专利名称：根评价的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及植物育种领域并涉及评价植物根的方法，所述方法通过在装有颗粒状不透明生长培养基的基本透明的容器中培养植物并穿过基本透明的容器通过数字成像评价植物根。本发明还提供用于评价植物根的装置，该装置特别适用于以高通量模式评价温室中生长的植物根。
植物育种基本上起始于给定物种的植物中基因型变异的产生。基因型变异的产生依赖于可通过多种技术获得的遗传改变的产生，所述技术包括通过经典杂交、化学诱变、辐射诱发突变、体细胞杂交、种间杂交和遗传工程的重组。基因型变异产生后，选择具有最期望农学表型的基因型。例如，可选择植物的某些根表型。
尽管根对植物的整体生存性非常重要，但是根系的评价(特别是成熟的根系评价)常常被技术局限所阻碍。在大田环境中，评价根系的传统方法涉及在进行任何测量前从土壤中挖掘根；这意味着对任何给定的植物只可进行一次评价。另外，土壤中短距离的改变(由于例如土壤组分、土壤物理性质、养分的可用性或微生物土壤居住者的存在)也可妨碍大田环境中的根评价。
能够获得多种方法用于非破坏性测量根。一种这类方法依赖于使用电容，所述电容涉及在植物(优选茎)和基质间插入电极。这允许测量根和基质间接触面的电性质，并由此推论出根质量。然而该技术也存在缺点。例如i)由于和校准(例如基质的不同水含量)相关的困难，可信度低；ii)向茎中插入电极难以自动化，特别是在多茎的植物中(这应用于多数谷物例如小麦和稻)；iii)使用该技术产生的唯一信息是指示根质量。
以非破坏性方式测量根的另一方法涉及使用X射线或核磁共振(NMR)，然而这些技术会是格外慢和昂贵的，并因此在要求高通量时通常不适用。
以非破坏性方式测量根的另一方法涉及使用穿地雷达，然而与该技术使用相关的低分辨率使得结果难以解释。
尽管植物育种者通常明白根系的重要性，与用于评价根系的常规方法相关的缺点是指植物育种者倾向于将他们的注意力集中在植物地上部分，很少(如果有的话)的注意力给予地下部分。目前的根功能知识多数得自对苗的研究或推断自对植物株冠和土壤剖面的观察。
没有现有技术缺点的评价植物根的能力使植物育种者能够获得例如最佳根系剖面和其应如何与植物其他部分相称的知识。理解对于给定环境条件组最有效的根结构应该是怎样的对于育种者也会是有用的。例如，通常认为具有更发达根系的植物会具有更高的干旱胁迫抗性。然而仍存在许多问题，如需要的发达程度，具有更发达根系对植物其余部分的负担和根与叶区域的最佳比例。没有现有技术缺点的评价植物根的能力会使植物育种者能够回答这些和其他这类问题。
因此提供评价植物根的方法是本发明的目的之一，所述方法减轻一些上述问题。
因此，根据本发明提供用于评价植物根的方法，包括(i)在装有颗粒状不透明生长培养基的基本透明的容器中培养植物；和(ii)穿过基本透明的容器通过数字成像评价植物根。
基本透明的容器可以是盆、盘等。优选地，容器为透明材料(如合适的塑料材料)成型的典型植物盆。优选每盆一株植物。透明材料优选含有(绿色)色素以基本吸收除500至600纳米之外的所有波长的光。这用于抑制根的光回避反应并避免盆内壁的藻类生长。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组成或可仅具有透明底部。
颗粒状不透明生长培养基可以是任何土壤样基质(例如土壤、堆肥、泥煤、沙等，或其组合)。确定基质例如盆栽土或石棉的使用还可减少由土壤不均一性引起的变更。另外，温室植物在确定基质中的生长允许控制将给予植物的水和营养物的量。
根据本发明的方法，通过数字成像评价植物根，其方便了大样本(如多达数万)的处理。优选使用至少一个照相机以自动化形式评价植物。植物可(连续地)提供给固定的照相机，或照相机对固定盆中的植物可移动。根据本发明优选的方面，(例如从温室或别处的位置)取回植物并将放置植物的基本透明的容器连续地提供给安排记录根图像的照相机。然后将植物返回它们最初的位置或另一位置，均基本不受人干预。选择用于评价的植物或系列植物步骤中可存在一定程度的人干预，但是这也可被计算机化。在优选的方法中，每小时可评价最少500株植物。
