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种质资源精准鉴定研究平台:德国Fraunhofer与丹麦Videometer对比

发表时间:2021-04-16 12:35:33点击:55

来源:北京博普特科技有限公司

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农业文明在范围内独立地兴起了好几次。较早的之一发生在肥沃月湾,即底格里斯河和幼发拉底河流域,在彼时彼地演化了七大基本作物的种植:单粒小麦,小麦,二粒小麦,大麦,小扁豆,豌豆,苦野豌豆和鹰嘴豆。与此同时,在遥远的中国中部的长江流域,则进入了水稻种植时期;而在中北美,逐步兴起了玉米,豆子和南瓜的种植。很明显,在这些早期的农业文明中,种子和谷物的种植是非常流行的。这绝非偶然,因为种子和谷物的营养含量很高,并且能长期保存而不被破坏。随着农业的发展,较终导致了现代文明的兴起。

令人惊讶的是,时至今日,我们仍然对种子作物依赖如初。根据联合国食品和农业组织的统计资料,人类饮食中的卡路里大约有50%直接来自于谷物。这个数据代表了近几十年来人类对谷类作物依赖的一个下降趋势,主要的原因是人们从油料种子作物中摄取的卡路里有所增加。家畜类产品,包括奶制品,仅仅占了人类摄取卡路里的13%,这些可以看成是间接来自于种子饲料。所以大部分人类卡路里的摄取仍然来自种子作物。主粮作物种质资源研究对于国家农作物育种及产业发展至关重要,关乎国家的粮食安全。随着作物表型鉴定的精准化和全基因组水平基因型鉴定的高通量化,作物种质资源表型与基因型的关联分析与基因深度发掘利用,将提升到新的水平和高度。

作为光谱学和成像技术集成,光谱成像模块是用以解决食品和农业领域评估的难题,提供了多种有效、实际的设计。因具有在宽范围内获取系列电磁波谱内的空间光谱数据获取优势,该先进多光谱成像技术结合不同变量分析场景广泛应用于食品质量、有效控制目的以及面临苛刻研究挑战的种子科学技术领域。全面介绍了真正全操作型多光谱成像系统进行的切实可行研究,并未考虑仅用高光谱数据分析中的几个主要提取波段(即未构建独立多光谱成像系统)的研究。且提供了鉴别生理化学品质性状、预测生理参数、检测缺陷、虫害以及种子健康检测。

北京博普特科技有限公司致力于“农业、植物、食品、生态”的研究与发展,在种质资源精准鉴定中,丹麦Videometer公司和德国fraunhofer分别着重于种子形态表型和结构表型的研究。为种质资源研究提供了全面的技术方案及服务。

种子形态表型组:丹麦VideometerLab4 

新型种子表型与品质评估技术-多光谱成像技术已经得到广泛应用。该技术采用光谱成像技术,同时结合了先进图像分析技术用以凸显种子性状并区分种子样品中的其它材料。系统可单独对种子目标进行分析,提取一级参数如颜色、性状以及纹理等,之后将这些参数用于获取二级特征如种子分类或性状定量测量。

该技术采用了震动单元以及传输带将样品送至VideometerLab多光谱成像系统,系统将样品图分割为独立个体。该技术用数据库来训练和维护种子品种的表型差异。经过进一步研发,有可能从数据库下载表型模型,也可将错误分类种子或系统未识别种子数据上载到数据库,持续改进表型成像系统。该表型成像系统的应用案例之一是用来测量菠菜样品的纯度,测量规程与丹麦2个先进种子生产商一起开发。应用该系统对许多先进种子品系进行了分类并将未知材料划分几类。研究结果将用于生产线来调整清洁设备参数。

Videometer种子表型成像系统可测量种子才是如尺寸、颜色、形状等,间接测定种子参数如种子纯度、发芽百分比、发芽率、种子健康度、种子成熟度、中寿命等。种子活力综合种子活力是种子发芽和出苗率、幼苗生长的潜势、植株抗逆能力和生产潜力的总和(发芽和出苗期间的活性水平与行为),是种子品质的重要指标,具体包括吸涨后旺盛的代谢强度、出苗能力、抗逆性、发芽速度及同步性、幼苗发育与产量潜力。种子活力是植物的重要表型特征,传统检测方法包括低温测试(cold test)、高温加速衰老测试(accelerated aging test)、幼苗生长测定等。 

