玉米茎秆抗倒伏生物力学表型的实验误差分析


发布时间:

2023-09-08

来源:

本站

作者:

PhenoTrait

每年5%至25%的谷物作物收获被秸秆倒伏破坏。培育具有较好抗倒伏性的农作物品种可以减少产量缺口。田间表型设备对于培育抗倒伏性农作物品种至关重要,但目前的设备受到测量误差的限制。在生物力学表型平台中,关于测量误差来源的研究相对较少。本研究专门研究了使用田间表型平台(DARLING)获取的玉米秸秆弯曲刚度和弯曲强度测量中的误差来源。对于弯曲刚度和弯曲强度测量,评估了三个具体的误差来源:水平设备放置、垂直设备放置和载荷传感器高度的错误记录。载荷传感器高度错误引入了130%的弯曲刚度误差和50%的弯曲强度误差。结果表明,田间测量中弯曲刚度误差在15%至25%之间,弯曲强度误差在1%至10%之间是常见的。改进表型设备设计和相关操作程序可以减轻这种误差。降低田间表型设备的测量误差对于推进发展改良的抗倒伏农作物品种至关重要。研究结果对于减少产量缺口具有重要意义。

 

图1与许多现场设备一样,DARLING 使用力传感器(A)和角旋转传感器(B)来测量外力和角位移。通过用户界面(C)可以编辑记录的数据,并为每个测试样本添加元数据。传感器和用户界面安装在支撑骨架(D)上。图 2载荷传感器高度、作用力和角位移示意图。图 3玉米茎秆变形时产生的典型力与位移曲线。弯曲刚度是根据数据曲线初始线性部分的斜率 (Φ)计算的,弯曲强度是根据支持力的最大值 (F_max) 计算的。

 

图2 植物茎的偏转路径近似圆形(如橙色所示),但路径曲率中心位于茎长度上的某一点。偏转路径曲率中心的位置通常用 (γ) 表示,其中 γ ~ 0.15。DARLING 的路径也是圆形的(如蓝色所示),但 DARLING 路径的曲率中心是以 DARLING 的支点为中心。随着角度偏转的增加,路径中心点的不同会导致路径发散。

 

图3 载荷传感器沿茎的长度滑动示意图,用于测试。图(A)显示未受弯曲的茎。图(B)显示受弯曲的茎,其中DARLING在茎的基部正确对齐。注意,即使与茎的基部正确对齐,载荷传感器仍会沿茎的长度滑动,并且不会保持与弯曲茎垂直。图(C)说明了一个受弯曲的茎,在这种情况下,DARLING未与茎的基部正确对齐。在这种情况下,载荷传感器在开始时与茎不垂直。随着茎的弯曲,载荷传感器将沿茎滑动到图(B)和(C)中所示的点2或点3。如果将设备放置在茎的背后(+ Δ),载荷传感器的滑动会减小,但其角度会更加钝化(β)。

 

图4 人工育种玉米茎由一根突出的碳纤维杆构建而成。上图所示的梁的尺寸是基于一组杂交数据中200根茎的平均几何比例来确定的。单位为毫米,为了增加清晰度和明确性,并未按比例绘制。

 

图5 (左图)将碳纤维茎(A)固定在测试框架中。该框架由铝骨架(B)、用于固定DARLING底部的切换夹具以及(C)弯曲传感器系统(D)组成。(右图)DARLING枢轴相对于碳纤维杆的位置,共有15个位置。每个测试位置进行了十次测试,总共进行了150次测试。请注意,坐标轴刻度线之间的可视间距被夸大,以增加清晰度。

 

图6 在每个测试位置获得的平均弯曲刚度和弯曲强度。误差棒在EI和S轴上的长度均为1个标准偏差。标记的颜色表示水平位置,而标记的形状表示垂直位置。

 

图7 在使用错误的载荷传感器高度时获得的弯曲刚度和弯曲强度测量值的分布。每个有色数据集包括先前提到的15个测试位置的平均弯曲刚度和弯曲强度值。

 

图8 对弯曲刚度的实验室和现场误差计算进行比较显示出强烈的一致性,表明研究中使用的加工碳纤维杆充分模拟了玉米茎的弯曲响应。

 

来 源

DeKold J, Robertson D. Experimental error analysis of biomechanical phenotyping for stalk lodging resistance in maize[J]. Scientific Reports, 2023, 13(1): 12178.

https://doi.org/10.1038/s41598-023-38767-6

 

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