根据本发明的另一方面，提供用于评价植物根的装置，其包含(i)用于移动装有颗粒状不透明生长培养基的基本透明容器中植物的运输工具；(ii)至少一个照相机；和任选地(iii)用于将基本透明的容器提供给所述至少一个照相机的机械系统；和(iv)用于测量根性状的算法。
运输工具优选为传送带。还可设想备选实施方案，其中至少一个照相机是可移动的从而记录固定盆中植物的图像。因此提供用于评价装有颗粒状不透明生长培养基的基本透明容器中植物根的装置，所述装置包含准备穿过所述基本透明的容器记录植物根图像的至少一个可移动的照相机。
还可通过使若干植物或每个植物带有唯一标识符辅助自动化评价，所述标识符允许将涉及这些个体植物的信息与在计算机中它们的唯一标识符相联系。优选地，标识符为应答器(transponder)，但可使用任何其他合适的标识符例如条形码。可收集并存储信息，所述信息涉及植物物种、品种、亲本信息、转基因存在/缺乏、播种日期、根测量(带有日期戳)和对植物除根外的部分进行的任何其他测量或观测(也带有日期戳)。计算机中存储的信息可通过合适的软件检索。也可进行统计学分析以鉴定具有不同根特性的植物并鉴定值得注意的性状。
值得注意的性状的实例包括(i)提高的根生长率(知道这个是有用的，因为具有快速发育根系的品种在植物生命周期关键性的早期阶段和缺水情况下吸收水分、矿物质和其他营养物时更为有效)；(ii)提高的根长度和厚度(更长、更厚的根具有更高的穿透坚硬基质的能力并提供对紧密土壤的更佳适应，特别是在缺水时)；(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层的潜力)；(iv)改善的固着性(根倒伏减少作物品质和产量；具有更强健根系的植物对根倒伏较不敏感)。
本发明的方法可对任何植物进行。优选的植物为谷物，例如稻、小麦和玉米。
本发明的方法特别适用于在温室中的植物育种，优点为植物在确定的基质上生长，从而可以控制给予植物的水和营养物的量。本发明的方法还特别适用于需要高通量的情况。
还优选通过比较植物的表型特征选择用于进一步育种或用于商业用途的植物。
本文使用术语“包含”旨在包括“包括”的概念和“基本上由… …组成”的概念。
现在将参考下列图表描述本发明，其中
图1为根据本发明第一个实施方案的装置的图示(俯视图)。
图2为根据本发明第一个实施方案的装置的图示(侧视图)。
图3为根据本发明第二个实施方案的装置的图示(俯视图)。
图4为根据本发明第二个实施方案的装置的图示(elevated side view)。
图5为根据本发明第三个实施方案的装置的图示。
图1到图4各由说明植物根成像过程的三张图片组成，由左侧图片开始，其显示成像之前的装置；中间的图片显示成像期间装置的元件；右边的图片显示成像完成后装置的元件。箭头指出移动元件移动的方向。
为了进一步阐明本发明，现在下文给出通过实例说明本发明并应与附图一起阅读的描述。
根据本发明装置的第一个实施方案包含第一个运输工具(1)，通过它透明盆中的植物被支持并移动至记录根图像的位置。优选的运输工具为传送带。容器(2)为植物盆，其中一株或多株植物生长在为所述目的选择的培养基中。盆为透明塑料等。显示了旋转板(3)，盆栽的植物可置于其上并沿中央垂直轴旋转。第一个机械装置称为“推动器”(4)，具有将盆栽植物从第一个运输工具(1)移动至旋转板(3)上的能力。用于从盆侧面记录照片的照相机(5)离旋转板(3)合适距离水平放置。照相机为“行扫描”类型并能够以数字格式输出图像。二维数字照片由像素的叠加测线组成，第一维为行的长度而第二维为行的数量。行扫描照相机的一个特性为它们以规则的时间间隔记录单行像素并在指定的时间段内将其编辑。根据该原理，通过在行扫描照相机前旋转物体记录圆形物体的表面图像是可能的。合适的光源(6)离旋转板(3)适当距离水平放置从而以均匀方式照亮盆的侧面。
