突破性的成像技術(shù)可能會(huì)挑戰(zhàn)標(biāo)記輔助育種和遺傳定位的植物表型瓶頸。在此背景下，X射線(xiàn)CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）技術(shù)可以準(zhǔn)確獲取根系統(tǒng)架構(gòu)(RSA)的數(shù)字雙胞胎，但量化RSA特征并分析其隨時(shí)間變化的計(jì)算方法有限。RSA性狀很大程度上影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。我們開(kāi)發(fā)了一種基于X射線(xiàn)CT的4D數(shù)據(jù)的時(shí)空根系結(jié)構(gòu)建模方法。考慮到高通量表型處理數(shù)據(jù)的時(shí)間成本以及結(jié)果的準(zhǔn)確性和魯棒性，這種新的方法進(jìn)行了優(yōu)化。


基于數(shù)字雙胞胎模型提取了重要的根系結(jié)構(gòu)特征，包括根系伸長(zhǎng)率、根數(shù)、長(zhǎng)度、生長(zhǎng)角度、高度、直徑、分枝圖以及側(cè)根體積。我們的流程分為兩個(gè)主要步驟：（i）首先，我們基于受約束的拉普拉斯平滑算法計(jì)算曲線(xiàn)骨架，這種骨架結(jié)構(gòu)決定了根隨著時(shí)間的推移的標(biāo)注；(ii)隨后，通過(guò)圓柱擬合對(duì)RSA進(jìn)行有效建模，從而在空間上量化幾個(gè)特征。該實(shí)驗(yàn)是在西拉法葉（美國(guó)印第安納州）普渡大學(xué)的Ag Alumni Seed Phenotyping Facility (AAPF)進(jìn)行的。

該方法的工作流程：我們首先從根的數(shù)字孿生中提取曲線(xiàn)骨架以標(biāo)注同一個(gè)根的時(shí)間序列，其次，我們通過(guò)靈活的圓柱擬合對(duì)RSA進(jìn)行空間建模

分別對(duì)三個(gè)不同時(shí)間的兩個(gè)番茄植株樣品和三個(gè)不同時(shí)間的三個(gè)玉米植株樣本的根系進(jìn)行了掃描。關(guān)于第一步，骨架的 PCA 分析能夠準(zhǔn)確而穩(wěn)健地實(shí)時(shí)標(biāo)注根系。從第二步開(kāi)始，計(jì)算了幾個(gè)特征， 其中兩個(gè)特征使用根系數(shù)字雙胞胎作為真實(shí)值針對(duì)圓柱模型進(jìn)行了準(zhǔn)確驗(yàn)證：分支數(shù)量（RRMSE 優(yōu)于 9%）和體積的達(dá)到了0.84的決定系數(shù) (R2) 和 P < 0.001。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持所開(kāi)發(fā)方法的可行性，能夠?yàn)榫C合分析提供擴(kuò)展，以便進(jìn)行高通量的根表型分析。

來(lái)源：Plant Methods.4D Structural root architecture modeling from digital twins by X-Ray Computed Tomography.Monica Herrero-Huerta, Valerian Meline, Anjali S. Iyer-Pascuzzi, Augusto M. Souza, Mitchell R. Tuinstra & Yang Yang
https://plantmethods.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13007-021-00819-1