本发明涉及植物的花序、种子和/或种子产量表型的评估。
更具体而言，本发明涉及一种用于评估带穗植物的花序、种子和/或种子产量表型的方法和设备。
背景技术：
在为了它们的种子而栽培的植物(也称为种子作物)——例如大米、小麦、大麦、玉米、大豆、油菜、向日葵、小米和红花——的育种中，一个主要目标在于发现具有高种子产量的基因型。育种者通常要分析具有不同基因型的种类繁多的植物的种子产量，例如，通过的亲本系的有性杂交得到的植物的种子产量。通过插入转基因在植物物种中形成变异性的分子育种者也必须应付需要评估其种子产量的大量植物种群。用于种子产量的快速、准确和高效测量的工具是植物育种行业的必需品。
植物表型在本质上开始于在给定物种的植物之间形成基因型变异。在形成基因型变异之后，执行对具有最期望的农学表型的那些基因型的选择。例如，可针对某些特定生殖特征来选择植物，例如：花序数、尺寸或架构、每个花序的种子数量、种子大小、种子数量和种子重量。此类特征有助于最终的种子产量并且被称为“产量构成”。用于评估产量构成的传统方法包括劳动密集型的程序，例如尺寸的手动和可视测量、植物部位的计数以及诸如各个花序和种子的植物部位的称重。通常，这些操作需要从对向的植物器官中分离感兴趣的植物部位。
一种做法是通过包括数个步骤的程序来评估由植物产生的种子。将种子与植物物理地分离(收获步骤)，然后清洗以除去源自母体植物的非种子残余物和灰尘或其它污染粒子。成熟种子与不适当地成长的种子(下称“未成熟种子”)——例如不完全饱满的种子——有区别。在大多数情况下，将成熟种子与未成熟种子的比例记录为与育种者相关的参数。将成熟种子称重并计数，以使得可以推导作为育种者的一个重要参数的总成熟种子重量，以及每个成熟种子的平均重量，该平均重量给出了用于与例如通常被育种者用作重要参数的千粒重进行比较的值。
例如，在水稻表型中，常见的做法是通过在植物生长实验结束时收获带有成熟的穗或种子的植物花序来测量种子产量。然后将穗/花序脱粒并且将所有种子收集并计数。种子通常被覆盖一干的覆盖物，即外皮。可以使用吹气装置来将饱满的外皮(文中也称为饱满小花)与空外皮分离。空外皮可以被丢弃并且可以再次对剩下的部分计数。可以在分析天平上称量饱满的外皮。然后通过对在分离步骤之后保留的饱满的外皮进行计数来确定种子的总数。通过将从植物收获的所有饱满的外皮称重来测量种子总重量。可以通过将从一株植物收获的外皮(无论是否被填充/饱满)计数来确定每株植物的种子(或小花)的总数。可以从计量的种子数和它们的总重量来推测千粒重(TKW)。可以将每穗花数计算为种子总数与成熟主穗的数量的比率。而且，可以将“种子饱满率”或“种子饱满比”计算为饱满种子数(即包含种子的小花)与种子总数(即小花的总数)的比例(以百分比(％)表示)。换而言之，种子饱满率是填充有种子的小花的百分比。
这种手工种子收获和后续分析步骤是一个非常耗时和高成本的过程。
用于在这种程序中进行这些测量的仪器包括用于测量种子重量的天平和用于对种子计数的种子计数器，其全都以不同的市售类型存在。一种类型的种子计数器包括用于一批种子的入口、允许种子逐一掉落的系统、和用于检测经过光学检测器前方的规定大小的每个颗粒的系统。用于清洁种子的仪器也以不同的市售类型存在。一些仪器基于种子经过具有不同网目的多组摇筛，直至正确粒径的种子被保留在这些筛之一上。其它仪器基于种子与流体流中的污染物(通常为空气流)的差异空气动力学和/或重力属性。也可以基于差异空气动力学和/或重力属性来进行成熟种子与未成熟种子的区分。
EP1431744描述了一种用于确定和记录一批植物产品中的种子的特性的改进的设备。
在EP1332354中可以找到另一种确定一批植物产品中的种子的特性的方式，该申请记载了使用光谱数据信号来判断种子是否具备特定性状。
与以上谈到的方法和仪器有关的缺点在于它们需要将种子与植物的其余部分物理地分离的步骤，这是耗时的并由此还损失了与可以使育种者获得对进行评估的作物的开花和种子形成机制的更多了解的性状有关的信息。
2009年，Gray等人研发了一种用于估算植物的种子产量的新方法(Gray等人，2009年，《用于估算湿地植物的种子产量的新技术》，Journal of Wildlife Management 73:1229-1232)并且推荐使用桌面扫描仪来预测挤压干燥穗的种子产量。该方法不允许以高产出方式工作，因为它在分析可以开始之前需要手动操纵。
技术实现要素：
因此，本发明的一个目的在于提供一种至少部分避免了由现有技术得知的系统和方法的缺点和不足的装置和方法。
本发明通过提供一种用于带穗植物的花序、种子和/或种子产量的物理特性的非破坏性分析的设备和方法。在一个优选实施例中，还分析植物的花序、种子和/或种子产量的化学特性。因此，分析结果包括但不限于：种子产量；种子或谷粒数量；种子或谷粒质量；油产量；收获的器官(例如种子)中的油、淀粉和/或蛋白质的含量；每穗花(小花)数或替代地花的数量也可以被表达为饱满种子数量与初穗数量的比率；收获指数；每株植物和单位面积收获的器官的数量和大小；田间收获的器官的数量；可收获器官(例如种子)的数量、每荚的种子、每粒种子的重量；和改良的构架(例如增加的秸秆直径、厚度、分支或物理性质的改进)。
本发明还涉及一种用于筛选至少一个带穗植物样本以评估其在结种植物中的花序、种子和/或种子产量表型的方法和设备。本发明还涉及用于跟踪多个植物样本的生长条件的跟踪方法、一种用于表型、基于表型得分来选择最期望的基因型的方法以及一种用于快速分析生长的植物样本的抗逆性的方法。例如，生物逆境可以由细菌、真菌或病毒疾病、昆虫和线虫引起。例如，非生物逆境可以由热、干旱、寒冷、风、高盐度和低或过高的营养水平引起。
