基于“LabelmeP1.0”提取的高粱维管束参数与农艺性状关联研究

doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24185

作物学报 ›› 2023, Vol. 49 ›› Issue (7): 1954-1967.doi: 10.3724/SP.J.1006.2023.24185

基于“LabelmeP1.0”提取的高粱维管束参数与农艺性状关联研究

陆梦琪¹(), 谢若涵¹(), 李想², 杨明冲¹, 何紫薇¹, 高杰³, 赵晓燕³, 沈祥陵⁴, 陈燕², 王继斌¹^,⁵, 胡利华¹, 段明政¹^,^*(), 王令强¹^,^*()

¹亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室 / 广西甘蔗生物学重点实验室 / 广西大学农学院, 广西南宁 530004
²广西大学计算机和信息学院, 广西南宁 530004
³贵州省农业科学院 / 贵州省旱粮研究所, 贵州贵阳 550006
⁴三峡大学生物技术研究中心, 湖北宜昌 443002
⁵贵州茅台学院, 贵州仁怀 564507

收稿日期:2022-08-09 接受日期:2022-11-25 出版日期:2023-07-12 网络出版日期:2022-12-07
通讯作者: *段明政, E-mail: duanmingzheng@gxu.edu.cn; 王令强, E-mail: lqwang@gxu.edu.cn
作者简介:陆梦琪, E-mail: 2117301031@st.gxu.edu.cn
谢若涵, E-mail: ruohanxie@163.com第一联系人：^**同等贡献
基金资助:
本研究由贵州省科技支撑计划项目资助(黔科合支撑[2020]1Y053号)

Relationship of “LabelmeP1.0”-derived vascular parameters with agronomic traits in sorghum

LU Meng-Qi¹(), XIE Ruo-Han¹(), LI Xiang², YANG Ming-Chong¹, HE Zi-Wei¹, GAO Jie³, ZHAO Xiao-Yan³, SHEN Xiang-Ling⁴, CHEN Yan², WANG Ji-Bin¹^,⁵, HU Li-Hua¹, DUAN Ming-Zheng¹^,^*(), WANG Ling-Qiang¹^,^*()

¹State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources / Guangxi Key Laboratory of Sugarcane Biology / College of Agriculture, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China
²School of Computer, Electronics and Information, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China
³Guizhou Drought Grain Sorghum Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006, Guizhou, China
⁴Key Laboratory of Three Gorges Regional Plant Genetics and Germplasm Enhancement (CTGU), China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China
⁵Moutai Institute, Renhuai 564507, Guizhou, China

Received:2022-08-09 Accepted:2022-11-25 Published:2023-07-12 Published online:2022-12-07
Contact: *E-mail: duanmingzheng@gxu.edu.cn; E-mail: lqwang@gxu.edu.cn
About author:First author contact:^**Contributed equally to this work
Supported by:
The Guizhou Science and Technology Support Project(黔科合支撑[2020]1Y053号)

摘要/Abstract

摘要：

茎秆维管束对作物机械支撑和物质运输具有重要作用。为了高通量导出作物茎秆切片的维管束参数, 本研究开发了基于Labelme标注图片和Python编程语言的方法“LabelmeP1.0”。利用该方法导出了92份高粱种质资源的茎秆维管束和区域相关的26个参数。通过相关分析和主成分分析, 从中归纳了各区域面积以及和维管束数量、大小、位置、比例和密度相关的15个参数作为核心指标。研究还发现, 高粱维管束性状和农艺学性状关系密切, 维管束数目、密度与穗重、粒重和一级枝梗数正相关。进一步可将资源材料分为3类, 分别为矮粗薄皮、种子少和维管束大而多的类I, 高个细茎、种子少和维管束少而稀的类II, 以及矮粗厚皮、种子多和维管束数多的类III。本研究可为禾本科作物的茎秆解剖学结构参数研究提供技术和新思路。

关键词: 高粱, 维管束, 解结构, 图像处理

Abstract:

Stem vascular bundle plays an important role in the mechanical supporting and material transportation of crops. To extract the vascular bundle parameters from the crop stem slices, we developed a high-throughput method “LabelmeP1.0”, which combined the image-annotation function of commercial software “Labelme” with the Python programming language. A total of 26 parameters including both the primary and secondary parameters related to stem regions and vascular bundles was generated in 92 sorghum germplasm resources. 15 parameters related to the number, size, location, proportion, and the density of vascular bundle were summarized as the core indexes by correlation analysis and principal component analysis. In addition, the number and the density of vascular parameters were positively related to agronomic traits including panicle weight, grain weight, and number of primary rachis branch. The germplasm resources could be divided into three categories, namely, class I with lower plant height, thicker stem, thinner rind, fewer seeds, and more vascular bundles, in contrast class II with higher plant height, thinner stems, fewer seeds and vascular bundles and, class III with lower plant height, thicker stem, more seeds and vascular bundles. This study provides the methodology and new ideas for the study of the stem anatomical parameters in crops.

