三維掃描用于黑麥高通量表型分析，大大縮短作物選種周期

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項(xiàng)目背景

2022年11月15日，世界人口正式達(dá)到80億。由于預(yù)期壽命和育齡人口增加，聯(lián)合國預(yù)計(jì)到2030年全球人口將增長(zhǎng)至85億左右，2050年達(dá)到97億，21世紀(jì)80年代達(dá)到約104億的峰值，并保持這個(gè)水平到2100年。

世界人口總量不斷增長(zhǎng)，全球性的糧食危機(jī)已在醞釀之中。各國都面臨著日益嚴(yán)峻的糧食安全挑戰(zhàn)——如何在越來越小的耕地面積上獲得更大的糧食產(chǎn)量？如何在干旱、洪水、瘟疫和病蟲害的層層圍剿之下，盡可能保持農(nóng)作物產(chǎn)量穩(wěn)定？

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。如果要破解糧食安全挑戰(zhàn)，就必須不斷發(fā)展引入高新技術(shù)，走一條農(nóng)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展之路。

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歷史淵源

簡(jiǎn)而言之，表型分析就是通過觀察和分析特定植株，確定植物的可觀察性狀，并進(jìn)行預(yù)測(cè)。自農(nóng)業(yè)誕生一萬多年來，我們的祖祖輩輩都是這樣做的。

△荷魯斯神殿中的古埃及牧師手握小麥，約公元前2世紀(jì)

農(nóng)民會(huì)精心挑選性狀理想的植株，收集種子，來年繼續(xù)種植。無數(shù)代先人反復(fù)進(jìn)行這種樸素的選育過程，才為今天的我們留下了大量營養(yǎng)好，適應(yīng)性強(qiáng)的作物品種。目前，人類日常攝入的卡路里約有75%是來自12種主要農(nóng)作物。因此，重點(diǎn)研究這些作物，就更有可能滿足全人類不斷增長(zhǎng)的糧食需求。

傳統(tǒng)表型分析方法要將植株分解，再運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室分析。隨后，用直尺和游標(biāo)卡尺對(duì)植物復(fù)雜的物理性狀進(jìn)行深入研究和測(cè)量。但是近年來，農(nóng)業(yè)技術(shù)前沿創(chuàng)新領(lǐng)域?qū)ⅰ案咄�量”和“表型”結(jié)合起來，形成了更加先進(jìn)的高通量表型法。這項(xiàng)技術(shù)主要是指通過各種無損工具和技術(shù)，快速提高植物數(shù)據(jù)收集和分析的準(zhǔn)確性。三維掃描儀就是高通量表型經(jīng)常會(huì)用到的數(shù)據(jù)采集工具之一。

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高通量表型助力農(nóng)業(yè)增產(chǎn)

美國太空部隊(duì)少校特拉維斯·塔布斯是一名研究員，他認(rèn)識(shí)到高通量表型具有巨大潛力，能更快、更準(zhǔn)確地?zé)o損采集植物數(shù)據(jù)。他在俄勒岡州立大學(xué)從事多年生黑麥草的研究，很想找到一種方法，可以精確分析數(shù)百個(gè)植株，而且，所需時(shí)間會(huì)比過去少很多。

△多年生黑麥草圖示

多年生黑麥草是最受歡迎、適應(yīng)性最強(qiáng)的喜涼作物之一，許多國家用它來飼養(yǎng)牲畜。2019年，僅在美國俄勒岡州，就收獲了3.6億磅多年生黑麥，價(jià)值超過1.86億美元。但是，多年生黑麥存在普遍的提前脫�，F(xiàn)象，這意味著黑麥草每年因此減產(chǎn)至少20%。

△俄勒岡州立大學(xué)田野研究實(shí)驗(yàn)室的多年生黑麥草

塔布斯說：“為了準(zhǔn)確找出哪些黑麥草品系不容易出現(xiàn)提前脫粒，我們需要分析數(shù)百個(gè)植株的小穗，測(cè)定種子的穩(wěn)固程度以及小穗的高度和長(zhǎng)度。如果使用傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量法，是永遠(yuǎn)不可能在生長(zhǎng)周期短暫的時(shí)間窗口內(nèi)精準(zhǔn)測(cè)量這么多小穗的�！�

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引入三維掃描技術(shù)

塔布斯了解了攝影測(cè)量和其他類似的快速數(shù)據(jù)捕獲法。他差點(diǎn)打算自制一臺(tái)三維掃描儀，用于田野研究。當(dāng)時(shí)，他正好訪問了Artec3D官方網(wǎng)站，發(fā)現(xiàn)了Artec Space Spider。這是一款手持式高精度三維掃描儀，多年來一直備受研究人員青睞。他迅速聯(lián)系了當(dāng)?shù)亟?jīng)銷商，并安排了現(xiàn)場(chǎng)演示。

△Artec Space Spider

Artec3D金牌授權(quán)經(jīng)銷商Digital Scan 3D公司的里奇曼帶著Space Spider掃描儀迅速上門，為塔布斯做了產(chǎn)品演示。他們一起使用Space Spider掃描了若干個(gè)黑麥草植株。Space Spider掃描儀精度高達(dá)0.05mm，分辨率高達(dá)0.1mm，能呈現(xiàn)植株表面的大量細(xì)節(jié)，用于進(jìn)一步分析。兩人進(jìn)行了多次嘗試，終于發(fā)掘出了一種穩(wěn)定、輕松且可重復(fù)的掃描黑麥草的流程。