该类型的设备和方法可以应用在所有农业研究和商业活动领域中以及所有与植物和植物样本有关的化学和/或生物技术领域中。优选地，根据本发明的设备和方法可以应用于植物的测试和用于处理植物的方法的测试的技术领域中，所述测试例如为以下测试中的一者或多者：最佳生长条件的测试和/或评估；植物对特定类型逆境的抵抗性的测试；特定肥料和/或营养素的测试；具有一个或多个期望特性的植物的选择和/或育种；特定处理如使用肥料和/或杀虫剂对植物或植物样本的20次处理的效果和/或效力的测试。然而，本发明的其它应用是可以的。
因此，本发明的又一目的在于提供一种用于筛选植物、尤其是带有穗的植物(更具体而言草类植物)的装置和方法。
这里，我们描述一种用于穗的花序、种子和/或种子产量表型的非破坏性分析的方法和设备，其与传统方法相比大大减少了劳动量，因为大部分手动操纵步骤被自动化的成像程序替代。本文描述的方法和设备实现了穗的高产出分析，因为这些方法和设备实现了所提供的穗的连续处理。优选地，本发明的方法和设备提供了一种全自动成像处理。
本发明的更多优点将从以下描述变得明显。
在一个优选方面，上述方法和设备使用近红外范围内的超光谱成像，其使得能够预测植物的花序或种子的基本化学成分，例如淀粉、蛋白质、水分和油的含量。
可以通过本发明的方法和设备评估的植物可以是具有穗状花序的任何植物。这些植物可以是不同的品种、杂种、自交系或诸如水稻、燕麦、小麦、大麦，黑麦、高粱、苏丹草、肯塔基蓝草、高羊茅以及玉米、油菜...的草类植物的族群，或可以使用本发明的方法和设备评估花序或穗。
出于本说明书的目的，用词“穗”定义为具有中心轴的细长花序，自身分支的分枝沿着该中心轴，包括细长的总状花序和/或总状花序的群组，其具有长花梗/花序梗，从而提供具有双边对称的或多或少松散的样子和尖叉。具有此类穗的植物的示例有水稻、燕麦、苏丹草、肯塔基蓝草和高粱。
如本文所用，用语“种子产量”可以是但不限于每株植物的种子数量或重量、每个荚的种子或单颗种子的重量，或每颗种子的油、蛋白质和/或淀粉含量，或每株植物或每个穗的油、蛋白质和/或淀粉含量。因此，种子产量会受但不限于种子尺寸(例如，长度、宽度、周长、面积和/或体积)、(饱满)种子的数量和种子饱满率影响以及受种子油含量影响。因此，增加的每株植物的种子产量会影响可以从处于特定生长区域和/或生长时间中的植物获得的经济效益。
如本文所使用的术语“种子”(也称为“谷粒”或“籽粒”)指的是被封装在称为种皮的覆盖物(通常储存有一些营养素)中的小型胚芽植物，其是在母体植物内受精并以一定程度生长之后发生的裸子植物和被子植物的成熟胚珠的产物。出于本说明书的目的，术语“种子”还涵盖“果实”，根据韦氏词典，果实是植物的种子位于其中的部分(例如豌豆、坚果、谷粒或浆果的荚)。
如本文所使用的用语“油含量”指的是给定植物器官中的油脂的量，即种子(种子油含量)或植物的营养部分(营养油含量)，并且通常被表示为干重(种子的水分为10％)或湿重(针对营养部分)的百分比。
应该注意的是，油含量受组织(例如，种子、营养部分)的内在油产量以及每株植物或每个生长周期的产油组织的质量或大小的影响。
如本文所使用的用语“蛋白质含量”指的是给定植物器官中的蛋白质的量，即种子(种子蛋白质含量)或植物的营养部分(营养蛋白质含量)，并且通常被表示为干重或湿重的百分比。
如本文所使用的用语“淀粉含量”指的是给定植物器官中的淀粉的量，即种子(种子淀粉含量)或植物的营养部分(营养淀粉含量)，并且通常被表示为干重或湿重的百分比。
本发明的一个方面提供了一种用于测量穗的花序、种子和/或种子产量表型的方法。该方法包括以下步骤：提供第一和第二传送带系统并且还提供成像系统。第一和第二传送带系统同时并沿相反的方向运行，从而引起被输送材料沿一个方向的移动。将第二传送带系统放置成与第一传送带系统面对面，使得所述第一和第二传送带系统执行挤压或夹持动作。将从植物切下的穗提供至第一和第二传送带系统。优选地，在穗的尖端首先位于两个传送带系统的运行方向上的情况下将穗提供给传送带系统。
这些第一和第二传送带系统被制造成向下带走穗。优选地，穗被带至其中穗轴平行于重力方向的位置。在一个优选实施例中，第一和第二传送带系统大致同时终止。在另一优选实施例中，传送带系统中的一个进一步辅助将穗朝向成像系统输送和/或输送到成像系统的前方。
在夹持的传送带系统的端部处，穗被呈现给成像系统。因此，穗由于重力而自由悬垂。在其中穗被带至穗轴平行于重力方向的位置的优选实施例中，穗由于重力而完全直/直接悬垂。优选定位成使得它在垂直于穗的移动方向的方向上成像的成像系统获取至少一个空间分辨图像。优选地，此后，穗从这些夹持的第一和第二传送带系统被释放到收集容器中。通过合适的软件从所述图像测量表型。
这种软件的一个示例由Crowell等人记载于Plant Physiol.2014年4月2日；165(2):479-495中。
该软件可由图像分析装置驱动。该图像分析装置可适合执行至少一个图像的至少一次图像分析，优选地该图像分析装置可适合产生穗的花序、种子和/或种子产量的至少一个表型或性状。根据本发明的术语“产生”可以指例如由图像分析导出。
如果希望的话，可以使用算法来评估测定的表型。这可以通过图像分析装置来完成。
如本发明中使用的术语“图像”可意指任何类型的图像，优选地至少二维图像。所述图像可以是光学图像。图像可以由来自从成像物体传播的任何电磁辐射的能量值读数构建，因此图像可以包括透射图像和/或阴影图像和/或反射图像。可以通过检测发射信号——例如荧光和/或磷光信号——来生成图像。因此，可以通过叶绿素荧光测量和/或可选择的标记荧光测量来生成图像。可用来生成图像的信号可以是时间上离散的或可以是连续信号。其它类型的图像也是可以的，如例如下文所述。由上文可见，如在本发明中使用的术语“成像”可意指任何获取图像的方式。
