一种植物无损快速振动表型分析方法

2019年6月,Plant Phenomics刊发了由来自巴黎综合理工大学等机构的科学家撰写的题为Nondestructive and Fast Vibration Phenotyping of Plants 的研究论文,介绍了一种用于植物的无损且快速的振动表型分析方法。植物表型资讯简介如下:

植物或植物机体结构自然振动的频率取决于它们的几何形状、刚度和质量。植物的自然频率除了在生物力学上有研究价值,还可以反映植物的特性,这些特性通常只能通过破坏性技术或低通量技术测定(例如,质量变化、组织密度、发育或胁迫过程中的刚度)。

本文提出了一种新的高通量方法,该方法基于直立植物自然频率的非接触测量。短空气脉冲(持续时间通常为100毫秒)可以刺激植物,通过高速摄像机(100 fps)记录产生的运动,并使用相关的快速空间和时间算法进行处理。在不到一分钟的时间内,对植物的机械性能进行多个方向的检测

该方法的性能和通用性已在三个物种进行了对比测试:烟草(Nicotiana benthamian)、小麦(Triticum aestivum L.)、杨树(Populus sp.),共4000多个数据点。在烟草试验中,水分胁迫使自然频率降低了15%。在小麦试验中可以检测小于1克的穗的质量变化。在杨树试验中可以测定全部茎和叶的频率。这项工作为表型组学的发展提供了新方向。

 

1

Phenotyping system.

Left: side view. Right: top view and general organization.

2

Time sequence of the phenotyping process.

研究者开发并测试了一种新的植物振动表型分析方法。在快速发展的表型分析方法领域,该方法具有创新性和广阔的应用前景

该方法与现有的振动表型分析方法相比具有一定的优势。首先,该方法是非破坏性的:正如研究者在烟草试验中所展示的那样,非破坏性是该方法的一个主要特征,它可以使研究者随着时间的推移研究一个群体的特性。其次,这种方法适用于多种植物,例如本文中形态对比非常鲜明的小麦和杨树。本研究的后续试验已经成功的在拟南芥花序梗和番茄地上部分实现。参与试验的植物使用相同的系统,根据植物形态调整吹气参数和装置尺寸。该系统的通用性与其简约性有关,系统使用压缩空气,电动阀和标准相机。第三,该方法兼顾了动力学中的复杂情况,例如小麦试验中同时存在几个茎以及处理过的杨树试验中同时存在几片叶的情况。最后,该方法的检测速度很快:一株植物的相关信息可以在一、两分钟内通过几次拍摄从几个角度获得,这其中包括了获取数据(频率)的信号处理,因此不需要批处理。如果不涉及特定的数据存储,系统可以连续运行:系统曾在同一植物上连续运行了4天(数据未显示)。在实际应用中,对较大的植物群体(数百个)使用这种方法,只需将设备插入HTP平台即可自动加载和卸载植物,并将测量到的频率传输到平台进行数据存储。用于拍摄的参数(脉冲持续时间,拍摄持续时间)对所有植物都是相同的,只有植物发生显著变化时才需要改变。因此,该系统适用于高通量表型分析。

该方法的许多特性有望得到进一步的改进。实际上,信号处理可以在速度和精度上进一步优化。就速度而言,计算相关性等任务可以在植物自然振动期间实时完成。只有双正交分解和自相关计算才需要拍摄完成的视频,但这些都是计算量较小的任务。使用这种实时计算,一次拍摄的持续时间可能会减少一半。当然,自然振动的时间是不能减少的,如果目标的频率是1Hz,则自然振动的时间是几秒。在精度方面,可以通过对视频拍摄长度的简单优化,或者使用其他信号处理方法(例如动态模式分解)来实现改进。该系统足够简约,所以还可以在相机数量、视角或喷嘴方面进行改进。而且,在相同的试验中,可以简单地计算其他特性,例如阻尼。

更广泛的来看,未来可以探讨表型特征与振动频率的相关性。从生物力学的角度来看,已知频率与几何形状(尺寸和拓扑结构)、组织质量及其在植物中的分布、刚度及其在植物中的分布有关。几何形状现在很容易通过光学手段获得,但从无损测量和快速测量中很难获得质量和刚度。在目前的研究中,测量到的频率变化是单一性状变化的结果(烟草试验中的刚度或小麦试验中的质量)。现在的实际问题是如何从几个同时变化的频率中反演一个特定的特征(质量、尺寸、刚度),这非常重要,仍有待探索。这一问题可能要靠植物或植物机体结构的生物力学模型解决。例如,在Der Loughian等人对整株植物(拟南芥和杨树)的研究或Niklas对单个叶片(杨树)的研究中,对给定群组建立频率f与尺寸L之间的相关性函数,并分别与茎或叶柄的梁的弯曲度的简易生物力学模型进行比较。在这两种情况下,像f*L这样的量在样本上近似恒定。这个量的任何变化都与局部弯曲刚度或质量的变化相关[7]。对于整株植物来说,要考虑的质量是单位长度的质量,即M/L,对单个叶片来说要考虑的是随叶片面积变化的叶片质量。由于局部弯曲刚度综合了几何效应(茎或叶柄直径)和组织弹性特性,所以除非测量局部几何特征,否则无法区分二者。总而言之,测量频率确实带来了额外的信息,这些信息与其他可获得的信息相比并不是冗余的,但是不能直接提供关于单个性状的信息:可以通过与其他性状结合来估计难以测量的性状。

该方法还可以对水分胁迫下植物组织内部状态随时间的变化进行无损简易测量。结果表明,该方法为估算水分胁迫耐受性的相关性状提供了有价值的补充。现在需要更系统地使用该方法来证明该方法可以在更大规模的植物群体和更可控的胁迫条件下进行实际的表型分析。这是目前的研究方向。

翻译整理:Plant Phenomics

 

来源:

E. de Langre, O. Penalver, P. Hémon, et al., “Nondestructive and Fast Vibration Phenotyping of Plants,”Plant Phenomics, vol. 2019, Article ID 6379693, 10 pages, 2019. https://doi.org/10.34133/2019/6379693.

 

扩展阅读:

植物表型资讯两周年目录汇总

植物表型资讯2019年1-6月目录汇总

微信图片_20190612095759