張澤悠,汪先軍,郭水良

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

0 引 言

植物根系對于作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成具有極其重要的影響,但由于作物根系隱藏于地下,人們對根系的了解,是一個(gè)從自發(fā)認(rèn)識(shí)到自覺研究的過程.根系是植物的重要組成部分,是植物生長發(fā)育、新陳代謝的主要營養(yǎng)器官.根系形態(tài)參數(shù)是反映根系生長狀況的主要因素,通過定期測量和分析植物根系形態(tài)參數(shù)對于了解、研究植物的生長發(fā)育狀況以及防治病蟲災(zāi)害均具有重要意義.

隨著時(shí)代的發(fā)展,計(jì)算機(jī)輔助電子影像分析系統(tǒng)的應(yīng)用提高了根系測定的精度和效率,避免了人為觀察造成的主觀影響.如用EPSON V7000根系掃描儀以及與其配套的WinRhizo根系圖像分析軟件可以一次測定獲得根系長度、面積、體積、平均直徑、根尖數(shù)等多項(xiàng)指標(biāo),廣泛地運(yùn)用于根系形態(tài)和構(gòu)型研究[1-3].

EPSON V7000根系掃描儀的原理是,利用高質(zhì)量圖形掃描儀獲取高分辨率植物根系彩色圖像或黑白圖像,該掃描儀在掃描面板下方和上蓋中安裝有專門的雙光源照明系統(tǒng),并且在掃面板上預(yù)留了雙光源校準(zhǔn)區(qū)域.此外,還配備有不同尺寸的專用、高透明度根系放置盤.掃描時(shí),掃面板下的光源和上蓋板中的光源同時(shí)掃過高透明度根盤中的根系樣品,這樣可以避免根系掃描時(shí)容易產(chǎn)生的陰影和不均勻等現(xiàn)象的影響,有效地保證了獲取的圖像質(zhì)量.

顧東祥等已經(jīng)注意到了掃描儀得到的圖像的灰度閾值對根系形態(tài)參數(shù)的影響[4].他們發(fā)現(xiàn),使用根系分析軟件需要調(diào)節(jié)灰度圖像閾值來分析圖像上粗細(xì)不同的根.

掃描儀有不同的分辨率,不同分辨率的圖像在應(yīng)用根系分析軟件獲得的根系形態(tài)參數(shù)是否不同？是否影響到研究的結(jié)果？目前尚無人關(guān)注這一問題.另一方面,掃描儀分辨率高低決定了掃描儀所能記錄的圖像的細(xì)致程度.但是,掃描分辨率越大,獲得的圖像文件尺寸也越大,需要更長的時(shí)間、更多的內(nèi)存.

本研究的目的是,應(yīng)用北美車前(Plantagovirginica)、加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)、小飛蓬(Conyzacanadensis)和春飛蓬(Erigeronphiladelphicus)4種不同生活型的草本植物,通過不同分辨率下根系形態(tài)參數(shù)的比較,了解圖像分辨率對根系形態(tài)參數(shù)分析結(jié)果的影響,并回答應(yīng)該選擇什么樣的圖像分辨率,既能保證數(shù)據(jù)的精度又能達(dá)到節(jié)約時(shí)間的目的.

1 材料與方法

于2012年3月從上海師范大學(xué)徐匯校園采集北美車前、小飛蓬、加拿大一枝黃花和春飛蓬這6種草本植物.

材料洗凈后通過根系掃描儀測量記錄4種植物的地下部分形態(tài)指標(biāo),每種植物均進(jìn)行了5～8種不同分辨率的測定.其中,北美車前、酢漿草和加拿大一枝黃花均采用50、150、240、300、360、600、800 dpi 7個(gè)分辨率,小飛蓬和春飛蓬均采用50、150、240、300、360、600、800、2400 dpi 8個(gè)分辨率,牛繁縷采用0、150、240、300、360 dpi 5個(gè)分辨率.在此基礎(chǔ)上,再應(yīng)用掃描儀配套的WinRHIZO根系分析系統(tǒng)軟件對根的長度、面積、直徑、體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)等進(jìn)行定量分析.在獲得根系各形態(tài)學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上,比較不同分辨率在根總長、根投影面積、根體積等方面的區(qū)別.