优选地，第一传送带系统具有自由运行区。在这种情况下，第二传送带系统被放置在第一传送带系统的自由运行区的下游。然后将穗放置在该第一传送带系统的自由运行区上，其中优选地穗的尖端首先位于第一传送带系统的运行方向上。穗然后在所述第一传送带系统上朝第二传送带系统向前移动，并且穗然后在所述自由运行区的下游被挤压或夹持在第一和第二传送带系统二者之间。
在一个优选实施例中，所述第一传送带系统由一个带组成。在一个可供选择的实施例中，所述第一传送带系统包括至少一个带，优选地两个或更多个连续的传送带。在另一优选实施例中，所述第二传送带系统由一个带组成。在一个可供选择的实施例中，所述第二传送带系统包括至少一个带，优选地两个或更多个连续的传送带。在另一优选实施例中，所述第一和第二传送带系统均由一个带组成。
成像系统包括至少一个检测器。
如在本发明中使用的术语“检测器”可意指任何类型的检测器，优选地用于电磁辐射(EM辐射)的检测器。如在本发明中使用的术语“电磁辐射”可包括可见光、X射线、UV、红外和近红外、热和太赫兹辐射。它可以是广谱或窄谱。它可以包括单色EM辐射和广谱EM辐射，并且可以包括不连贯EM辐射以及连贯EM辐射、极化和非极化EM辐射。其它类型的电磁波/辐射也是可以的。更优选地，检测器可包括用于选自可见、红外和紫外波长区域的至少一个光谱波长区域中的光的检测器且最优选地摄像机。该摄像机可以是优选地具有空间和/或时间分辨率的数字摄像机。最优选地，该摄像机是行扫描摄像机。
在一个优选实施例中，成像系统在无尘环境中成像。
在另一优选实施例中，成像系统在户外成像。
优选地，本文描述的方法用于在被评估的穗带有种子时、优选地在最后的成熟阶段测量种子产量。
优选地，每个植物穗都与标识符相关联。优选地，标识符可以是或可以包括但不限于以下标识符中的一者或多者：条码；非接触式电子标识符，即包括可以优选地在读取机构、优选地读取器与标识符之间不进行任何物理接触的情况下从标识符读取至少一项信息的标识符，最优选地，标识符可以是至少一个射频识别标签(RFID标签)。然而，替代地或附加地，其它类型的标识符是可以的。该信息可以是简单的标识，例如植物样本和/或基因型和/或生长条件和/或处理。一般而言，所述至少一个标识符不一定必须与穗进行物理接触，而是应当以任何明确的方式被分配给相应的穗。由通过合适的软件从图像测量基因型得到的信息优选地也与标识符相关联。
在一个更加优选的实施例中，该方法还包括将电磁辐射引导到穗以使得穗传播电磁辐射的步骤。然后在其中获得包括像素的图像的不同波长下将穗成像。基于像素将这些在不同波长下记录的图像对齐，使得生成三维图像。三维图像即成像立方体包括2个空间维度和1个光谱维度。在该方法的下一步骤中，结合不同波长的加权贡献的常规预测数学模型用于将穗的多光谱或超光谱成像立方体与表型相关联，然后通过合适的软件从所述相关性测量表型。
从穗传播的电磁辐射优选为透射光。在另一优选实施例中，从穗传播的电磁辐射是反射光。
在一个优选实施例中，在光谱的近红外范围内(优选地在900纳米和1700纳米之间)的许多不同的窄波段下收集图像。
本发明的方法可用于检测可通过成像测量的任何表型。在一个优选实施例中，表型是数量性状、生化性状和形态性状中的一者或多者。在一个更优选实施例中，生化性状选自油组分、蛋白质组分、碳水化合物组分、纤维组分、油含量、蛋白质含量、碳水化合物含量、淀粉含量、纤维含量、干重和水含量组成的群组。在另一更加优选的实施例中，形态性状选自花序架构、花尺寸、花形状、花颜色、花表面纹理、花重量、花完整性、胚乳大小、胚芽大小、种子形状、种子大小、种子颜色、种子表面纹理、种子重量、种子密度和种子完整性。如本文所使用，完整性与对疾病、昆虫侵染和真菌侵染中的任何一者的易感性或抗性相关联。在一个可供选择的优选实施例中，数量性状选自小花的数量、种子的数量、空种子的数量、分枝的量、种子的重量、种子的总重量和/或饱满率。然而，其它类型的参数和/或提及的参数和/或其它参数的组合是可以的，例如：每株植物收获器官的数量和大小；收获器官(例如植物的种子或营养部分)中的油、淀粉和/或蛋白质的含量；每个穗的花数(小花)或可供选择地花的数量也可以被表示为一株植物的饱满种子数与初穗数的比率；或改良的架构(例如增加的茎直径、厚度、分支或物理性质的改进)。
本发明的方法可以用于分析基因转变对植物并且特别是对其穗的花序、种子和/或种子产量表型的影响，以及选择具有感兴趣的基因转变的穗和/或种子。这种方法包括以下步骤：首先生长具有不同基因型的多种植物，直到它们具有穗。优选地，具有相同基因型的植物的族群或群组与具有不同基因型的植物的族群或群组一起生长，全部生长直到它们具有穗。优选地，将每株植物与标识符——更优选地，将该植物与其它植物区分开的机器可读标识符——相关联。在使用具有相同基因型的植物的族群或群组的情况下，对每株植物分配相同的基因型标识符。然后使用本文描述的方法获得图像，然后针对如上所述的一个或多个基因型和/或性状分析这些图像，以确定基因转变的影响。然后可以对具有感兴趣的基因转变的族群、植物、穗或种子进行选择。如果需要的话，可以使用算法来选择和评估测得的表型和统计分析的结果，以识别出具有感兴趣的基因转变的植物，用于选择最佳表现候选者或丢弃最差表现植物/族群或用于为任何给定的进一步过程选择具有任何给定特征的候选者，和/或识别性状导向。
基因型变异的形成可以基于在实验室中完成的基因转变，但也可以依赖于通过技术获得的遗传改变的产生，所述技术包括通过杂交重组、化学诱变、辐射诱导的突变、体细胞杂交、种间杂交和基因工程。可以将获得的植物与其它非转基因植物、其它转基因植物和/或相应的对照植物进行比较。在形成基因型变异之后，执行对具有最期望的农学表型的那些基因型的选择。
