韓毅強(qiáng)+石英++鞏海仁+高亞梅++鄭殿峰+桂學(xué)府

摘 要：為了快速準(zhǔn)確的測(cè)定大豆根系的形態(tài)指標(biāo)，將平臺(tái)掃描儀與SmartRoot軟件相結(jié)合，建立了一套完整的根系形態(tài)測(cè)量體系。該文以大豆根為例，使用掃描儀獲取根系圖像，探討利用SmartRoot軟件測(cè)定其根系形態(tài)指標(biāo)的可靠性以及不同分辨率對(duì)形態(tài)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果的影響。結(jié)果表明，利用WinRhizoBasic驗(yàn)證SmartRoot測(cè)定的大豆根長(zhǎng)度、表面積、體積、直徑的標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差分別為6.46%、7.36%、7.24%、10.73%，且判定系數(shù)（R2）均接近于1，該方法可靠。對(duì)根系進(jìn)行掃描時(shí)，采用300dpi以上能確保其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，將掃描儀結(jié)合SmartRoot為大豆的根系測(cè)量提供了新的研究方向。

關(guān)鍵詞：根系；SmartRoot軟件；形態(tài)指標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào) S565.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）05-0037-04

Abstract：To quantify the morphological index of soybean root fast and accurately，we combined the scanner with Smart Root software and set up a set of complete root morphology measurement system.Using the scanner to acquire the picture of the root of soybean（Glycine max），we aimed to discuss the reliability of using the SmartRoot for the measurement of morphological index of root，while to study the influence of different resolution on the result of measurement of morphological index.The result showed that measurement of morphological index between SmartRoot and WinRhizoBasic on root length，surface area，volume and diameter were 6.46%，7.36%，7.24% and 10.73%，respectively，while the adjusted R square approximated one，signifying a high consistency between the two software systems.The measurement can be ensured by using 300 dpi when scanning the image.This novel method would provide a new research direction for root measurements.

Key words：Root；SmartRoot software；Morphological index

根系是植物激素的合成場(chǎng)所，同時(shí)也是水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收運(yùn)輸部位，因而根系對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育起重要作用[1]。一直以來(lái)，人們都在研究非生物脅迫[2-3]、激素調(diào)節(jié)[4]及營(yíng)養(yǎng)元素[5]等對(duì)植物根系形態(tài)的影響。然而由于研究方法和定量分析手段的限制，人們對(duì)根系形態(tài)的研究?jī)H局限于干重、體積、吸收面積，且精確度低。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸利用圖像分析方法進(jìn)行根系二維形態(tài)研究。近年來(lái)，根系圖像分析軟件層出不窮，例如浙江大學(xué)發(fā)明的LA-S-type植物圖像分析軟件[6]、DT-SCAN軟件[7]、地理信息系統(tǒng)軟件（ARC/INFO）[8]、WinRhizoBasic根系掃描系統(tǒng)[9]、ImageJ軟件[10]等。其中應(yīng)用最為廣泛的是WinRhizoBasic根系掃描系統(tǒng)和ImageJ軟件，兩者在測(cè)量結(jié)果上的差異較小[11-12]，且ImageJ為免費(fèi)軟件，應(yīng)用SmartRoot插件后，能夠方便快捷的進(jìn)行測(cè)量。

ImageJ是一款基于Java的公共免費(fèi)的圖像處理軟件，該軟件同時(shí)支持Microsoft Windows，Mac OS，Mac OS X，Linux等操作系統(tǒng)，并且支持TIFF、PNG、GIF、JPEG、BMP、DICOM、FITS等多種格式[13]。SmartRoot是一款基于ImageJ的半自動(dòng)化的圖像分析軟件，能將復(fù)雜的根系結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)的定量簡(jiǎn)單化。該軟件將矢量表示法與追蹤演算法相結(jié)合，可以適應(yīng)多種來(lái)源和質(zhì)量的圖像。它能將像素坐標(biāo)和灰度轉(zhuǎn)化成有意義的生物學(xué)屬性，例如分段的直徑和方向、與其他任意的分段或拓?fù)湮恢玫木嚯x等。最終用戶(hù)操作和數(shù)據(jù)分析是在每個(gè)分段上進(jìn)行的，因而不受空間間隔和原始圖片的分辨率的限制。它能夠測(cè)量長(zhǎng)度、表面積、體積和平均根直徑等指標(biāo)，本文主要以大豆根系為例，旨在探討掃描儀結(jié)合SmartRoot軟件在測(cè)定根系形態(tài)指標(biāo)上的準(zhǔn)確性，建立一套快速準(zhǔn)確測(cè)定根系形態(tài)指標(biāo)的方法。

1 材料與方法

1.1 材料 所選大豆品種為東農(nóng)42，在溫室內(nèi)沙培種植。播種后7d后取出完整的根系，用清水將沙子沖洗干凈。將根系放置于盛有水的水槽內(nèi)，使水沒(méi)過(guò)根系。使用EPSON V700對(duì)根系進(jìn)行掃描，圖片格式設(shè)置為.tif格式。

1.2 SmartRoot 軟件準(zhǔn)確性的驗(yàn)證安裝ImageJ圖像分析軟件的插件SmartRoot，對(duì)根系的形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。選取16株根系，使用400dpi進(jìn)行掃描。然后分別使用SmartRoot和WinRhizoBasic軟件進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定，比較2種方法所測(cè)得的根系總長(zhǎng)、總表面積、總體積、平均直徑等指標(biāo)。所得結(jié)果采用SPSS 21.0進(jìn)行回歸分析。采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差（normal root mean squared error，NRMSE）等統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

