通过高通量表型提升农作物产量,Artec Space Spider功不可没!

11/06/2021

作者Matthew McMillion

目前,全世界粮食短缺,且形势不断恶化。全球人口还在不断激增,预计2050年,全球人口将超过97亿。多位专家认为,届时,粮食产量需要提高50-98%,才能维持基本的粮食安全。但是,这一数据并未考虑气候变化问题带来的不确定因素,在不断迈向2050年的同时,气变问题也在逐渐恶化。

开花的黑麦草麦穗

世界各地的农民都面临着日益严峻的挑战——如何在越来越少的土地上种植更多的农作物,如何在干旱、洪水、瘟疫和植物病害的摧残下,通过某种方式确保农作物产量稳定。

全世界每天都有成千上万人吃不饱,要满足目前的粮食需求,已经是项不小的挑战。如果要破解这一难题,就需要实现农业上的独特创新,这也是全球专家的共识。

最新技术的历史渊源

在这样的大环境下,提高农作物产量的前沿创新方式之一就是高通量表型(HTP)。简而言之,表型分析就是通过观察和分析特定植物,确定植物的可观察性状,并进行预测。一万多年来,农民们正是这样做的。

荷鲁斯神殿中的古埃及牧师手握小麦,约公元前2世纪

农民走过田野时,精心挑选性状理想的植物,收集它们的种子,来年种植。农民直接从田野间的农作物上剥下种子,而那些已经从植物上剥落(或落粒)的种子不予考虑。有虫害和其他缺点的植物也不被采纳。

几代人反复这样的过程,才在一定程度上为我们留下了大量营养好、适应性强的作物,帮助养活了世上数十亿人。目前,人类大约75%的卡路里来自12种主要农作物,因此,重点研究这些植物,就更有可能满足人类不断增长的粮食需求。

将“高通量”与表型技术结合起来,就更有意思了。这项技术主要是指通过各种无损工具和技术,快速提高植物数据收集和分析的准确性。传统表型分析方法要将植物切碎,再运回实验室分析。随后,用直尺和游标卡尺对植物复杂的物理性状进行深入研究和测量。

解决行业普遍问题,迫在眉睫

手工测量是一种费时费力的做法,使用了数十年,已经成为了行业标准,但是随着技术的不断发展,高通量表型迅速兴起。美国太空部队少校Travis Tubbs是一名研究员,他认识到HTP具有巨大潜力,能更快、更准确地无损采集植物数据。他在俄勒冈州立大学研究多年生黑麦草时,很想找到一种方法,可以精确分析数百种植物,而且,所需时间会比过去少很多。

多年生黑麦草图示(Lolium perenne)

多年生黑麦草是最受欢迎、适应性最强的喜凉作物,许多国家用它来饲养牲畜。2019年,仅在俄勒冈州,就收获了3.6亿磅黑麦草种子,销售价值超过1.86亿美元。但是,种子脱落导致提前落粒,则意味着每年黑麦草减产至少20%。

许多植物都有落粒的性状,如果种子在合适的时期脱落,那么就能散播种子,形成新作物。

俄勒冈州立大学Hyslop作物科学田间研究实验室的多年生黑麦草

Tubbs说:“为了准确找出哪些黑麦草品系不容易出现提前落粒,我们需要分析数百种植株的小穗,测定种子的稳固程度以及小穗的高度和长度。如果使用原来的手动测量法,手里将有一堆枯死的植株,而且你是永远不可能在生长周期短暂的时间窗口内精准测量这么多小穗的。”

三维扫描闪亮登场

Tubbs研究了摄影测量学和其他类似的快速数据捕获法,他差点打算自行设计三维扫描仪,用于田野研究。当时,他正好访问了埃太科三维网站,发现了Artec Space Spider,这是一款手持式专业三维扫描仪,多年来一直是研究人员的最爱。他迅速联系了当地经销商,并安排了现场演示。

Artec Space Spider

埃太科金牌经销商Digital Scan 3D的Richman Siansimbi见了Tubbs,他们一起使用Space Spider扫描了黑麦草部分样品。那天下午,Tubbs发现Space Spider的亚毫米级扫描能呈现大量细节,用于分析,而且在Siansimbi的帮助下,他们进行了实验,找到了一种可重复操作的工作流来扫描黑麦草,且过程轻松,这一方法Tubbs一直用到今天。

Tubbs只要走进田间,找到要捕获的小穗,然后,小心翼翼地将小穗顶部弯到地面,放在扫描背景下。起初,这块背景是一条紫色的橡胶运动带,因为它又宽又软,可以平放在地上,扫描过程中保持不动,每株植株的扫描时间不到一分钟。

Artec Studio 15中Space Spider扫描黑麦草麦穗的截屏

通过不断尝试,并咨询埃太科网站在线客服,Tubbs发现改用坚硬的黑白木板作背景,再用Artec Studio软件处理扫描会更容易。要想更简单,Tubbs建议用报纸即可,如果遇上大风,可以两侧压一下。

见证科技的卓越精度

为了证实Artec Space Spider的精准度,Tubbs想到了标尺,用尼康D5000数码单反相机为其拍照。然后,他用ImageJ软件处理了照片,在20厘米长的标尺上对每一厘米作了标记。随后在扫描模型上重复该过程。

上图:三维 Artec Space Spider扫描的标尺,每厘米都作了标记。下图:尼康D5000相机拍摄的平面图,由ImageJ软件测量

平面图像测量精度与 Artec Space Spider三维精度对比图

随后,Tubbs将测量值绘制成图,直观地比较两种方式的精度。从图表上看,两种方法都能准确地测量多年生黑麦草穗,且还原度高。 照片的测量误差为±1.72毫米。而Space Spider的扫描误差为±0.09毫米。两种方法的精度并无统计意义上的差异(P值为0.92),证实了设备精度很高。

