360 grader, 180 sekunder:Ny teknik hastighedsanalyse af afgrødeegenskaber

En potteplante med ni blade majs sidder på en tallerken i størrelse med frisbee. Tandem begynder at rotere som midtpunktet oven på en kæmpe musikboks, tre grader i sekundet, og efter to minutter har anlægget piruetteret til sin oprindelige position.

Endnu et minut går, og på en nærliggende skærm vises et digitalt 3D-billede i paletten af ​​Dr. Seuss:magenta og blågrøn og gul, hvert blad gengivet i en anden nuance, men næsten identisk med dets faktiske modstykke i form, størrelse og vinkel.

Denne gengivelse og tilhørende data kommer med tilladelse fra LiDAR, en teknologi, der affyrer pulserende laserlys på en overflade og måler den tid, det tager for disse pulser at reflektere tilbage - jo større forsinkelse, jo større afstand. Ved at scanne et anlæg under hele dets rotation, denne 360-graders LiDAR-teknik kan samle millioner af 3-D-koordinater, som en sofistikeret algoritme derefter klynger og digitalt støber ind i plantens komponenter:blade, stilke, ører.

University of Nebraska-Lincolns Yufeng Ge, Suresh Thapa og deres kolleger har udtænkt tilgangen som en måde til automatisk og effektivt at indsamle data om en plantes fænotype:de fysiske træk, der stammer fra dens genetiske kode. Jo hurtigere og mere præcist fænotypiske data der kan indsamles, jo lettere kan forskere sammenligne afgrøder, der er opdrættet eller genetisk manipuleret til specifikke træk - ideelt set dem, der hjælper med at producere mere mad.

At fremskynde denne indsats er især vigtig, sagde forskerne, for at imødekomme fødevarebehovet hos en global befolkning, der forventes at vokse fra omkring 7,5 milliarder mennesker i dag til næsten 10 milliarder i 2050.

"Vi kan allerede nu lave DNA -sekventering og genomisk forskning meget hurtigt, "sagde Ge, adjunkt i biologisk systemteknik. "For at bruge disse oplysninger mere effektivt, du skal parre det med fænotypedata. Det giver dig mulighed for at gå tilbage og undersøge de genetiske oplysninger nærmere. Men det er nu (når) en flaskehals, fordi vi ikke kan gøre det så hurtigt, som vi vil, til en lav pris. "

Med tre minutter pr. Plante, teamets opsætning fungerer væsentligt hurtigere end de fleste andre fænotypeteknikker, Sagde Ge. Men hastighed betyder lidt uden nøjagtighed, så teamet brugte også systemet til at estimere fire træk ved majs og sorghumplanter. De to første træk-overfladearealet af individuelle blade og alle blade på en plante-hjælper med at bestemme, hvor meget energiproducerende fotosyntese planten kan udføre. De to andre - den vinkel, hvormed blade stikker ud af en stilk, og hvor meget disse vinkler varierer inden for en plante - påvirker både fotosyntesen og hvor tæt en afgrøde kan plantes i en mark.

Sammenligning af systemets estimater med omhyggelige målinger af majs- og sorghumplanter afslørede lovende resultater:91 procent enighed om overfladearealet af individuelle blade og 95 procent på det samlede bladareal. Nøjagtigheden af ​​vinkelestimater var generelt lavere, men varierede stadig fra 72 procent til 90 procent, afhængigt af variablen og plantetypen.

Kamera genert

Til dato, den mest almindelige form for 3-D-fænotyping har baseret på stereosyn:to kameraer, der samtidigt fanger billeder af en plante og fletter deres perspektiver til en tilnærmelse til 3D ved at identificere de samme punkter fra begge billeder.

Selvom billeddannelse har revolutioneret fænotyper på mange måder, det har mangler. Den korteste, Ge sagde, er et uundgåeligt tab af rumlige oplysninger under oversættelsen fra 3-D til 2-D, især når en del af et anlæg blokerer for et kameras syn på en anden del.

"Det har været særligt udfordrende for træk som bladareal og bladvinkel, fordi billedet ikke bevarer disse egenskaber særlig godt, "Sagde Ge.

360-graders LiDAR-tilgang har færre af disse spørgsmål, sagde forskerne, og kræver færre beregningsressourcer, når der konstrueres et 3-D-billede ud fra dets data.

"LiDAR er fordelagtigt med hensyn til gennemstrømning og hastighed og med hensyn til nøjagtighed og opløsning, sagde Thapa, doktorand i biologisk systemteknik. "Og det bliver mere økonomisk (end før)."

Fremadrettet, teamet ønsker at introducere lasere i forskellige farver til sit LiDAR-setup. Den måde, hvorpå en plante afspejler disse ekstra lasere, vil hjælpe med at angive, hvordan den optager vand og nitrogen - det væsentlige for plantevækst - og producerer det klorofyl, der er nødvendigt for fotosyntesen.

"Hvis vi kan tackle disse tre (variabler) på den kemiske side og disse andre fire (variabler) på den morfologiske side, og kombiner dem derefter, vi har syv egenskaber, som vi kan måle samtidigt, "Sagde Ge." Så bliver jeg virkelig glad. "

Forskerne rapporterede deres nye tilgang i tidsskriftet Sensorer . Ge og Thapa forfattede undersøgelsen med Hongfeng Yu, lektor i datalogi og teknik; Feiyu Zhu, doktorand i datalogi og teknik; og Harkamal Walia, lektor i agronomi og havebrug.