[RMSE=i=1n（Oi-Si）2n] （1）

[NRMSE=RMSE/O] （2）

式中：Oi代表使用WinRhizoBasic測(cè)得的形態(tài)指標(biāo)值，設(shè)定為自變量；Si代表使用SmartRoot測(cè)得的形態(tài)指標(biāo)值，設(shè)定為因變量；n代表樣本容量；[O]代表使用WinRhizoBasic測(cè)得的形態(tài)指標(biāo)值的平均值[14]。

1.3 確定合適的分辨率 圖片掃描分辨率分別設(shè)置為50dpi、96dpi、200dpi、300dpi、400dpi、600dpi、800dpi，隨機(jī)選取一株根系，重復(fù)3次，記錄其所需時(shí)間和圖片占用空間。利用SmartRoot對(duì)大豆的主根形態(tài)進(jìn)行測(cè)定，比較不同分辨率對(duì)大豆主根長(zhǎng)度、表面積、體積、直徑的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 SmartRoot軟件準(zhǔn)確性的驗(yàn)證 分別采用SmartRoot與WinRhizoBasic 2個(gè)軟件測(cè)量根系的總根長(zhǎng)、總面積、總體積、平均直徑等指標(biāo)，對(duì)其分別進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。2個(gè)軟件在大豆根系長(zhǎng)度、根表面積、根體積的測(cè)量上具有較好的一致性，其N(xiāo)RMSE值分別為6.46%、7.36%、7.24%（如圖1-A、1-B、1-C），且R2分別為0.914、0.969、0.965；而在大豆根直徑的測(cè)量上的一致性有所下降，其N(xiāo)RMSE值為10.73%，R2為0.951。由此說(shuō)明，采用SmartRoot與WinRhizoBasic 2個(gè)軟件測(cè)量，對(duì)根系的長(zhǎng)度、表面積、體積影響較小，對(duì)根直徑影響稍大。分析其原因，可能是由于在追蹤根系時(shí)某些節(jié)點(diǎn)在識(shí)別直徑大小時(shí)出現(xiàn)失誤，這對(duì)根長(zhǎng)、表面積、體積影響較小，而對(duì)直徑影響稍明顯。趙揚(yáng)輝等認(rèn)為R2越接近1，代表兩組數(shù)據(jù)越一致，根據(jù)根長(zhǎng)度、表面積、體積、直徑的R2來(lái)看，2種軟件的測(cè)量結(jié)果一致性較高。因此SmartRoot在大豆根系形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定時(shí)可信。

2.2 不同分辨率對(duì)根系形態(tài)測(cè)定的影響 選取播種后7d的大豆根系，使用不同的分辨率（50、96、200、300、400、600、800dpi），分別掃描各3次。對(duì)結(jié)果進(jìn)行差異性分析，發(fā)現(xiàn)不同分辨率對(duì)根系長(zhǎng)度沒(méi)有影響，而對(duì)于表面積、體積、直徑影響較大。對(duì)于表面積而言，50dpi、96dpi和200dpi與其他分辨率相比差異顯著，數(shù)值顯著增高，300dpi以上的結(jié)果差異不明顯；對(duì)于體積而言，50dpi和96dpi與其他分辨率相比差異顯著，數(shù)值顯著增高，200dpi以上的結(jié)果無(wú)差異；對(duì)于直徑而言，50dpi、96dpi和200dpi與其他分辨率相比差異顯著，數(shù)值顯著增高，300dpi以上的結(jié)果差異不明顯。綜上所述，掃描圖像時(shí)的分辨率應(yīng)該在300dpi以上，才能保證結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

SmartRoot是專(zhuān)門(mén)為測(cè)量根系設(shè)計(jì)的一款軟件，可以實(shí)現(xiàn)操作的半自動(dòng)化。相對(duì)于WinRhizoBasic的全自動(dòng)化處理，SmartRoot更具有人性化。它能夠給每一條根系命名，從而區(qū)分主根和側(cè)根，即使圖片中包含幾條根系也能區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此亦能夠?qū)⒅鞲蛡?cè)根數(shù)據(jù)分開(kāi)分析。并且ImageJ對(duì)圖片的要求不高[13]（WinRhizoBasic要求圖片至少是400dpi，且圖片背景干凈），而SmartRoot可以處理jpg、gif等多種格式的圖像，因此圖像獲取時(shí)間可以縮短許多，但SmartRoot在測(cè)量根系指標(biāo)時(shí)需要半自動(dòng)化操作，對(duì)于復(fù)雜的根系處理速度上不及WinRhizoBasic。兩者在測(cè)量結(jié)果上差異性不大[11]，因此在測(cè)量苗期根系時(shí)，SmartRoot完全可以勝任。Adu[15]等將平臺(tái)掃描儀與垂直板栽培技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)觀測(cè)根系的生長(zhǎng)狀況。平臺(tái)掃描儀與SmartRoot的結(jié)合為研究大豆根系的生長(zhǎng)開(kāi)辟了一條新的思路，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)人們對(duì)根系的研究將更加精準(zhǔn)。

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