監測植物花芽分化或開花過程中溫度變化的活體成像方法
2023-06-22 17:40:51 1
專利名稱：監測植物花芽分化或開花過程中溫度變化的活體成像方法
技術領域：
本發明涉及一種生物技術領域，尤其涉及一種監測植物花芽分化或開花過程中溫度變化的活體成像方法。
背景技術：
生殖發育機制是一個物種有別於其他種類的重要特徵，也是在歷史演化過程中， 原始種群適應環境協同進化的具體表現。而花部器官作為有花植物的有性生殖器官，在植物生殖發育過程中起著至關重要的作用，因此，在開花植物的生殖發育過程中，從花芽分化、花部器官的發育成熟，到成熟花粉在柱頭上的萌發、生長，以及雙受精直至種子成熟的整個發育過程成為目前植物生殖發育生物學研究的重點領域。在不幹擾植物生長的情況下，對植物活體進行深入的研究，已逐漸為更多研究學者所重視。由於對植物生殖發育中，特別是開花生熱效應的瞬時捕獲和植物活體內部的溫度測定缺乏有效的實驗儀器與技術手段，已有的多數研究是從化學固定的「死細胞」中獲得試驗數據，這與活體測定中得到的結果可能大不相同，又由於植物生殖發育中呼吸代謝產生的細微熱量不能得以及時有效地捕獲，因此對於植物生殖發育中生熱效應熱量捕獲和動態觀測的有效研究方法和技術未見報導，從而導致開花機制等生殖發育機制的活體研究相對比較滯後，迄今為止，研究者對於生殖發育機制中開花生熱機制的揭示也是學術界一直尚未有實質性進展的問題。紅外線技術和紅外線成像自運用之日起，一直被用於建築、工廠檢測等領域，而在植物研究領域的應用尚未見報導，特別是將其運用到植物生殖發育和花部器官分化的試驗領域尚未見報導。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種監測植物花芽分化或者開花的生熱效應的方法。本發明提供的方法，包括如下步驟1)用紅外線非接觸式熱像儀採集活體待測植物的花芽或花部器官圖像；2)根據步驟1)得到的圖像，得到所述活體待測植物的花芽或花部器官的不同位點的溫度，從而實現植物花芽分化或者開花的生熱效應的監測。本發明的另一個目的是提供一種監測植物花芽分化或者開花的生熱效應的方法。本發明提供的方法，包括如下步驟1)在不同時刻，分別用紅外線非接觸式熱像儀採集活體待測植物的花芽或花部器官圖像，所述不同時刻為tl、t2、……、tn;n大於等於1 ；2)根據步驟1)得到的tl時刻的圖像，得到tl時刻的所述活體待測植物的花芽或花部器官的不同位點的溫度；再依次分別得到t2、……、tn時刻的所述活體待測植物的花芽或花部器官的不同位點的溫度；從而實現對植物花芽分化過程或者開花過程的生熱效應的監測。
步驟1)中，所述採集包括如下步驟將所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭指向所述活體待測植物的花芽或花部器官，對焦、捕獲圖像；步驟2)中，採用SmartView圖像分析軟體，分析步驟1)得到的採集圖像，得到所述活體待測植物的花芽或花部器官不同位點的溫度，從而實現植物花芽分化或者開花的生熱效應的監測。步驟1)中，所述採集中，所述紅外線非接觸式熱像儀設定的發射率為0. 90-0. 95， 所述紅外線非接觸式熱像儀設定的發射率具體為0. 90,0. 92或0. 95 ；所述紅外線非接觸式熱像儀設定的光譜帶為8 μ m-14 μ m。步驟1)中，所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭與所述活體待測植物的花芽或花部器官的距離為10cm-15cm，所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭與所述活體待測植物的花芽或花部器官的距離具體為10cm、12cm或15cm。