塔布斯走進(jìn)田間，找到需要掃描的植株。隨后，他在地面上鋪好掃描背景。接著，他小心翼翼地將小穗頂部彎折到地面，使用Space Spider掃描儀對(duì)其進(jìn)行掃描。每株植株的掃描時(shí)間僅需不到一分鐘。

△Artec Studio中黑麥草麥穗的掃描數(shù)據(jù)

起初，塔布斯使用的掃描背景是一條紫色的橡膠運(yùn)動(dòng)帶，因?yàn)樗�又寬又軟，可以平放在地上，在掃描過程中保持不動(dòng)。經(jīng)過不斷嘗試，塔布斯發(fā)現(xiàn)改用堅(jiān)硬的黑白木板作背景效果更好。當(dāng)然如果想偷懶的話，用報(bào)紙鋪在地上做背景就可以了。

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為您呈現(xiàn)卓越精度

為了驗(yàn)證Space Spider掃描儀的精度，塔布斯拿了一把標(biāo)尺，用尼康D5000數(shù)碼單反相機(jī)為其拍照，隨后使用ImageJ軟件處理照片，對(duì)每一厘米進(jìn)行標(biāo)記。接著，塔布斯又使用Space Spider掃描儀對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行掃描，并做了相同處理。

△攝影測(cè)量精度與Space Spider三維掃描精度對(duì)比圖

隨后，塔布斯將測(cè)量值繪制成圖，直觀地比較兩種方式的精度。從圖表上看，兩種方法都能準(zhǔn)確地測(cè)量多年生黑麥草穗。攝影測(cè)量的誤差為±1.72mm，Space Spider的掃描誤差為±0.09mm。掃描儀表現(xiàn)出了高精度和高穩(wěn)定度。

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Space Spider的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

借助Space Spider掃描儀，塔布斯可以分析1毫米以內(nèi)的小穗，精確測(cè)量所有不規(guī)則表面和幾何形狀，攫取每個(gè)小穗上種子團(tuán)塊的結(jié)構(gòu)信息，包括最重要的脫粒區(qū)。這些信息對(duì)于分析每個(gè)植株的獨(dú)特表型來說非常重要。

△多年生黑麥草小穗

追求精益求精的塔布斯將三維掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出至3D Slicer中。這是一個(gè)用于圖像分析和科學(xué)可視化的開源軟件，可以對(duì)黑麥草麥穗高分辨率模型進(jìn)行骨骼提取。借助 3D Slicer，塔布斯將每個(gè)小穗“切割”成幾千片獨(dú)立的圓形切片。

△完成骨骼提取后的黑麥草麥穗

做完骨骼提取后，塔布斯再把三維小穗導(dǎo)入ImageJ軟件，定位每一塊貼片的正中心。

最后，他把每塊切片的正中心連接起來，形成一根完整的麥穗。塔布斯表示，“這樣一來，研究人員就可以進(jìn)一步分析穗長(zhǎng)、小穗結(jié)構(gòu)、每棵麥穗的小穗數(shù)量、小穗在葉軸上的間距、小穗與葉軸的角度、小穗大小等方方面面�！�

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育種無止境

一旦確定哪些植株具備理想性狀，就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行基因?qū)用娴难芯浚�并與其他植株一起繁殖育種。研究人員可以用最短的時(shí)間培育出優(yōu)質(zhì)黑麥草，以及其他各種各樣的作物，包括水稻、大麥、小麥，以及各種水果和蔬菜。這些作物抗蟲害、抗干旱能力強(qiáng)，幾乎不需要任何農(nóng)藥。

但是，塔布斯表示，“這是一場(chǎng)沒有終點(diǎn)的賽跑。因?yàn)榧词刮覀兣嘤�出更健壯的植物，昆蟲也能快速適應(yīng)。這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)在植物和害蟲之間持續(xù)了數(shù)百萬年。我們希望找到有利于植株生存和繁衍的性狀，幫它們一把。高通量表型和Artec Space Spider可以幫助我們?cè)谶@場(chǎng)賽跑中占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。”

關(guān)于掃描儀的操作是否人性化，塔布斯評(píng)論道：“我使用的黑麥草植株捕獲技術(shù)學(xué)起來很方便。有時(shí)參加學(xué)術(shù)會(huì)議期間，我也會(huì)教別人如何使用Artec Space Spider。在田野工作時(shí)，也用到一些不同的技術(shù)，我也很樂意和其他研究員分享這些技術(shù)�！�

塔布斯再次肯定了這項(xiàng)技術(shù)，他說：“毫無疑問，利用Space Spider進(jìn)行的高通量表型符合農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)。育種者和農(nóng)民能快速篩選出具備理想性狀的植株，應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來的需求，也就是說，這些植株能抵抗新出現(xiàn)的病蟲害，是最適應(yīng)環(huán)境變化的品種。選種速度越快，我們就能更好地應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)�！