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。團(tuán)隊(duì)使用激光掃描和消費(fèi)級 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，這對于推進(jìn)植物育種和提高作物產(chǎn)量至關(guān)重要。在過去，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)展使得收集手動測量無法獲得的參數(shù)成為可能，這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是評估 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)記線表示用于測量葉片長度、葉片長度和葉片寬度的部分

面對環(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)對氣候變化，但對于新作物品種來說，這樣做是勞動密集型、耗時的，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程稱為植物表型分析。傳統(tǒng)上，人們會在表型分析過程中手動記錄有關(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）來自動化實(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)代化和自動化，當(dāng)今的植物育種行業(yè)是一個以數(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指導(dǎo)智能作物育種，也可以協(xié)助人工智能驅(qū)動的作物改良流水線。

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 個角度生成 3D 數(shù)據(jù)。他們使用 Faro Scene 軟件、Open3D Python 庫、開源 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)且在較長時間內(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 參考模型的過程可以作為其耕地或園藝作物的模型范例。