所述紅外線非接觸式熱像儀的熱靈敏度為30°C時< 0. 07V ；所述紅外線非接觸式熱像儀的採集頻率為50-60HZ ；所述紅外線非接觸式熱像儀的空間解析度為0. 47mrad。步驟1)中，在所述採集前，還包括如下步驟A、用冰水混合物對所述紅外線非接觸式熱像儀進行溫度校準，直至顯示溫度為 O0C ；B、用所述活體待測植物對所述紅外線非接觸式熱像儀進行預對焦。所述待測植物為白玉蘭(木蘭科，白玉蘭；拉丁名Magnolia denudata)。所述花部器官為花被片、雌蕊群或雄蕊群。上述的方法在植物生殖發育中生熱效應的溫度瞬時捕獲和/或實時動態觀測中的應用也是本發明保護的範圍。紅外線非接觸式熱像儀在監測活體待測植物花芽分化或者開花溫度中的應用也是本發明保護的範圍，所述監測活體待測植物花芽分化或者開花溫度既可以是瞬時捕獲溫度，又可以是連續捕獲溫度。所述應用中，所述紅外線非接觸式熱像儀設定的發射率為0. 90-0. 95，所述紅外線非接觸式熱像儀設定的發射率具體為0. 90,0. 92或0. 95 ；所述紅外線非接觸式熱像儀設定的光譜帶為8 μ m-14 μ m。所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭與所述活體待測植物的花芽或花部器官的距離為10cm-15cm，所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭與所述活體待測植物的花芽或花部器官的距離具體為10cm、12cm或15cm ；所述紅外線非接觸式熱像儀的熱靈敏度為30°C時< 0. 070C ；所述紅外線非接觸式熱像儀的採集頻率為50-60HZ ；所述紅外線非接觸式熱像儀的空間解析度為0. 47mrad。本發明為北京林業大學科技創新計劃項目支持(項目號HJ2010-23)，北京林業大學新進教師科研啟動項目基金支持(項目號2010BLX02)，以及國家教育部博士點基金 (項目號:200800220007)共同資助。本發明的實驗證明，本發明提供了一種觀測植物花部器官生殖發育的成像方法， 以及對植物開花生熱效應中溫度瞬時捕獲以及進行活體實時觀測技術。本發明的方法具有以下優點1)操作簡單，快速省略了植物觀測中取樣、分離等前續試驗分析步驟；2)成像效果好可不受雨雪天氣等外界環境幹擾下，對植物花部器官生熱進行活體觀測，溫差區分度在0. 1攝氏度；幻實時活體觀測遠紅外線成像不幹擾植物生長，遠近距離(15cm-20m均可拍攝)；4)圖片成像快且後期處理簡單不同顏色區域顯示不同的溫度分布，並且對應具體溫度數值。
圖1為在紅外線成像儀下白玉蘭開花階段花芽內部分化區域的熱成像2為在紅外線成像儀下白玉蘭開花階段花芽內部分化區域的立體3為在紅外線成像儀下的白玉蘭花部器官在花期生熱效應的熱成像4為在紅外線成像儀下的白玉蘭開花初期的花部器官在花期生熱效應的直方圖
具體實施例方式下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。以下實施例中採用的紅外線非接觸式熱像儀的熱靈敏度為30°C時< 0. 07V ；紅外線非接觸式熱像儀的採集頻率為50-60HZ ；紅外線非接觸式熱像儀的空間解析度為0. 47mrad。實施例1、監測白玉蘭花芽分化的生熱效應用本發明的方法對白玉蘭開花階段花芽內部分化區域標記以及熱成像顯示，包括以下步驟1、針對植物發射率的溫度校準1)採用紅外線非接觸式熱像儀，調整發射率為0. 95，設定的光譜帶為 8 μ m-14 μ m。空間解析度(IFOV) 0. 