大豆根系三維構型的非對稱性分布與磷吸收關係

《大豆根系三維構型的非對稱性分布與磷吸收關係》是依託華南農業大學，由朱同林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大豆根系三維構型的非對稱性分布與磷吸收關係
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱同林
• 依託單位：華南農業大學

項目摘要

作物根系構型的非對稱性分布差異，決定了作物在土壤中吸收養分水分的不同能力和範圍。因此它在作物選種育種及合理進行間種套種方面有重要指導作用。本課題以大豆為例，對幾種不同根構型的基因型進行透明介質培養，利用計算機視覺技術進行實時跟蹤測量根構型非對稱性分布數據，並進行田間大樣本不同時段的裸根測定統計驗證。研究這些差異所引起的磷吸收效率的不同，闡明非對稱性分布特徵與不同土壤層磷吸收效率之間的函式關係模型。.本課題的創新點是利用Hough變換原理進行根系形態三維圖象重建、主成分分析降低參數維數和支持向量機回歸分析數量關係等嶄新數學知識手段實現三維根構型的非對稱性分布及功能差異的實時定量解析，為根系形態構型與養分吸收的深入研究開闢新途徑和提供重要理論依據。

結題摘要

由於植物根系生長的隱蔽性和複雜性，給直接觀察和研究造成困難。很多學者利用計算機技術模擬植物根系的方法可反映現實根系的形態結構、真實生長動態和具有真實感的三維根系，並能獲得植物根系生理生態過程和形態結構的並行過程的共同結果。這些方法一般需要通過定標後來重建三維根系，但一般來說三維重建精度都不高，重建之後的三維物體都與原物體相差較遠，而且三維重建只能針對具體根系，不具有通用性。本項目利用幾何、代數、統計和計算機視覺知識點對多幅不同角度二維圖像上根系視頻來找出整個大豆三維根系拓撲結構，同時研究一種適宜於拍攝根系的大豆水培方法，並研究大豆根系拓撲結構與磷吸收關係。通過整個課題組人員的3年努力工作，取得了部分成績。首先，設計出了一套新的實驗室拍攝設備，這個新設備由於減少了根系震動使得實驗視頻效果更佳；第二，定義不同根構型可以用平均基根角度、根寬深比和介質不同層次的根長分布率等三維根構型參數進行較為精確的定量描述；第三，驗證了點的圓周軌跡投影為橢圓。對根繫上1-3個離散點的點成像進行研究，並通過哈夫變換找到了相應橢圓，對找到的橢圓參數，利用一些幾何與仿射原理計算出了根系拓撲結構的各個參數；第四，對一條與多條根系，在保證相機鏡頭水平和對準轉台中心的特殊的拍攝條件下獲得了較好的視頻結果，同上獲得了根系拓撲結構的各個參數；第五，對一條與多條根系，在允許相機傾斜的一般的拍攝條件下獲取視頻結果，但利用哈夫原理進行橢圓檢測時票數較低，獲得根系拓撲結構的各個參數值結果不是很理想；第六，採用鉬（mù ）酸銨分光光度測定各區域層的磷含量，同時測定不同基因型大豆植株體內的磷吸收量，利用支持向量機回歸分析或BP神經網路方法研究根長與各區域層磷吸收率的函式關係：以根長作為輸入參數，以該品種的在各區域層的磷吸收率為輸出參數。用大量的實驗和測量數據學習訓練回歸出兩者的數量關係；第七，對不同根系品種的拓撲結構進行方差分析，比較淺根型，中根型和深根型根繫結構的差異；第八，對根系拓撲結構中各參數進行相關性分析，尋找平均基根角度、總根長、根寬深比、根系在介質中各層和各方向的根長分布率的相關關係。通過項目研究，了解大豆磷效率的根系生物學基礎，提高大豆的磷吸收效率，既可以提高大豆產量又可以減少磷的資源浪費，及多餘磷對周圍環境的惡化，從而為提高大豆生產以及農業經濟效益和環境效益作出貢獻。