本发明在其另一方面提供了一种用于评估和记录穗的特征如植物的种子和/或种子产量的方法，该方法包括以下步骤：识别植物；向如上所述的设备提供穗；确定第一部分中的种子的平均重量；处理所述结果以确定该批次中的成熟种子与未成熟的种子的比率；以及将结果以规定格式与植物标识符一起记录在计算机数据库中。
本发明的另一方面提供了一种改进的成像系统，其以非常高的准确度显著增加种子成像的产出。
本发明的另一方面涉及一种用于处理和/或分析准备用于生长的种子或用于选择具有感兴趣的基因转变的植物的改进的方法。
通过对植物穗进行如上所述的处理而编制的计算机数据库可以被询问并能够快速比较来自大量不同植物的特征，并且因此允许快速确定可以从中推导产出的种子具有期望特征的又一些植物的种子。
本发明在其另一方面提供了一种用于将一批植物产品中的种子产量、平均种子重量和/或成熟与未成熟种子的比率的特征中的一个或多个特征与其它批次植物产品的对应特征进行比较的方法，其中通过对多个批次的植物产品进行根据上一段的处理而编制的计算机数据库关于所述一个或多个特征被询问。
本发明的另一方面提供了一种用于穗的花序、种子和/或种子产量的高产出评估的设备，其中该设备包括成像系统和用于支承所述植物穗并将所述植物穗移动到所述成像系统的输送器，并且其中该输送器包括两个传送带系统。这两个传送带系统被放置成面对面以夹持要评估的穗。优选地，该输送器提供花和/或种子在穗上的铺开，使得所述花和/或种子在离开输送器时全都位于一个平面中以通过成像系统成像。优选地，花和/或种子处于一个垂直于成像系统的平面中。
优选地，该设备还包括提供穗的位置配准的系统。
这些第一和第二传送带系统被制造成向下带走穗。优选地，穗被带至其中穗轴平行于重力方向的位置。在一个优选实施例中，第一和第二传送带系统大致同时终止。在另一优选实施例中，传送带系统中的一个进一步辅助将穗朝向成像系统输送和/或输送到成像系统的前方。
在夹持的传送带系统的端部处，穗被呈现给成像系统。因此，穗由于重力而向下悬垂。在该优选实施例中，其中穗被向下带至穗轴平行于重力方向的位置，穗由于重力而完全直/直接悬垂。优选定位成使得它在垂直于穗的移动方向的方向上成像的成像系统获取至少一个图像。此后，穗从这些夹持的第一和第二传送带系统被释放到收集容器中。通过合适的软件从所述图像测量表型。
这种软件的一个示例中由Crowell等人记载于Plant Physiol.2014年4月2日；165(2):479-495中。
如果希望的话，可以使用算法来评估测定的表型。
成像系统包括至少一个检测器。
如在本发明中使用的术语“检测器”可意指任何类型的检测器，优选地用于电磁辐射的检测器。如在本发明中使用的术语“电磁辐射”或“EM辐射”可包括可见光、红外和近红外、热和太赫兹辐射。它可以是广谱或窄谱。它可以包括单色EM辐射和广谱EM辐射，并且可以包括不连贯EM辐射以及连贯EM辐射、极化和/或非极化EM辐射。其它类型的电磁波/辐射也是可以的。更优选地，成像系统可包括用于选自可见、红外和紫外波长区域的至少一个光谱波长区域中的光的检测器且最优选地摄像机。该摄像机可以是优选地具有空间和/或时间分辨率的数字摄像机。最优选地，摄像机是行扫描摄像机。
该设备还可包括至少一个图像分析装置。该图像分析装置可适合执行至少一个图像的至少一次图像分析，优选地该图像分析装置可适合产生穗的花序、种子和/或种子产量的至少一个表型或性状。根据本发明的术语“产生”可以指例如由图像分析导出。该图像分析装置可以使用如上所述的适合的软件，并且也可以使用算法来评估测定的基因型。
该设备还可以包括标识符读取器，以识别与所述穗相关联的标识符，该读取器优选地提供数字形式的输出。这种读取器的示例是但不限于条码读取器、应答机读取器和RFID读取器。在一个优选实施例中，该设备还包括至少一个电子代码读取装置，以识别与所述穗相关联的标识符。该标识符读取器优选利用软件集成在计算装置中并从其中馈送至数据库。
该设备还可以具有用于记录与穗的花序、种子和/或种子产量有关的数据的至少一个数据库。所述数据优选地可以是以下中的至少一者：植物穗的至少一个图像；从植物穗的至少一个图像导出的至少一个表型或性状；来自标识符的信息。如以上概括的，所述至少一个表型或性状可以包括表征植物的穗或种子或种子产量的表型的一个或多个参数。所述至少一个表型或性状优选地可以选自：数量性状、生化性状和形态性状中的一者或多者。在一个优选实施例中，生化性状选自油组分、蛋白质组分、碳水化合物组分、纤维组分、油含量、油产量、蛋白质含量、碳水化合物含量、淀粉含量、纤维含量、干重和水含量组成的群组。在另一优选实施例中，形态性状选自花序架构、花尺寸、花形状、花颜色、花表面纹理、花重量、花完整性、胚乳大小、胚芽大小、种子形状、种子大小、种子颜色、种子表面纹理、种子密度、种子产量、种子或谷粒数量和种子完整性。如本文所使用，完整性与对疾病、昆虫侵染和真菌侵染中的任何一者的易感性或抗性相关联。在一个可供选择的优选实施例中，数量性状选自小花的量、种子的量、空种子的量、分枝的量、种子的重量、种子的总重量和/或饱满率。
然而，其它类型的参数和/或提及的参数和/或其它参数的组合是可以的，例如：每株植物的和单位面积的收获器官的数量和大小；收获器官(例如植物的种子或营养部分)中的油、淀粉和/或蛋白质的含量；每个穗的花数(小花)或可供选择地花的数量也可以被表示为一株植物的饱满种子数与初穗数的比率；或改良的架构(例如增加的茎直径、厚度、分支或物理性质的改进)。
可以操控数据库来检查和比较数据以确定各种特征，例如种子量和饱满与不饱满种子的比率或种子的平均重量。
根据本发明的设备容许在没有人为干预的情况下导出与花序和/或种子有关的数据，而不是可能最初将穗给送至入口和/或从设备去除穗。它可以用于各种目的并且尤其用于评估通过收获一株或多株植物而获得的穗上的成熟种子。在这种使用中，设备提供用于评估收获的一株或多株植物的种子和/或种子产量的一体化自动过程。通过使用该设备，可以在单次操作中导出与植物育种者感兴趣的关键参数有关的期望数据，例如每个穗和/或每株植物的种子量、种子大小、种子产量，平均种子重量和该批次中的成熟种子与未成熟种子的比率。