47mrad ；2)開啟紅外線掃描記錄溫度，高低溫瞬時捕捉，熱靈敏度30°C時彡0.07°C。探測器數據採集頻率50-60Hz ；3)在測定前，對成像溫度進行校正以冰水混合物溫度為基準，取下熱像儀鏡頭蓋，將鏡頭指向目標，並用手指旋轉鏡頭，將冰盒內的冰水混合物置於紅外線熱像儀下進行溫度校準，直至顯示冰水混合物溫度為o°c，從而完成溫度校對。2、捕獲圖像1)取下紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭蓋，將鏡頭指向被測白玉蘭花芽(木蘭科， 白玉蘭；拉丁名Magnolia denudata)，並用手指旋轉鏡頭，直到圖像對焦，進行預對焦；2)取白玉蘭花芽，用解剖刀片對花芽進行縱剖面，距離被測花芽剖面10cm，遠近拉動儀器，直到出現清晰花芽輪廓線，對焦至輪廓線成像單一線條，至此，圖像聚焦完畢；3)按下採集按鈕，以快速捕獲圖像。圖像文件名會出現在顯示屏的左上角，表示圖像已保存到存儲卡中。注意存儲卡必須插入到熱像儀中，才能保存和存儲圖。3、圖像的採集後處理SmartView 圖像分析軟體與任何運行 Microsoft Windows 2000/XP/Vista (32 位)的個人電腦兼容。熱像儀隨附的SmartView光碟上提供了此軟體。1)下載SmartView軟體後在電腦上安裝；2)啟動電腦並關閉任何打開的應用程式，稍後，安裝程序應會自動啟動；3)依據屏幕上的指示說明來完成安裝，SmartView軟體與熱像儀配合使用，就能將熱像圖像轉移到電腦並有效地管理它們，同時可以優化和分析紅外線和可見光對照圖像，並創建和列印包含重要圖像數據的詳細報告。4)標記所需區域的點溫度，可見光和紅外圖像對照結果如圖1所示，其中，圖Ia 木蘭科花芽發育階段(雌蕊群發育期)的花芽剖面可見光圖，圖Ib示木蘭科花芽發育階段 (雄蕊群發育期)的花芽剖面圖的內外層芽鱗片、以及分化的雄蕊區域、雌蕊區域的可見光圖，其中1示外層芽鱗片，2示內層芽鱗片，3示緊貼於內2層的溫度，4示花芽內的上部溫度，5示花芽內部的中部最高溫度；圖Ic為圖a的紅外線照片，數字為點溫度；圖Id為圖b 的紅外線照片。用本發明的方法對花芽剖面進行紅外線圖像採集後，可清晰觀測到不同分化區域的生熱效應。圖Ia和圖Ic是木蘭科花芽發育階段(雌蕊群發育期)的可見光和紅外線對應圖片中的對應溫度分別為1外層芽鱗片溫度是9. 1°C，2內層芽鱗片溫度是9. 6°C，3緊貼於內2層的溫度是10.6°C，4花芽內的上部溫度是11. 5°C，5示花芽內部的中部最高溫度是 12. 9°C。圖Ib和圖Id是木蘭科花芽發育階段(發育階段早於圖Ia和圖Ic階段，雄蕊群發育期)的可見光和紅外線對應圖片中的對應溫度分別為1外層芽鱗片溫度是7.5°C，2 內層芽鱗片溫度是8. 2°C，3緊貼於內層芽鱗片2的層的溫度是8. 9°C，4花芽內的上部溫度是11. 4°C，5示花芽內部的中部最高溫度是12.4°C。將雄蕊群發育期的木蘭科花芽內的不同分化發育區域的溫度分布做成立體圖像， 結果如圖2，可以看出，花芽中部溫度最高(12. 4°C )，由此得出花芽發育階段，雌雄蕊分化區域是發育活躍區域。將上述紅外線非接觸式熱像儀的發射率分別設為0. 90,0. 92，白玉蘭花芽與鏡頭的距離為12cm;結果均與上述無顯著差異。實施例2、監測白玉蘭開花的生熱效應用本發明的方法對白玉蘭花部器官的雌雄異熟活體實時動態紅外線成像，包括以下步驟1、針對植物發射率的溫度校準1)採用紅外線非接觸式熱像儀，調整發射率為0. 95，空間解析度 (IFOV)O. 47mrad ；2)開啟紅外線掃描記錄溫度，高低溫瞬時捕捉，熱靈敏度30°C時彡0.07°C。光譜帶8 μ m-14 μ m，探測器數據採集頻率50_60Ηζ ；3)在測定前，對成像溫度進行校正以冰水混合物溫度為基準，取下熱像儀鏡頭蓋，將鏡頭指向目標，並用手指旋轉鏡頭，將冰盒內的冰水混合物置於紅外線熱像儀下進行溫度校準，直至顯示冰水混合物溫度為0°c，從而完成溫度校對(連續使用中，只需校正一次即可)；
