新研究：使用3D打印甜菜植物模型,，改善智能作物育種流程

2024 年 7 月 30 日，南極熊獲悉,，德國(guó)研究團(tuán)隊(duì)正致力于利用人工智能輔助作物流水線改進(jìn),，將農(nóng)業(yè)帶入未來(lái)。團(tuán)隊(duì)使用激光掃描和消費(fèi)級(jí) FDM 3D 打印生成甜菜植物的精確3D模型,，幫助農(nóng)民進(jìn)行智能作物育種（改良農(nóng)業(yè)植物以產(chǎn)生所需性狀）,。來(lái)自波恩大學(xué)和甜菜研究所 (IFZ) 的研究人員在《GigaScience》雜志上發(fā)表了相關(guān)研究成果。



本篇論文強(qiáng)調(diào)了3D打印用于植物表型分析中的重要性,，這對(duì)于推進(jìn)植物育種和提高作物產(chǎn)量至關(guān)重要,。在過(guò)去，植物表型分析的參考數(shù)據(jù)依賴于侵入性方法,，3D 傳感技術(shù)的最新進(jìn)展使得收集手動(dòng)測(cè)量無(wú)法獲得的參數(shù)成為可能,，這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是評(píng)估 3D 打印的甜菜植物模型。


△ 顯示適合 (A) 葉片 7 和 (B) 葉片 1 的參考模型點(diǎn)云的葉片模型。標(biāo)記線表示用于測(cè)量葉片長(zhǎng)度,、葉片長(zhǎng)度和葉片寬度的部分

面對(duì)環(huán)境因素造成的日益嚴(yán)峻的條件,，農(nóng)民調(diào)整作物生產(chǎn)以提高生產(chǎn)水平并確保安全變得越來(lái)越重要。眾所周知,，植物育種有助于保持穩(wěn)定的產(chǎn)量和應(yīng)對(duì)氣候變化,，但對(duì)于新作物品種來(lái)說(shuō)，這樣做是勞動(dòng)密集型,、耗時(shí)的,，并且需要有關(guān)植物基因構(gòu)成或基因型與環(huán)境相互作用的可靠信息。

以植物的幾何或生理特性形式獲取這些信息的過(guò)程稱為植物表型分析,。傳統(tǒng)上,，人們會(huì)在表型分析過(guò)程中手動(dòng)記錄有關(guān)植物的信息，例如作物的大小,、葉子的形狀和大小以及果實(shí)的質(zhì)量等,。但如今，更多的表型分析流程正在使用計(jì)算機(jī)輔助傳感器（通常是人工智能）來(lái)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)并更有效地捕獲有關(guān)植物的復(fù)雜信息,。事實(shí)上,，有關(guān)農(nóng)作物種植的一切都變得更加現(xiàn)代化和自動(dòng)化，當(dāng)今的植物育種行業(yè)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的行業(yè),，涉及機(jī)器學(xué)習(xí)算法和復(fù)雜的成像技術(shù)來(lái)選擇理想的性狀,。


擬議的 (A) 溫室和 (B) 田間實(shí)驗(yàn)中的甜菜 3D 打印參考模型。

研究團(tuán)隊(duì)在此研究項(xiàng)目中的目標(biāo)是創(chuàng)建更好的甜菜植物 3D 模型,，以表征植物地上部分的主要特征,。這可以作為精確的參考材料，獲取更多的遺傳信息來(lái)指導(dǎo)智能作物育種,，也可以協(xié)助人工智能驅(qū)動(dòng)的作物改良流水線,。

IFZ 的博士生 Jonas Bömer表示：“在 3D 植物表型分析領(lǐng)域，引用所使用的傳感器系統(tǒng),、計(jì)算機(jī)算法和捕獲的形態(tài)參數(shù)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性但又極其重要的任務(wù),。應(yīng)用 3D 打印技術(shù)來(lái)生成可重復(fù)的參考模型，用于客觀和精確參考的標(biāo)準(zhǔn)化方法,，有利于科學(xué)研究和實(shí)際植物育種,。”

對(duì)于“標(biāo)準(zhǔn)植物”,，傳感器需要所有相關(guān)特征的數(shù)據(jù),，甚至是復(fù)雜的 3D 特征，例如葉子方向或“植物的陰影投射”,。就像在手術(shù)計(jì)劃或醫(yī)療培訓(xùn)中一樣,，真人大小的三維模型比計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和二維表示更有幫助。研究團(tuán)隊(duì)表示，他們開(kāi)發(fā)的 3D 打印甜菜植物模型可以輕松復(fù)制以供在田間使用,。


創(chuàng)建人造甜菜參考植物的工作流程。中間過(guò)程顯示在白框中,。進(jìn)行的生產(chǎn)步驟以橙色突出顯示,，而使用的軟件和硬件則以淺紅色顯示。

團(tuán)隊(duì)使用激光雷達(dá) (LiDAR) 技術(shù)為其模型收集數(shù)據(jù),，并使用 Faro Focus 系統(tǒng)掃描甜菜植物,，從 12 個(gè)角度生成 3D 數(shù)據(jù)。他們使用 Faro Scene 軟件,、Open3D Python 庫(kù),、開(kāi)源 CloudCompare、Blender 和 PrusaSlicer 處理所有數(shù)據(jù),。然后,，研究人員使用 Prusa i3 MK3S+ 3D 打印機(jī)用 PETG 制作了一個(gè)真實(shí)大小的植物模型。



GigaScience 數(shù)據(jù)科學(xué)家 Chris Armit 表示：“可打印 3D 模型的價(jià)值在于,，農(nóng)民可以打印多份副本,，每塊農(nóng)作物一份。作為一種低成本表型分析策略,，主要成本是激光雷達(dá)掃描儀,，很高興看到這種方法在需要低成本表型分析解決方案的作物（如水稻或非洲作物）上進(jìn)行測(cè)試。 ”

研究團(tuán)隊(duì)所提出的參考模型可準(zhǔn)確再現(xiàn)且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定,，這表明 FDM 3D 打印是適合應(yīng)用的生產(chǎn)技術(shù),。為甜菜創(chuàng)建 3D 參考模型的過(guò)程可以作為其耕地或園藝作物的模型范例。