此外，该设备可以包括控制系统，该控制系统可以适合于控制和/或驱动成像系统和/或输送器和/或传送带系统和/或图像分析装置和/或读取器和/或数据库和/或电源。该控制系统可以包括计算机和电和/或信号连接器，优选地电线和接口。
优选地，成像系统被屏蔽自然日光。成像系统内部的光可以由一组灯提供，所述灯的强度可以被控制。
在成像系统中取得的图像可以使用成像分析软件在线处理，以提取与穗有关的信息并优选地下载至计算机。优选地，被处理的数据以及图像与唯一的标识符进行关联并且更加优选地被下载至计算机。
优选地，第一传送带系统具有自由运行区。在这种情况下，第二传送带系统被放置在第一传送带系统的自由运行区的下游。然后将穗放置在该第一传送带系统的自由运行区上，其中优选地穗的尖端首先位于第一传送带系统的运行方向上。穗然后在所述第一传送带系统上朝第二传送带系统向前移动，并且穗然后在所述自由运行区的下游被挤压或夹持在两个第一和第二传送带系统之间。
在一个优选实施例中，所述第一传送带系统包括一个带。在一个可供选择的实施例中，所述第一传送带系统包括至少一个带，优选地两个或更多个连续的传送带。在另一优选实施例中，所述第二传送带系统由包括一个带。在一个可供选择的实施例中，所述第二传送带系统包括至少一个带，优选地两个或更多个连续的传送带。在另一优选实施例中，所述第一和第二传送带系统均仅包括一个带。
在一个优选实施例中，成像系统包括以下：
-在近红外范围中具有灵敏度的至少一个数字摄像机；
-用于照射所述穗的在近红外范围内具有合适的光谱组成的至少一个光源，
-由诸如光栅或棱镜之类的光学分散元件构成的至少一个光谱仪，其用于将入射光分成许多窄的相邻波长带，所述光谱仪被放置在摄像机之前；
-至少一个合适的光学透镜；
-计算机硬件元件和不同的前述元件的连接件，以及
-专用软件元件，其用于驱动来自所述硬件元件的信号输出和对所述硬件元件的信号输入，并且自动执行本文描述的方法的不同步骤。
这种成像在文献中经常被称为成像光谱学，其是在许多光谱连续的频带中同时获取空间共注册的图像。除了每个像素具有许多光强度数据带而不是仅仅三个带：红色、绿色和蓝色之外，通过这种成像光谱学产生的图像类似于通过数码相机产生的图像。在本领域中，用词“超光谱”数据集被描述为由相对窄的带宽(例如，1-10nm)的数目相对大(例如，100-1000)的光谱带组成，而“多光谱”数据集通常是相对大带宽(例如，70-400nm)的较少(例如，5-10个)带，或相对窄带宽的较少带。
在一个优选实施例中，成像系统包括超光谱摄像机。在另一优选实施例中，成像系统包括多光谱摄像机。
优选地，上述成像系统包括可调谐的光谱仪，使得可以选择特定波段并按预定顺序将其发送到摄像机。
本发明的另一方面提供了一种用于测量花序、种子和/或种子产量表型的如本文描述的设备的用途。优选地，这种设备在如本文描述的方法中使用。
在另一方面，如本文描述的设备可以在用于比较植物的不同生长状态的效果的方法中使用。
在一个替代方面，如本文描述的设备可以在用于表型的方法中使用，以基于表型得分来选择最期望的基因型。
在另一可供选择的方面，如本文描述的设备可以在用于分析植物样本的抗逆性的方法中使用。
在另一可供选择的方面，如本文描述的设备可以在用于确定穗上的种子的成熟度的方法中使用。
在又一可供选择的方面，如本文描述的设备可以在用于测试用于处理植物的方法的方法中使用，例如以下中的一者或多者：最佳生长条件的测试和/或评估；植物对特定类型逆境的抵抗性的测试；特定肥料和/或营养素的测试；具有一个或多个期望特性的植物的选择和/或育种；特定处理如使用肥料和/或杀虫剂对植物或植物样本的20次处理的效果和/或效力的测试。
归纳本发明的思想，以下实施方式是优选的：
实施方案1：一种用于测量穗的花序、种子和/或种子产量表型的方法，包括：
-提供第一和第二传送带系统以及成像系统；
-所述传送带系统被安置成面对面，并且同时并沿相反的方向运行，从而引起被输送的材料沿一个方向的移动，使得所述第一和第二传送带系统执行夹持动作；
-提供从植物切下的穗；
-将所述穗提供给第一和第二传送带系统；
-所述第一和第二传送带系统向下带动穗；
-在夹持的传送系统的端部处将所述穗呈现给所述成像系统；
-所述成像系统获取至少一个空间分辨图像，以及
-通过适合的软件从所述图像测量表型。
-实施方案2：根据实施方案1所述的方法，其中，所述第一传送带系统包括自由运行区，并且其中所述第二传送带系统被放置在第一传送带系统的自由运行区的下游；所述方法进一步包括：
-将所述穗放置在所述第一传送带系统的自由运行区上；
-使所述穗在所述第一传送带系统上朝所述第二传送带系统向前移动；
-将所述穗在所述自由运行区的下游夹持在第一和第二传送带系统两者之间。
实施方案3：根据实施方案1或2中任一项所述的方法，其中，每个所述传送带系统都包括至少一个带，优选地由一个传送带组成。
实施方案4：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述成像系统包括至少一个检测器，优选地至少一个摄像机，更优选地至少一个数字摄像机，最优选地至少一个行扫描数字摄像机。
实施方案5：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述成像系统在无尘环境中成像。
实施方案6：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述成像系统在户外成像。
实施方案7：根据前述实施方案中的任一项所述的方法，用于测量种子产量，其中所述穗带有种子。