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Videometer种子表型成像系统包括种子形态测量、种苗多光谱荧光成像检测等现代技术,全面检测种子的形态、发芽及其抗逆性,是目前种子表型活力较全面的检测系统,是种子及种苗表型分析的较佳组合。

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VideometerLab多光谱荧光成像技术,高通量、高灵敏度检测种苗表型、叶绿素含量、活力、光合效率及抗逆性等,进一步分析种子的反射光谱及种子含水量等,种子形态测量参数:种子数量、长度、宽度、体积大小、表面积、周长及颜色分析,种子、种质资源库建设,种子叶绿素荧光成像测量,可用于小植株表型测量以及生态学研究,研究植物密度、宽度、叶柄长、叶片数、叶色、叶长、叶面积、叶颜色、叶病斑、绿度指数,花径、花面积、花、色分级、画图像提取,果实品质、纵径、果形指数、果实颜色分级,如小侧根、绒毛研究等。Marker标记测量,如GFP绿色荧光蛋白等,叶绿素含量测量以及生物钟节奏研究。叶绿素含量多少与种子活力密切相关,可用此作为种子活力筛选的一个重要指标。

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先进种子检验机构如ISTA、ESTA、英国LGC英国化学家集团一级先进植物学研究机构丹麦歌本哈根大学等全采用该系统进行种子、表型研究。 

种子结构表型组学:德国Fraunhofer(CT)

人们在对植物各组织深入进行科研时,遇到了新的疑难问题。人们研究植物种子时,很难在不破坏种子的前提下探索其内部结构的变化。目前上使用的很多研究种子的先进技术大多是利用荧光法研究种子活力或其萌发率,这些方法能够高通量地达到某些研究目的,但始终无法得知种皮内部的结构和动态变化过程。再如,人们研究植物根系时,会遇到很多困难。传统的洗根扫描法确实能够清晰地将根系展现在人们眼前,但却破坏了其原有的状态;微根窗法能够解决原位测量的问题,但却不能探索土壤内部的根系分布;因此如何能够原位观测土壤中的根系变化成了阻挠广大科研工作者的难题。即便是有一种方法能够探测到土壤中的根系变化,那土壤是否会对根系的研究产生干扰?此外,如果人们需要研究植物茎杆,是否存在一种无损的方法探索其内部结构?为解决这些难题,德国先进研究所推出了专门用于植物研究的CT三维成像系统,可对植物组织、果实、种子及土壤中的根系进行三维成像分析,无需专业的图像处理知识,可获取形态学以及内部性状信息 

种子无损三维成像-德国便携式CT三维成像系统CT portabl

无损测量种子整体形状大小、胚芽胚乳的大小测量、种皮厚度测量、种子空腔形状和大小测量等等。

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Fraunhofer-Gesellschaft (弗劳恩霍夫应用研究协会)是德国也是欧洲较大的应用科学研究机构。协会成立于1949年3月26日,以德国历较为先进的科学家、发明家和企业家约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫(Joseph von Fraunhofer, 1787-1826)命名。

Fraunhofer研究院专门开发出了针对植物表型研究的计算机断层扫描系统,分为便携式、台式、落地式以及整合在高通量植物表型成像平台上的系统。

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较近Fraunhofer研究院的EZRT研究所科研人员,较近刚刚发表了题为Drought and heat stress tolerance screening in wheat using computed tomography的论文,研究使用计算机断层扫描系统对麦穗进行了断层扫描研究,可对种子结构例如种子变形等进行预测和测量,文章发表在Plant Methods上。

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Fraunhofer植物计算机断层扫描系统采用微焦点X射线成像原理进行较高分辨率三维成像,可以在不破坏样。

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