基于熱紅外成像和斷根修復算法的玉米根系表型檢測方法

盧 偉， 韓 釗， 蹇興亮， Zhou Ji， 姜 東， 丁艷鋒

1. 南京農業大學工學院/江蘇省現代設施農業技術與裝備工程實驗室， 江蘇 南京 210031 2. John Innes Centre， Earlham Institute， Norwich Research Park， Norwich， NR4 7UH， UK 3. 南京農業大學作物表型組學交叉研究中心， 江蘇 南京 210014

引 言

全球人口持續增長， 預計到2050年， 人類對糧食作物的需求將翻一番[1]。 玉米是世界上三大谷物之一， 不僅可以用于直接食用， 還可以用作動物飼料和制造玉米乙醇、 玉米油、 玉米淀粉和玉米糖漿， 而提高玉米的產量首先需要篩選優質的種子。 玉米種子老化劣變后的重要表型信息之一是玉米根系發育的遲緩。 根系具有吸收水分及土壤中植物所需的礦物質、 固持植物體等功能[2]， 是植物體生長的重要養分來源， 因此通過玉米根系表型進行玉米種質的評價具有重要意義[3]。

土壤中根系表型無損檢測由于受到土壤的影響， 一直是近年來研究的熱點和難點。 目前， 針對土壤中根系表型檢測， 最傳統且最直接的方法為挖掘法， 又分為直接挖掘法和保護挖掘法[4]， 挖掘法會破壞根系原有的三維形態和生長環境， 對根系有較為嚴重的損傷和影響， 還需清洗等復雜后續處理， 費工費時。 隨后出現的土壤核、 土柱管等方法可保留土壤根系原狀， 但存在勞動密集、 耗時、 有損的問題。 根管法可對作物根系表型進行原位檢測， 但僅能檢測作物根系的部分表型信息， 且根管法本身就對作物生長存在一定的影響。 為實現根系表型信息的原位、 無損探測， 提出了水培法、 凝膠培養法[5]等， 借助三維掃描和成像技術[6]對根系進行全局檢測， 具有較高精度， 但人工培養基與土壤基質有本質差別， 難以反映作物在土壤中的根系表型情況。……