為了定量反映圖像不同分辨率對根系形態(tài)數(shù)據(jù)的影響,選擇根系形態(tài)學(xué)分析中最常用的根長、體積和面積3個(gè)指標(biāo),借助于Curve-Expert 1.3曲線按擬合軟件建立分辨率(X)和根系形態(tài)指標(biāo)(Y)之間的函數(shù)關(guān)系,選擇極統(tǒng)計(jì)上達(dá)到極顯著相關(guān)的函數(shù)式表達(dá)兩者之間的關(guān)系.

最后,對3個(gè)根系形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行最大值標(biāo)準(zhǔn)化,以標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)為指標(biāo)(Y),建立與圖像分辨率之間的函數(shù),應(yīng)用EXCEL的作圖功能,在同一圖上反映3個(gè)根系指標(biāo)隨著圖像分辨率變化而改變的特點(diǎn),進(jìn)而提出每種植物根系分析時(shí)的圖像分辨率.

為進(jìn)一步了解圖像分辨率對根系其他形態(tài)指標(biāo)的影響,以小飛蓬為例,將形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行最大值標(biāo)準(zhǔn)化后,進(jìn)一步分析了圖像分辨率對根分叉數(shù)(fork)、根尖數(shù)(Tip),以及10個(gè)直徑等級的根長、面積、體積等形態(tài)指標(biāo)的影響.

2 結(jié)果與分析

4種草本植物根根系總長度、投影面積、總體積、平均直徑等指標(biāo)見表1、3(對應(yīng)函數(shù)關(guān)系見表2,4).從表1、3和圖1、2的結(jié)果來看,根系掃描時(shí)的分辨率選擇對根系形態(tài)參數(shù)有強(qiáng)烈的影響.隨著設(shè)置的圖像分辨率的提高,根的總長度開始呈現(xiàn)指數(shù)式上升,后趨于某一值,而根的面積、體積和直徑則開始呈指數(shù)式下降,后趨于某一值.4個(gè)形態(tài)指數(shù)(Y)與圖像分辨率(X)的關(guān)系均可以用Y=A·e(B/X)來表示,而且兩者的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上(P<0.001).

表1 不同分辨率下北美車前、加拿大一枝黃花根系4個(gè)形態(tài)指標(biāo)

表2 表1各指標(biāo)對應(yīng)函數(shù)的關(guān)系

表3 不同分辨率下小飛蓬和春飛蓬根系4個(gè)形態(tài)指標(biāo)

表4 表3各指標(biāo)對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系

將4個(gè)形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行最大值標(biāo)準(zhǔn)化處理后,形態(tài)指標(biāo)(Y)與分辨率(X)的函數(shù)關(guān)系也均可以用Y=A·e(B/X)來表達(dá),依據(jù)它們的函數(shù)式,應(yīng)用EXCEL作出了分辨率與形態(tài)指標(biāo)關(guān)系的曲線圖(圖1、2).

圖1 不同分辨率下北美車前(左)和加拿大一枝黃花(右)根的形態(tài)學(xué)參數(shù)

根據(jù)圖1、2的特點(diǎn),考慮到4個(gè)指標(biāo)的分析需要,不同種類根系分析時(shí)(至少在本案例研究中),圖像的分辨率要求不同.例如對于北美車前和加拿大一枝黃花來說,當(dāng)圖像分辨率在200 dpi以上后,4個(gè)形態(tài)的數(shù)據(jù)不再呈指數(shù)式變化,而趨向于各自的某個(gè)數(shù)值,考慮到工作時(shí)間,建議采用200 dpi的分辨率進(jìn)行圖像掃描.而對于小飛蓬和春飛蓬,在分辨率200 dpi時(shí),根長這一指標(biāo)尚沒有達(dá)到穩(wěn)定,根長這一指標(biāo)在分辨率為400 dpi左右時(shí)達(dá)到基本平穩(wěn),對于這小飛蓬和春飛蓬,建議用400 dpi的分辨率采集圖像進(jìn)行根系形態(tài)參數(shù)的分析.

