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突破性的成像技術(shù)可能會挑戰(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CT（計算機(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特征并分析其隨時間變化的計算方法有限。RSA性狀很大程度上影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。我們開發(fā)了一種基于X射線CT的4D數(shù)據(jù)的時空根系結(jié)構(gòu)建模方法?？紤]到高通量表型處理數(shù)據(jù)的時間成本以及結(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，包括根系伸長率、根數(shù)、長度、生長角度、高度、直徑、分枝圖以及側(cè)根體積。我們的流程分為兩個主要步驟：（i）首先，我們基于受約束的拉普拉斯平滑算法計算曲線骨架，這種骨架結(jié)構(gòu)決定了根隨著時間的推移的標(biāo)注；(ii)隨后，通過圓柱擬合對RSA進(jìn)行有效建模，從而在空間上量化幾個特征。該實(shí)驗(yàn)是在西拉法葉（美國印第安納州）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)字孿生中提取曲線骨架以標(biāo)注同一個根的時間序列，其次，我們通過靈活的圓柱擬合對RSA進(jìn)行空間建模

分別對三個不同時間的兩個番茄植株樣品和三個不同時間的三個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)時標(biāo)注根系。從第二步開始，計算了幾個特征， 其中兩個特征使用根系數(shù)字雙胞胎作為真實(shí)值針對圓柱模型進(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