸工具為傳送帶。
8.用于評價裝有顆粒狀不透明生長培養(yǎng)基的基本透明容器中植物的根的裝置，所述裝置包含準(zhǔn)備穿過所述基本透明的容器記錄植物根的圖像的至少一個可移動的照相機。
全文摘要
提供了用于評價植物根的方法，包括(i)在裝有顆粒狀不透明生長培養(yǎng)基的基本透明的容器中培養(yǎng)植物；和(ii)穿過所述透明的容器通過數(shù)字成像評價植物根。還提供了用于以高通量方式評價植物根的裝置。
文檔編號A01G1/00GK101022719SQ200580031238
公開日2007年8月22日 申請日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者P·勒熱納, W·布洛克阿爾特, F·萊恩斯, F·東特 申請人:克羅普迪塞恩股份有限公司