计算机(7)连接在上述照相机上并装有合适的程序用于收集、存储并分析照相机产生的照片。读数工具(8)允许阅读附着在植物上的标识符。优选的标识符为应答器，但可使用任何其他合适的系统。第二个运输工具(9)将植物盆转移至它们的原始位置或需要时转移到另一位置。该运输工具也是传送带。第二个机械装置称为“推动器”(10)具有将盆栽植物从旋转板(3)移动至第二个运输工具(9)上的能力。
在第一个用作说明的装置中评价根性状的方法一般包括下列步骤第一个运输工具(1)设置为移动以将盆栽植物(2)带至旋转板(3)面前。第一个运输工具(1)随后停止。第一个推进器(4)被激活并将盆栽植物推上旋转板(3)。备选地，将植物置于旋转板上的动作也可手动进行或通过带有合适夹子以抓住植物并将其移至预选位置的机器臂进行。盆栽的植物在行扫描照相机(5)面前转向并打开光源(6)。优选地，在各植物之间不关闭光源(6)以确保照片采集的每个循环有稳定的照明。行扫描照相机(5)在旋转板(3)旋转同时开始记录照片并在完成一圈后停止。通过标识符读数器(8)阅读附着在盆栽植物上的标识符并通过数据电缆连接送至计算机(7)。照相机(5)通过数据电缆连接将存储的照片送至计算机(7)。植物的标识符在图像存储和被分析时连接到图像。优选图像文件存储时标识符整合在图像文件名称中，但是任何命名系统可用于命名图像，只要标识符和图像名称之间的连接在计算机数据库中明确相关。通过合适的软件从照片中推论根特征并将结果存储在计算机数据库中，与植物的标识符相联系。第二个推进器(10)将盆栽植物推至第二个运输工具(9)上，其随后被设为移动以转移盆栽植物。备选地，将植物从旋转板移回至第二个运输工具的动作也可手动进行或通过带有能够抓住植物并将其移至预选位置的合适夹子的机器臂进行。重复上述步骤直至所有置于第一个运输工具上的植物都已被评价。
第二种阐明性装置包括运输工具(21)，植物盆被其支持并移动至记录根图像的位置。优选的运输工具为传送带。容器(22)为植物盆的形式，其中一株或多株植物生长在为所述目的选择的培养基中。盆的材料优选为透明塑料等。称为“夹子臂”的机械装置(23)具有将盆栽植物从运输工具(21)抓起并将它们在垂直于运输工具(21)的水平方向或在垂直于地面的垂直方向短距离移动(例如10和50cm之间)的能力。提供带有透明底的水池(24)。水池可以是任何形状，但其长度和宽度必须至少大于盆的直径。优选水池的高度应超过盆的高度。置于水池(24)下面的照相机(250)记录盆的底面照片。T照相机(25)以数字格式输出图像。合适的光源(26)置于水池(24)下合适的距离从而以均匀方式照亮盆的底面。计算机(27)连接在上述照相机上并装有合适的程序用于收集、存储并分析照相机产生的照片。提供允许阅读附着在植物上的标识符的工具(28)。优选其为应答器，但可使用任何其他合适的系统。
在第二种阐明性装置中评价根性状的方法一般包括下列步骤水池(24)、照相机(25)和夹子臂(23)装备在离运输工具(21)合适距离处，盆栽植物(22)置于所述运输工具上用于运输。运输工具(21)设为移动将植物带至水池(24)前。运输工具(21)随后停止。
夹子臂(23)激活并将置于水池(24)前的植物盆抓起。植物盆通过夹子臂(23)移动，首先水平移动至水池(24)上，然后垂直向下进入水池(24)。将盆投入水池中从盆的底面去掉灰尘、土壤或冷凝水以改善图像质量。优选水池中保持连续水流以加速清洁过程。备选地，将植物置于盆中的动作可以手动进行。备选地，水池可是运输工具的部分，而盆可以通过机器臂和横向轨道的方法引入水池上。用标识符读数器(28)阅读附着在盆栽植物上的标识符并通过电缆连接送至计算机(27)。位于水池下的照相机(25)记录盆的底部图像。图像通过电缆连接送至计算机(27)。植物的标识符在图像存储和被分析时连接到图像。优选图像文件存储时标识符写入图像文件名称中，但是任何命名系统可用于命名图像，只要标识符和图像名称之间的关系联系在计算机数据库中。通过合适的软件从照片中推论根特征并将结果存储在计算机数据库中，与植物的标识符联系。植物盆放回运输工具(21)，其再次设为移动以将下一植物带至水池(24)前。备选地，将植物放回运输工具上的动作可手动进行。重复上述步骤直至置于运输工具(21)上的所有植物都已被评价。