实施方案8：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述植物穗与标识符相关联。
实施方案9：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述植物穗在最后成熟阶段带有穗。
实施方案10：根据前述实施方案中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：
-将电磁辐射定向到所述穗上，所述穗由此传播电磁辐射；
-在不同波长下将所述穗成像，由此获得包括像素的图像；
-基于所述像素排列在不同波长下记录的所述图像，由此生成三维成像立方体，所述三维成像立方体包括2个空间维度和1个光谱维度；
-使用结合不同波长的加权贡献的常规预测数学模型，由此将所述穗的多光谱或超光谱成像立方体与表型相关联；
-通过适合的软件从所述成像立方体测量表型。
实施方案11：根据实施方案10所述的用于测量种子产量的方法，其中，所述穗带有种子。
实施方案12：根据前述实施方案10或11中任一项所述的方法，其中，所述植物穗被标记。
实施方案13：根据前述实施方案10至12中任一项所述的方法，其中，所述植物穗在最后成熟阶段带有穗。
实施方案14：根据前述实施方案10至13中任一项所述的方法，其中，在光谱的近红外范围内、优选在900与1700纳米之间的许多不同的窄波段下收集所述图像。
实施方案15：根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述表型是数量性状、生化性状和形态性状中的一者或多者。
实施方案16：根据实施方案15所述的方法，其中，所述生化性状选自由油组分、蛋白质组分、碳水化合物组分、纤维组分、油含量、蛋白质含量、碳水化合物含量、淀粉含量、纤维含量、干重和水含量组成的群组。
实施方案17：根据实施方案15所述的方法，其中，所述形态性状选自花序架构、胚乳大小、胚芽大小、种子形状、种子大小、种子颜色、种子表面纹理、种子重量、种子密度和种子完整性。
实施方案18：根据实施方案17所述的方法，其中，所述种子完整性与对疾病、昆虫侵染和真菌侵染中的任何一者的易感性或抗性相关联。
实施方案19：根据实施方案15所述的方法，其中，所述数量性状选自小花的量、种子的量、空种子的量、分枝的量、种子的重量、种子的总重量、饱满率。
实施方案20：一种用于评估穗的花序、种子和/或种子产量的高产出的设备，该设备包括：
-成像系统；
-用于支承所述穗并将所述穗移动到所述成像系统的输送器，
-所述输送器包括两个传送带系统，所述系统被放置成面对面以夹持要评估的穗。
实施方案21：根据实施方案20所述的设备，其中，所述用于支承和移动所述穗的输送器提供种子的铺开，使得所述种子全都可以在一个平面中通过成像系统看见。
实施方案22：根据实施方案20或21所述的设备，其中，每个所述传送带系统都包括至少一个传送带。
实施方案23：根据实施方案20至22中任一项所述的设备，其中，所述成像系统包括至少一个检测器，优选地至少一个数字摄像机，更优选地至少一个行扫描数字摄像机。
实施方案24：根据实施方案20至23中任一项所述的设备，其中，所述成像系统包括：
-至少一个电磁辐射源，其具有在近红外范围内的合适的光谱组成，以将电磁辐射引导到所述穗上；
-在近红外范围中具有灵敏度的至少一个数字摄像机；由诸如光栅或棱镜之类的光学分散元件组成的至少一个光谱仪，其用于将入射的电磁辐射分成许多窄的相邻波长带，所述光谱仪被放置在摄像机之前；
-至少一个合适的光学透镜；
-计算机硬件元件和不同的前述元件的连接件；
-专用软件元件，其用于驱动来自所述硬件元件的信号输出和对所述硬件元件的信号输入，并且自动执行在实施方案1至18的任一项中描述的方法的不同步骤。
实施方案25：根据实施方案20至24中任一项所述的设备，所述设备还包括至少一个电子代码读取装置，用以识别与所述穗相关联的标识符。
实施方案26：根据实施方案20至25中任一项所述的设备用于测量花序、种子和/或种子产量表型的用途。
实施方案27：根据实施方案26所述的设备在根据实施方案1至18中任一项所述的方法中的用途。
实施方案28：根据实施方案26至27中任一项所述的设备在用于比较植物的不同生长状态的效果的方法中的用途。
实施方案29：根据实施方案26至28中任一项所述的设备在用于表型的方法中使用以基于表型得分来选择最期望的基因型的用途。
实施方案30：根据实施方案26至29中任一项所述的设备在用于分析植物样本的抗逆性的方法中的用途。
实施方案31：根据实施方案26至30中任一项所述的设备在用于测试用于处理植物的方法的方法中的用途，例如以下中的一者或多者：最佳生长条件的测试和/或评估；植物对特定类型逆境的抵抗性的测试；特定肥料和/或营养素的测试；具有一个或多个期望特性的植物的选择和/或育种；特定处理如使用肥料和/或杀虫剂对植物或植物样本的20次处理的效果和/或效力的测试。
为了使本发明变得更加清楚，接下来结合附图阅读对根据本发明的两个示例性设备以及它们在为了举例说明本发明的描述而选择的根据本发明的方法中的用途的描述。
附图说明
图1是用于被切下的穗的高产出成像的设备的一个实施例的示意性透视图(箭头示出穗向成像系统的移动)。
图2是用于被切下的穗的高产出成像的另一设备的一个实施例的示意性侧视图。
图3是用于被切下的穗的高产出成像的另一设备的一个实施例的示意性侧视图。
图4示出通过本发明的方法和设备获得的稻穗的单色图像。
110:用于高产出评估的设备
120:成像系统
121:检测器
122:光谱仪
130:输送器
131:第一传送带系统
132:第二传送带系统
140:光/电磁辐射
150:图像