夜幕下扫描黑麦草麦穗

两年项目期内,如果需要扫描,Tubbs会在日出前驱车前往俄勒冈州立大学的Hyslop作物科学田间研究实验室。先扫描几个小时,到傍晚再继续扫描。 Artec Space Spider的独特捕获方法意味着Tubbs甚至可以夜间扫描,哪怕光线很暗也没关系。毕竟,Tubbs总共种了640株黑麦草。

谷歌地图标记了美国农业部供应的40种不同黑麦草种子的来源

这些美国农业部收集的植物种子来自全球40个区域,它们分布在爱尔兰、丹麦、比利时、荷兰、希腊、阿尔及利亚、新西兰、美国等地。Tubbs培育了这40颗种子,待成熟后选出了遗传“家族”中4株最具代表性的植株,“复制”出160株,最后又对160株植物克隆了四次,并大面积随机种植,来剔除环境变量。

Tubbs只扫描了一组复制植株,也就是整个640株植物中的1/4,研究小规模的植株样品,Tubbs就能在项目期内对每个植株扫描、分析6-8次。Space Spider完成了大约800份高分辨率三维扫描,为Tubbs提供了海量精准数据,揭示了大量有用信息,这些数据可以说明哪些植株最不容易出现落粒现象,以及背后的原因。

Artec Studio 15中Space Spider扫描的黑麦草X光模式截图

Tubbs总结了这段时间以来的扫描经验,他说:“每次扫描前,我都会标记好麦穗,一周后再捕获麦穗。重复三、四次后,我就能自信地说出每根麦穗和小穗过去和现在的样子。从头到尾,你都能精确测量出每根麦穗各个结构的生长情况。”

Tubbs继续说道:“传统的表型分析法无法观察植物生长周期中的具体时间窗口。你必须先破坏植物才能测量。这样一来,就没法看出它的生长情况,也不知道未来几天或未来几周植株的模样。”

Space Spider在高精度高通量表型中的独特优势

有了Space Spider扫描,Tubbs可以测量1毫米以内的小穗,精确测量所有不规则表面和几何形状,提供每个小穗上种子团块的结构信息,包括各个角度和落粒区(种子离开植物的区域),这些信息对于分析每个植物的独特表型来说十分重要。

多年生黑麦草小穗

使用Space Spider获得精准数据后,Tubbs回忆起传统表型法,他说:“这些研究员只会从30-40株植物中随机取样。然后表示尽管这些随机样本量较小,但也可以代表整体。你可以看下使用传统方法的科研论文,基本上研究人员都是这么操作的。”

追求精益求精的Tubbs将三维扫描导出至3D Slicer中,这是一个用于图像分析和科学可视化的开源软件包,可以对黑麦草麦穗高分辨率模型进行骨骼提取。借助 3D Slicer,Tubbs将每个3D小穗“切割”成几千片独立的圆形切片。

Space Spider扫描并完成骨骼提取的黑麦草麦穗

这项功能通常用于X光、CT和MRI扫描,不过也方便Tubbs进行骨骼提取。将切割后的三维小穗导入ImageJ软件,Tubbs就能找到每根麦穗几千块切片的正中心。

然后,他把每块切片的正中心连接起来,形成一根完整的麦穗。用Tubbs的话说,“这样就能把研究聚焦到正中心,关注麦穗结构以及其他复杂特征,供像我这样的研究人员分析穗长、小穗结构、每棵麦穗的小穗数量、小穗在叶轴上的间距、小穗与叶轴的角度、小穗大小等方方面面。”

优质的谷物蔬果能抗虫害、抗干旱

一旦确定哪些植株具备理想性状,就会继续进行基因层面的研究,并与其他植株一起繁殖和育种。研究人员可以用最短的时间培育出优质黑麦草,以及其他各种各样的植物,包括水稻、大麦、小麦,以及各种水果和蔬菜。这些植物抗虫害、抗干旱能力强,几乎不需要任何农药。

但是,Tubbs表示,“这也是一场没有终点的赛跑。因为即使我们培育出更健壮的植物,昆虫也能快速适应。这场战争已经在植物和害虫之间持续了数百万年。我们希望找到有利于植株生存和繁衍的性状,帮它们一把。高通量表型和Artec Space Spider可以帮助我们在这场赛跑中占据领先优势。”

采用不同数码采集手段的高通量表型对比

目前,研究人员对此类高效工具的需求越来越大。Tubbs说:“为了找到更高效的高通量表型解决方案,农业部门花了不少钱。各地的研究人员都在积极寻找适用于世界上所有农作物的方法。所有农业部门都在想方设法解决这一问题。”

他补充道:“对我而言,我只关心黑麦草,这是我们这里的主要作物。不过我们这个方法也可以复制到玉米、小麦或其他谷物和植物身上。”

关于扫描仪的操作是否人性化,Tubbs评论道:“我使用的黑麦草等植株捕获技术学起来很方便。有时参会期间,我就能教会别人如何使用Artec Space Spider了。在田野工作时,也用到一些不同的技术,我也很乐意和其他研究员分享这些技术。”

Tubbs再次肯定了这项技术,他说:“毫无疑问,我利用Artec Space Spider进行的高通量表型符合农业未来的发展趋势。植物育种者和农民能快速筛选出具备理想性状的植株,应对当前和未来的需求,也就是说,这些植株能抵抗新出现的疾病,是最适应环境变化的品种。选种速度越快,我们就能更好地应对未来需求。”