第三种阐明性装置包括支架或托盘(31)，通过它将植物盆支持并移至记录根图像的位置。优选支架尺寸应符合工业标准例如普及的“丹麦支架”。一般支架应为大约50cm长30cm宽和5到10cm高。支架的运输和操作可使用用于园艺工业的可商业获得的运输工具和自动化机械装置进行。在本实施例中，这样的支架由带有8个圆环的塑料框架组成，12cm直径的盆可插入圆环中。该体系可扩大或缩小以用于不同物种的植物。容器(32)是植物盆形式，其中一株或多株植物生长在为所述目的选择的培养基中。盆为透明塑料材料等。包含用于记录支架中所有盆底面图像的合适照相机(33)的数字成像站与将放置盆的平面合适距离处垂直放置。优选照相机以数字格式输出图像。合适的光源(34)置于将放置盆的平面下合适距离处从而以均匀的方式照亮盆的底面。计算机(35)连接在上述照相机上并装有合适的程序用于收集、存储并分析照相机产生的照片。在该实施例中，每张照片需要分为对应于各单个植物的部分。在该实施例中，由于应答器可能不适合用在彼此如此接近的植物，单个植物的鉴定可使用各单个盆底部下的可读标签进行，所述标签优选为“条形码”的形式或甚至更优选为“矩阵码”的形式。备选地，可读标签可用于标识托盘；在该情况下，托盘上的单个植物可通过它们在托盘上的位置鉴定。最优选的是，标签和胶，或用于将标签附着在盆或托盘底部的任何其他方法应是耐水和机械压力的。
在第三种阐明性装置中评价根性状的方法一般包括下列步骤将支持透明盆(32)的支架(31)带至成像站并手动或使用可得自园艺工业的机械运输系统放置在照相机(33)上方，距照相机的焦平面合适距离。置于支架下的照相机(33)记录盆底部的照片。如果需要更高的分辨率，照相机可一次记录一个单个盆的图像，这要求支架或照相机的连续移动从而对于每个连续的盆，盆的垂直轴垂直于照相机的焦平面。可使用若干个照相机，例如每盆一个。图像通过电缆连接送至计算机(35)。存在于照片上的植物的标识符通过软件识别并在图像被存储和分析时与图像连接。优选图像文件存储时标识符写入图像文件名称中，但是任何命名系统可用于命名图像，只要标识符和图像名称之间的联系在计算机数据库中联系。通过合适的软件从照片中推论根特征并将结果存储在计算机数据库中，与植物的标识符联系。手动或使用可得自园艺工业的机械运输系统将含有植物的支架放回其原始位置。
权利要求
1.用于评价植物根的方法，其包括(i)在装有颗粒状不透明生长培养基的基本透明的容器中培养植物；和(ii)穿过所述透明的容器通过数字成像评价植物根。
2.根据权利要求1的方法，其中所述透明容器含有吸收除500至600纳米波长外的所有光波长的色素。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述颗粒状不透明生长材料包含土壤。
4.用于评价植物根的装置，其包含(i)用于移动装有颗粒状不透明生长培养基的基本透明的容器中的植物的运输工具；(ii)至少一个照相机；和任选地(iii)用于将基本透明的容器提供给所述至少一个照相机的机械系统；和(iv)用于测量根性状的算法。
5.根据权利要求4的装置，其中为所述植物提供唯一的标识符。
6.根据权利要求5的装置，其中所述唯一标识符为应答器。
7.根据权利要求4到6任一项的装置，其中所述运输工具为传送带。
8.用于评价装有颗粒状不透明生长培养基的基本透明容器中植物的根的装置，所述装置包含准备穿过所述基本透明的容器记录植物根的图像的至少一个可移动的照相机。
全文摘要
提供了用于评价植物根的方法，包括(i)在装有颗粒状不透明生长培养基的基本透明的容器中培养植物；和(ii)穿过所述透明的容器通过数字成像评价植物根。还提供了用于以高通量方式评价植物根的装置。
文档编号A01G1/00GK101022719SQ200580031238
公开日2007年8月22日 申请日期2005年9月8日 优先权日2004年9月16日
发明者P·勒热纳, W·布洛克阿尔特, F·莱恩斯, F·东特 申请人:克罗普迪塞恩股份有限公司