圖2 不同分辨率下小飛蓬(左)和春飛蓬(右)根的形態(tài)學(xué)參數(shù)

以小飛蓬為對象,進(jìn)一步的分析表明,掃描精度對根系不同直徑等級的長度、面積和體積的影響也極為明顯.隨著圖像分辨率由低到高,最細(xì)一級(1.5

圖3 不同分辨率下小飛蓬不同直徑等級的根長參數(shù)變化

圖4 不同分辨率下小飛蓬不同直徑等級的面積參數(shù)變化

小飛蓬的根尖數(shù)、分叉數(shù)、根系的重疊數(shù)和連接數(shù)等形態(tài)指標(biāo)也隨著圖像分辨率的變化而變化,都呈現(xiàn)由小到大的趨勢,但是隨著圖像分辨 (X)由低到高,根系交疊數(shù)(Crossing,Y)呈Y=1252.0218·e(-208.4813/x)r=0.9811)變化,即先指數(shù)式提高,后趨緩趨穩(wěn),接近于某個(gè)值.根尖數(shù)(Y1)、根交叉數(shù)(Y2)和根系連接數(shù)(Y3)則呈線性增長,分別符合:Y1=88.8862+1.6381·X(r=0.9951),Y2=214.5082+5.6604·X(r=0.9981);Y3=778.9116+9.3201·X(r=0.9970).

圖5 不同分辨率下小飛蓬不同直徑等級的體積參數(shù)變化

圖6 不同分辨率下小飛蓬不同直徑等級根尖數(shù)、分叉數(shù)、交疊數(shù)和連接數(shù)變化

3 結(jié) 語

根系分析儀能夠高效地提供研究對象的根系形態(tài)學(xué)參數(shù),通過根系特點(diǎn)來反映植物的生理和生長狀態(tài).但是圖像的參數(shù)選擇會(huì)對根系分析結(jié)果有影響.例如WinRhizo軟件介紹中就提到,在分析根系圖像中較細(xì)的分枝根時(shí)需要提高圖像閾值,但是較高的閾值亦會(huì)增加粗根(如不定根)長度、表面積和體積等指標(biāo)的測量誤差[5].

通過EPSON V7000根系掃描儀采集根系圖像后,再應(yīng)用與其配套的WinRhizo根系圖像分析軟件,能夠一次得到根長、面積、體積、直徑,根交叉數(shù)(fork)和根尖數(shù)(Tip),以及10個(gè)直徑等級的根長、面積、體積等數(shù)據(jù).本文作者定量分析了不同根系掃描精度前4個(gè)指標(biāo)值的影響.結(jié)果表明:圖像的掃描精度對于分析結(jié)果有強(qiáng)烈影響.以小飛蓬為例,進(jìn)一步分析了圖像分辨率對根分叉數(shù)、根尖數(shù)、交疊數(shù)和連接數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)圖像分辨率對這些指標(biāo)值的影響也極為強(qiáng)烈,而且在不同圖像分辨下的數(shù)據(jù)變化特點(diǎn)更復(fù)雜.因此,在應(yīng)用圖像掃描和根系分析軟件測定根系形態(tài)參數(shù)時(shí),一定要注意圖像分辨率對結(jié)果的影響,針對不同類群植物,需要開展預(yù)試驗(yàn)確定恰當(dāng)?shù)姆直媛?

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