2、捕獲圖像1)取下紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭蓋，將鏡頭指向被測玉蘭花芽，並用手指旋轉鏡頭，直到圖像對焦，進行預對焦(以便圖像的瞬時捕獲)；2)自然條件下，選取白玉蘭盛開花朵，距離被測花朵15cm，遠近拉動儀器，直到出現清晰花內雌蕊群和雄蕊群輪廓線，對焦至花被片輪廓線成像單一線條，至此，圖像聚焦完畢；3)按下採集按鈕，以快速捕獲圖像。圖像文件名會出現在顯示屏的左上角，表示圖像已保存到存儲卡中。注意存儲卡必須插入到熱像儀中，才能保存和存儲圖。3、圖像的採集後處理SmartView 圖像分析軟體與任何運行 Microsoft Windows 2000/XP/Vista (32 位) 的個人電腦兼容。熱像儀隨附的SmartView光碟上提供了此軟體。1)下載SmartView軟體後在電腦上安裝；2)啟動電腦並關閉任何打開的應用程式，稍後，安裝程序應會自動啟動；3)依據屏幕上的指示說明來完成安裝，SmartView軟體與熱像儀配合使用，就能將熱像圖像轉移到電腦並有效地管理它們，同時可以優化和分析紅外線和可見光對照圖像。4)標記所需區域的點溫度，可見光和紅外圖像對照結果如圖3所示，用本發明的方法對白玉蘭花期進行紅外線圖像採集後，可清晰觀測到開花生熱效應中雌蕊群和雄蕊群的熱量分布區域和溫度分布。圖3中，Pe為花被片；Gy雌蕊群；An為雄蕊群。圖3a與圖北分別是木蘭科花期單花開放階段1 (花蕾期，此時外輪花被片鬆動，內輪花被片緊閉)的可見光和紅外線對應圖片中的對應溫度，圖3c和圖3d是木蘭科花期單花開放階段2 (單花綻放，此時為雌性成熟期，即雌蕊群成熟並張開，雄蕊群尚未成熟閉合)的可見光和紅外線對應圖片中的對應溫度。圖北中，Pe花被片溫度為14. 8°C, Gy雌蕊群溫度為20. 7V，An雄蕊群溫度為 16. 6"C。圖3d中，Pe花被片溫度為14. 5°C, Gy雌蕊群溫度為16. 5°C, An雄蕊群溫度為 16. 2°C。將圖3中的圖3d是木蘭科花期單花開放階段2 (單花綻放，此時為雌性成熟期，即雌蕊群成熟並張開，雄蕊群閉合尚未成熟)用直方圖顯示溫度分布範圍，結果如圖4所示， 橫坐標為溫度值，縱坐標為不同溫度分布的相對區域大小數值，可以看出，在花部器官9°C 到17°C的溫度區間內，高溫15°C左右主要集中分布於雌蕊群區域，由此得出木蘭科開花初期階段，雌蕊群在花部器官中處於發育活躍區域。將上述紅外線非接觸式熱像儀的發射率分別設為0. 90,0. 92，結果均與上述無顯
者差升。
8
權利要求
1.一種監測植物花芽分化或者開花的生熱效應的方法，包括如下步驟1)用紅外線非接觸式熱像儀採集活體待測植物的花芽或花部器官圖像；2)根據步驟1)得到的圖像，得到所述活體待測植物的花芽或花部器官的不同位點的溫度，從而實現植物花芽分化或者開花的生熱效應的監測。