160:图像分析装置
170:标识符读取器
190:控制系统
具体实施方案
实施例
在图1中，示出了用于穗的花序、种子和/或种子产量的高产出评估的设备110的一个实施例，其中该设备包括成像系统120和用于支承所述植物穗并将所述植物穗移动到所述成像系统120的输送器130，并且其中该输送器130包括两个传送带系统131、132。这两个传送带系统131、132被放置成面对面以夹持要评估的穗。输送器130可以提供花和/或种子在穗上的铺开，使得所述花和/或种子在离开输送器130时全都位于一个平面中以通过成像系统120成像。优选地，花和/或种子处于一个垂直于成像系统120的平面中。
这些第一和第二传送带系统131、132向下带动穗(通过箭头示出)。穗可以被向下带至其中穗轴平行于重力方向的位置。在本实施例中，第一和第二传送带系统131、132基本上同时终止。
在夹持的传送带系统131、132的端部处，穗被呈现给成像系统120。因此，穗由于重力而向下悬垂。当穗被平行于重力方向向下带动时，穗将由于重力而完全直接/直悬垂。优选定位成使得它在垂直于穗的移动方向的方向上成像的成像系统120获取至少一个图像。此后，穗从这些夹持的第一和第二传送带系统131、132被释放到收集容器(未示出)中。通过合适的软件从所述图像测量表型。
这种软件的一个示例中由Crowell等人记载于Plant Physiol.2014年4月2日；165(2):479-495中。
如果希望的话，可以使用算法来评估测定的表型。
成像系统120包括检测器121。在本实施例中，检测器121是数字摄像机。
该设备还可包括至少一个图像分析装置160(未示出)。该图像分析装置160可适合执行至少一个图像150的至少一次图像分析，优选地该图像分析装置160可适合产生穗的花序、种子和/或种子产量的至少一个表型或特征。根据本发明的术语“产生”可以指例如由图像分析导出。
该设备还可以包括标识符读取器170(未示出)，以识别与穗或一群穗相关联的标识符。这种读取器可以是条码读取器、应答机读取器和/或RFID读取器。在一个优选实施例中，该设备还包括至少一个电子代码读取装置，以识别与所述穗相关联的标识符。
该设备还可以具有用于记录与穗的花序、种子和/或种子产量有关的数据的至少一个数据库(未示出)。所述数据优选地可以是以下中的至少一者：植物穗的至少一个图像；从植物穗的至少一个图像导出的至少一个表型或性状；来自标识符的信息。如以上概括的，所述至少一个表型或性状可以包括表征植物的穗或种子或种子产量的表型的一个或多个参数。所述至少一个表型或性状优选地可以选自：数量性状、生化性状和形态性状中的一者或多者。在一个优选实施例中，生物化学性状选自油组分、蛋白质组分、碳水化合物组分、纤维组分、油含量、油产量、蛋白质含量、碳水化合物含量、淀粉含量、纤维含量、干重和水含量组成的群组。在另一优选实施例中，形态性状选自花序架构、花尺寸、花形状、花颜色、花表面纹理、花重量、花完整性、胚乳大小、胚芽大小、种子形状、种子大小、种子颜色、种子表面纹理、种子密度、种子产量、种子或谷粒数量和种子完整性。如本文所使用，完整性与对疾病、昆虫侵染和真菌侵染中的任何一者的易感性或抗性相关。在一个可供选择的优选实施例中，数量性状选自小花的量、种子的量、空种子的量、分枝的量、种子的重量、种子的总重量和/或饱满率。
然而，其它类型的参数和/或提及的参数和/或其它参数的组合是可以的，例如：每株植物的和单位面积的收获器官的数量和大小；收获器官(例如植物的种子或营养部分)中的油、淀粉和/或蛋白质的含量；每颗穗的花数(小花)或可供选择地花的数量也可以被表示为一株植物的饱满种子数与初穗数的比率；或改良的架构(例如增加的茎直径、厚度、分支或物理性质的改进)。
此外，该设备可以包括控制系统190，该控制系统可以适合于控制和/或驱动成像系统和/或输送器130和/或传送带系统131、132和/或图像分析装置和/或读取器和/或数据库和/或电源。该控制系统190可以包括计算机和电和/或信号连接器，优选地电线和接口。
优选地，成像系统120被屏蔽自然日光。成像系统120内部的光可以由一组灯(未示出)提供，所述灯的强度可以被控制。
在成像系统120内获得的图像150可以使用成像分析软件在线处理，以提取与穗有关的信息，并且优选地，将经处理的数据以及图像与唯一的标识符相关联，并且更加优选地下载至计算机。
在如图2所示的第二示例性实施方案中，第一传送带系统131具有自由运行区133。而且，第一传送带系统131包括两个传送带131a和131b。在此情况下，第二传送带系统132被放置在第一传送带系统131的自由运行区133的下游。然后将穗(未示出，用箭头示出轨迹)放置在该第一传送带系统131的自由运行区133上，其中优选地穗的尖端首先位于第一传送带系统131的运行方向上。穗然后在所述第一传送带系统131上朝第二传送带系统132向前移动，并且穗然后在所述自由运行区133的下游被挤压或夹持在第一和第二传送带系统131、132二者之间。在夹持的传送带系统131、132的端部处，穗被呈现给成像系统120。因此，穗由于重力而向下悬垂。当穗被平行于重力方向向下带动时，穗将由于重力而完全直悬垂。优选定位成使得它在垂直于穗的移动方向的方向上成像的成像系统120获取至少一个图像。此后，穗从这些夹持的第一和第二传送带系统131、132被释放到收集容器(未示出)中。通过合适的软件从所述图像测量表型。
如果希望的话，可以使用算法来评估测定的表型。
成像系统120包括检测器121。在本实施例中，检测器121是行扫描数字摄像机。
所有其它形态与对图1描述的一样。
