Plant Phenomics | 中科院东北地理与农业生态研究所利用多模态深度学习和动态系统建模基于长势的田间大豆种质资源鉴定

学术   三农   2024-09-20 09:00   江苏  


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作为重要的双子叶作物,大豆冠层的形成速度在很大程度上决定了其对光周期的敏感性,进而影响大豆的产量潜力。因此,监测不同大豆基因型的早期活力和冠层发育对于了解大豆产量和品质至关重要。然而,在大规模田间育种试验中评估大豆冠层发育速度既费力又费时。因此,本研究提出利用无人机系统(UAV)的高通量表型分析方法监测和定量描述不同基因型大豆冠层的发育情况。


2024年2月,Plant Phenomics在线发表了中科院东北地理与农业生态研究所冯献忠团队题为Time-Series Field Phenotyping of Soybean Growth Analysis Combining Multimodal Deep Learning and Dynamic Modelling 的研究论文。


在本研究中,团队从中国东北地区收集了200个典型大豆品种,并利用无人机飞行系统采集了多源表型原始数据。为了克服高通量表型研究中遇到的挑战,设计了一个专门用于大豆田间冠层分割的多模态深度学习模型——RIFSeg-Net,利用红外信息提高无人机拍摄的RGB图像中大豆冠层的分割精度。

图1 本研究提出的多模态深度学习模型框架

进一步,利用大模型“SAM”对RIFSeg-Net模型的分割结果进行处理,从田间RGB图像大豆冠层中提取单个叶片并计算叶片纵横比。以纵横比为依据对收集到的大豆基因型进行分类,将 200 个大豆品种划分为四个不同的亚群。

图2 不同亚群大豆冠层发育动态建模结果


通过动态建模,我们利用时间序列无人机图像数据提取并构建了与冠层发育动态相关的五个表型参数(包括 500°C 积温下的冠层覆盖率 (CC500TT)1000°C 积温下的冠层覆盖率 (CC1000TT)1500°C 积温下的冠层覆盖率 (CC1500TT)30% 冠层覆盖率所需的积温(TT30%CC) 以及 50% 冠层覆盖率所需的积温 (TT50%CC))。最后,对不同亚组大豆植株的冠层发育情况进行了详细分析。

图3 不同亚群大豆冠层发育相关性状的对比结果


本研究介绍的方法代表了典型的无人机高通量表型解析过程,展示了先进技术和方法的整合,提出了对大豆生长模式和动态的有意义见解,并成功应用于田间大规模种质资源鉴定,为培育高产大豆品种提供了强有力的工具。


该研究由中国科学院东北地理与农业生态研究所、之江实验室、延边大学共同完成。中国科学院东北地理与农业生态研究所于慧助理研究员为论文第一作者,冯献忠研究员为论文通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金、之江实验室、海南省崖州湾种子实验室、吉林省自然科学基金项目的资助。

文链接:

https://doi.org/10.34133/‍plantphenomics.0158


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About Plant Phenomics

《植物表型组学》(Plant Phenomics)是由南京农业大学创办的英文学术期刊,于2019年1月正式上线发行。采用开放获取形式,刊载植物表型组学交叉学科热点领域具有突破性科研进展的原创性研究论文、综述、数据集和观点。具体范围涵盖高通量表型分析的最新技术,基于图像分析和机器学习的表型分析研究,提取表型信息的新算法,作物栽培、植物育种和农业实践中的表型组学新应用,与植物表型相结合的分子生物学、植物生理学、统计学、作物模型和其他组学研究,表型组学相关的植物生物学等。期刊已被DOAJScopusPMCEISCIE等数据库收录。科睿唯安JCR2022影响因子为7.6,位于农艺学一区(1/125名),植物科学一区(13/265名),遥感一区(6/62名)。2023年中科院期刊分区位于农林科学大类一区2020年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目、2024年入选江苏科技期刊卓越行动计划领军期刊项目。


说明:本文由《植物表型组学》编辑部负责组稿。

中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。

特邀作者于慧
排版赵倩莹(中国科学院大学)

审核:孔敏、王平

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植物表型组学
《植物表型组学》(Plant Phenomics)是南京农业大学主办的英文学术期刊,刊载植物表型组学交叉学科热点领域具有突破性科研进展的原创性研究论文、综述、数据集和观点。
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