2.一種監測植物花芽分化或者開花的生熱效應的方法，包括如下步驟1)在不同時刻，分別用紅外線非接觸式熱像儀採集活體待測植物的花芽或花部器官圖像，所述不同時刻為tl、t2、……、訪；11大於等於1;2)根據步驟1)得到的tl時刻的圖像，得到tl時刻的所述活體待測植物的花芽或花部器官的不同位點的溫度；再依次分別得到t2、……、tn時刻的所述活體待測植物的花芽或花部器官的不同位點的溫度；從而實現對植物花芽分化過程或者開花過程的生熱效應的監測。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於步驟1)中，所述採集包括如下步驟將所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭指向所述活體待測植物的花芽或花部器官，對焦、捕獲圖像。
4.根據權利要求1-3中任一所述的方法，其特徵在於步驟1)中，所述採集中，所述紅外線非接觸式熱像儀設定的發射率為0. 90-0. 95，所述紅外線非接觸式熱像儀設定的發射率具體為0. 90,0. 92或0. 95 ；所述紅外線非接觸式熱像儀設定的光譜帶為8 μ m-14 μ m。
5.根據權利要求1-4中任一所述的方法，其特徵在於步驟1)中，所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭與所述活體待測植物的花芽或花部器官的距離為10cm-15cm，所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭與所述活體待測植物的花芽或花部器官的距離具體為10cm、12cm或15cm。
6.根據權利要求1-5中任一所述的方法，其特徵在於所述紅外線非接觸式熱像儀的熱靈敏度為在30°C時< 0. 070C ；所述紅外線非接觸式熱像儀的採集頻率為50-60HZ ；所述紅外線非接觸式熱像儀的空間解析度為0. 47mrad ；所述花部器官為花被片、雌蕊群或雄蕊群。
7.權利要求1-6中任一所述的方法在活體待測植物生殖發育中生熱效應的溫度瞬時捕獲和/或實時動態觀測中的應用。
8.紅外線非接觸式熱像儀在監測活體待測植物花芽分化或者開花溫度中的應用。
9.根據權利要求8所述的應用，其特徵在於所述紅外線非接觸式熱像儀設定的發射率為0. 90-0. 95，所述紅外線非接觸式熱像儀設定的發射率具體為0. 90,0. 92或0. 95 ；所述紅外線非接觸式熱像儀設定的光譜帶為8 μ m-14 μ m。
10.根據權利要求8或9所述的應用，其特徵在於所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭與所述活體待測植物的花芽或花部器官的距離為 10cm-15cm，所述紅外線非接觸式熱像儀的鏡頭與所述活體待測植物的花芽或花部器官的距離具體為10cm、12cm或15cm ；所述紅外線非接觸式熱像儀的熱靈敏度為30°C時< 0. 070C ；所述紅外線非接觸式熱像儀的採集頻率為50-60HZ ；所述紅外線非接觸式熱像儀的空間解析度為0. 47mrad。
全文摘要
本發明公開了一種監測植物花芽分化或開花過程中溫度變化的活體成像方法。本發明提供的方法，包括如下步驟1)用紅外線非接觸式熱像儀採集活體待測植物的花芽或花部器官圖像；2)根據步驟1)得到的採集圖像，得到所述活體待測植物的花芽或花部器官的不同位點的溫度，從而實現植物花芽分化或者開花的生熱效應的監測。本發明的實驗證明，本發明的方法具有以下優點1)操作簡單，快速省略了植物觀測中取樣、分離等前續試驗分析步驟；2)成像效果好可不受雨雪天氣等外界環境幹擾下，對植物花部器官生熱進行活體觀測，溫差區分度在0.1攝氏度。
文檔編號G01J5/00GK102243105SQ201110094369
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月15日 優先權日2011年4月15日
發明者劉翔宇, 印中華, 張志翔, 牟淑琳, 王建中, 王若涵 申請人:北京林業大學