在如图3所示的第三示例性实施方案中，第一传送带系统131具有自由运行区133。同样，在这种情况下，第二传送带系统132被放置在第一传送带系统131的自由运行区133的下游。然后将穗(未示出)放置在该第一传送带系统131的自由运行区133上，其中优选地穗的尖端首先位于第一传送带系统131的运行方向上。穗然后在所述第一传送带系统131上朝第二传送带系统132向前移动，并且穗然后在所述自由运行区133的下游被挤压或夹持在第一和第二传送带系统131、132二者之间。
在本实施例中，第一传送带系统131由一个带组成并且第二传送带系统132也由一个带组成。
在图3的示例性实施例中，成像系统120被屏蔽自然日光(未示出)。成像系统120内部的光可以由一组灯(未示出)提供，所述灯的强度可以被控制。
在该示例性实施方案中，成像系统120包括以下：
-至少一个光源，其具有在近红外范围内的合适的光谱组成，以使用光140将电磁辐射引导到所述穗上，
-在近红外范围中具有灵敏度的至少一个检测器121；
-由诸如光栅或棱镜之类的光学分散元件组成的至少一个光谱仪122，其用于将光分成许多窄的相邻波长带，所述光谱仪122被放置在检测器之前；
-至少一个合适的光学透镜；
-计算机硬件元件和不同的前述元件的连接件，以及
-专用软件元件，其用于驱动来自所述硬件元件的信号输出和对所述硬件元件的信号输入，并且自动执行本文描述的方法的不同步骤。
这种成像在文献中经常被称为成像光谱学，其是在许多光谱连续的频带中同时获取空间共注册的图像。在本领域中，用词“超光谱图像立方体”被描述为由相对窄的带宽(例如，1-10nm)的许多光谱上连续的光谱带组成的多通道图像，而“多光谱”图像通常是相对大带宽(例如，70-400nm)的较少(例如，5-10个)带，或相对窄带宽的较少带。
该成像系统至少包括检测器121。这种检测器可以是超光谱摄像机。在另一优选实施方案中，成像系统包括多光谱摄像机。
优选地，上述成像系统包括可调谐的光谱仪，使得可以选择特定波段并按预定顺序将其发送到摄像机。
图4示出作为在来自超光谱图像的二维空间中对一个波段的选择的单色图像。
在一个示例性实施例中，根据本发明的方法包括以下步骤：
-首先提供第一和第二传送带系统以及成像系统。第一和第二传送带系统同时并沿相同方向运行。将第二传送带系统放置成与第一传送带系统面对面，使得所述第一和第二传送带系统执行挤压或夹持动作。
-提供从植物切下的穗。
-识别属于通过明确的编码系统测量的各株植物的每个穗或一组穗。理想而言，该编码系统属于可以电子地读取的类型，例如条码或应答机标签。
-将至少一个穗提供给第一和第二传送带系统。在穗的尖端首先位于两个传送带系统的运行方向上的情况下将穗提供给传送带系统。这些第一和第二传送带系统向下带动穗。优选地，穗被带至其中穗轴平行于重力方向的位置。在一个优选实施方案中，第一和第二传送带系统大致同时终止。在另一优选实施方案中，传送带系统中的一个进一步辅助将穗朝向成像系统输送和/或输送到成像系统的前方。在夹持的传送带系统的端部处，穗被呈现给成像系统。因此，穗由于重力而自由悬挂。
-当种子被正常收获时，在最后成熟阶段收集各个带有种子的植物穗的数字图像。利用在本实施例中为数字摄像机的成像系统收集各穗的一个图像。
-使用适合的软件生成种子大小、种子数量(量)、种子、小穗的量、穗大小、形状和分枝图案。
-确定与非植物背景相对的属于植物器官的像素。这是使用标准图像处理算法(例如强度阈值化)实现的，其中不同于预定背景值的像素值被认为属于植物对象。
-确定与其余植物器官相对的属于种子的像素。这是通过标准图像处理算法(例如形态分割)实现的，其中当它们的几何属性对应于预定规格时，对象被识别为种子或非种子。
-基于构成每个对象的所有单独像素的组合属性来计算在图像中识别的每个单独对象的度量属性。这些属性尤其包括二维空间中的物理尺寸和种子量。
在又一示例性实施方案中，根据本发明的方法包括以下步骤：
-首先提供第一和第二传送带系统以及成像系统。第一和第二传送带系统同时并沿相同方向运行。将第二传送带系统放置成与第一传送带系统面对面，使得所述第一和第二传送带系统执行挤压或夹持动作。
-提供从植物切下的穗。
-识别属于通过明确的编码系统测量的各株植物的每个穗或一组穗。理想而言，该编码系统属于可以电子地读取的类型，例如条码或应答机标签。
-将至少一个穗提供给第一和第二传送带系统。在穗的尖端首先位于两个传送带系统的运行方向上的情况下将穗提供给传送带系统。这些第一和第二传送带系统向下带动穗。优选地，穗被带至其中穗轴平行于重力方向的位置。在一个优选实施方案中，第一和第二传送带系统大致同时终止。在另一优选实施方案中，传送带系统中的一个进一步辅助将穗朝向成像系统输送和/或输送到成像系统的前方。在夹持的传送带系统的端部处，穗被呈现给包括检测器成像系统。因此，穗由于重力而自由悬挂。
-当种子被正常收获时，在最后成熟阶段收集各个带有种子的植物穗的数字图像。在光谱的近红外范围内(也即在900与1700纳米之间)的许多不同的窄波段下收集相同的单独穗的许多图像。
-通过排列在不同波长下记录的图像来生成超光谱图像立方体，以便生成包括2个空间维度(x，y)和1个光谱维度(z)的3维图像。由这些图像，可以生成二维空间中的每个像素的光吸收谱。
-基于组合每个像素处不同波长的加权贡献的习惯预测性数学模型来推定与每个像素对应的干物质和基本化学组分的量。
-确定与非植物背景相对的属于植物器官的像素。这是使用标准图像处理算法(例如强度阈值化)实现的，其中不同于预定背景值的像素值被认为属于植物对象。
-确定与其余植物器官相对的属于种子的像素。这是通过标准图像处理算法(例如形态分割)实现的，其中当它们的几何属性对应于预定规格时，对象被识别为种子或非种子。
-基于构成每个对象的所有单独像素的组合属性来计算在光谱图像中识别的每个单独对象的度量属性。这些属性包括：通过干重量推定的在二维空间中的物理尺寸，以及推定的基本化学组分。