軟硬件集成平臺RhizoVision Crown在根冠表型分析的應用
2020年2月，Plant Phenomics刊發了美國諾貝爾研究所（Noble Research Institute）Larry M. York課題組題為RhizoVision Crown: An Integrated Hardware and Software Platform for Root Crown Phenotyping的研究論文，本文介紹了用于根冠表型分析的軟硬件集成平臺——RhizoVision Crown。
根冠表型測量作物根系的頂部，可用于標記輔助育種、基因定位以及了解根系如何影響作物對土壤資源的獲取。現已存在幾種成像協議和圖像分析程序，但是它們并未針對高通量，可重復且魯棒的根冠表型進行優化。RhizoVision Crown平臺集成了成像單元，圖像捕獲軟件和圖像分析軟件，這些軟件經過優化，可以從大量根冠中提取可靠的測量數據。硬件平臺采用背景燈和單色機器視覺相機捕捉根冠輪廓。RhizoVision Imager和RhizoVision Analyzer是免費的開源軟件，通過直觀的圖形用戶界面簡化圖像捕獲和圖像分析。RhizoVision Analyzer使用銅線進行物理驗證，并且使用雙子葉植物和單子葉植物根系的10464張模擬真實圖像對獲取到的特征進行廣泛驗證。之后，使用該平臺對大豆和小麥根冠進行表型分析。本研究對187個株系的2799個大豆(Glycine max)根冠和186個株系的1753個小麥(Triticum aestivum)根冠進行了表型分析。主成分分析表明，兩個物種的特征之間存在相似的相關性。大豆的最大遺傳力為0.74，小麥的最大遺傳力為0.22，這表明需要考慮物種和種群之間的差異。集成的RhizoVision Crown平臺制定了一個可以進行基準測試的開放植物表型分析平臺的標準，在一定程度上可促進作物根冠高通量表型分析的發展。
Fig.1：RhizoVison Crown hardware and software for root crown imaging.
RhizoVision Imager允許實時取景，以便用戶可以驗證圖像是否具有高對比度和正確構圖，正確的存儲相機設置以及是否開啟了將圖像與樣品標識一起保存的條形碼掃描模式。使用來自公共數據集的10464張雙子葉植物和單子葉植物根系模擬圖像，對RhizoVision Analyzer提取到的特征進行了廣泛驗證。使用Analyzer提取到的根長、根尖數、根冠面積、根冠最大寬度、最大深度等數據與模擬圖像公布的數據之間存在極佳的一致性。
Fig.2：Regression between diameters extracted using the RhizoVision Analyzer of copper wires imaged with the camera-based hardware and caliper-measured diameters (each diameter has two points).
總之，RhizoVision Crown是一個性價比高的高通量平臺，有望促進根冠表型分析技術的發展。該平臺建立在之前的平臺的基礎上，通過使用背光燈和條形碼優化圖像采集，同時使用為表型設計的自定義成像軟件和為批處理設計的具有簡單圖形界面的圖像分析軟件，優化了之前的平臺。所有軟件在Windows 10上都是免費的并且隨時可以使用。該平臺已經使用模擬數據集進行真實檢測并通過了驗證，同時成功地從田間挖掘的谷物和豆類作物的根冠中提取到了根的表型性狀。該平臺使用的工效學、硬件和軟件集成以及廣泛的驗證測試為其他植物表型平臺提供了一個基準。該技術將增加根冠表型的獲取途徑，還可作為獲取功能性表型組學數據、遺傳圖譜的一種方法，同時可在育種計劃中使用，并利用其認識如何使用根系表型解決農業不可持續性和糧食不安全等問題。
How to Cite this Article
Anand Seethepalli ,Haichao Guo ,Xiuwei Liu ,Marcus Griffiths ,Hussien Almtarfi, Zenglu Li ,Shuyu Liu ,Alina Zare ,Felix B. Fritschi ,Elison B. Blancaflor ,Xue-Feng Ma ,and Larry M. York , “RhizoVision Crown: An Integrated Hardware and Software Platform for Root Crown Phenotyping,” Plant Phenomics, vol. 2020, Article ID 3074916, 15 pages, 2020.https://doi.org/10.34133/2020/3074916
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About Plant Phenomics
《植物表型組學》（Plant Phenomics）是由南京農業大學和美國科學促進會（AAAS）合作創辦的英文學術期刊，于2019年1月正式上線發行，是Science合作出版的第二本期刊。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學交叉學科熱點領域具有突破性科研進展的原創性研究論文、綜述、數據集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術，基于圖像分析和機器學習的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農業實踐中的表型組學新應用，與植物表型相結合的分子生物學、植物生理學、統計學、作物模型和其他組學研究，表型組學相關的植物生物學等。2019年8月，已正式被DOAJ數據庫收錄。
來源：植物表型組學
說明：本文由《植物表型組學》編輯部負責翻譯。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
翻譯：孫港 編輯：黃藝清（實習）、孔敏
審核：尹歡