Key words: sorghum, vascular bundles, anatomical structure, image processing

陆梦琪, 谢若涵, 李想, 杨明冲, 何紫薇, 高杰, 赵晓燕, 沈祥陵, 陈燕, 王继斌, 胡利华, 段明政, 王令强. 基于“LabelmeP1.0”提取的高粱维管束参数与农艺性状关联研究[J]. 作物学报, 2023, 49(7): 1954-1967.

LU Meng-Qi, XIE Ruo-Han, LI Xiang, YANG Ming-Chong, HE Zi-Wei, GAO Jie, ZHAO Xiao-Yan, SHEN Xiang-Ling, CHEN Yan, WANG Ji-Bin, HU Li-Hua, DUAN Ming-Zheng, WANG Ling-Qiang. Relationship of “LabelmeP1.0”-derived vascular parameters with agronomic traits in sorghum[J]. Acta Agronomica Sinica, 2023, 49(7): 1954-1967.

图/表 9

表1

本研究种质资源材料"

序号 No.	品种名称 Variety name	来源 Source	序号 No.	品种名称 Variety name	来源 Source
1	川糯粱1号 Chuannuoliang 1	中国四川Sichuan, China	47	RH7.1	中国贵州Guizhou, China
2	川糯粱2号 Chuannuoliang 2	中国四川Sichuan, China	48	V-9	中国贵州Guizhou, China
3	国窖1号 Guojiao 1	中国四川Sichuan, China	49	Q1	中国贵州Guizhou, China
4	红糯15 Hongnuo 15	中国四川Sichuan, China	50	Q14-3	中国贵州Guizhou, China
5	红缨子1号 Hongyingzi 1	中国四川Sichuan, China	51	Q15	中国贵州Guizhou, China
6	机糯粱2号 Jinuoliang 2	中国四川Sichuan, China	52	Q24	中国贵州Guizhou, China
7	金糯粱1号 Jinnuoliang 1	中国四川Sichuan, China	53	Q27	中国贵州Guizhou, China
8	金糯粱2号 Jinnuoliang 2	中国四川Sichuan, China	54	Q4-1	中国贵州Guizhou, China
9	金糯粱5号 Jinnuoliang 5	中国四川Sichuan, China	55	兴湘粱Xingxiangliang	中国湖南 Hunan, China
10	金糯粱6号 Jinnuoliang 6	中国四川Sichuan, China	56	K1781	中国吉林 Jilin, China
11	金糯粱9号 Jinnuoliang 9	中国四川Sichuan, China	57	糯3 Nuo 3	中国吉林 Jilin, China
12	晋杂34 Jinza 34	中国四川Sichuan, China	58	湘糯R Xiangnuo R	中国吉林 Jilin, China
13	辽甜1号 Liaotian 1	中国四川Sichuan, China	59	1269R	中国辽宁Liaoning, China
14	青壳洋1号 Qingkeyang 1	中国四川Sichuan, China	60	1791#	中国辽宁Liaoning, China
15	香谕糯3号 Xiangyunuo 3	中国四川Sichuan, China	61	85061R	中国辽宁Liaoning, China
16	宜糯红5号 Yinuohong 5	中国四川Sichuan, China	62	85063R	中国辽宁Liaoning, China
17	3410	中国四川Sichuan, China	63	LR622	中国辽宁Liaoning, China
18	10098	中国四川Sichuan, China	64	LR625	中国辽宁Liaoning, China
19	10121	中国四川Sichuan, China	65	剑LR Jian LR	中国辽宁Liaoning, China
20	19号 19	中国四川Sichuan, China	66	郑♂ 1 Zheng♂ 1	中国北方 North China
21	吨粮王 Dunliangwang	中国贵州Guizhou, China	67	Early sumac Sorgo	美国 America
22	红壳糯(矮) Hongkenuo (dwarf)	中国贵州Guizhou, China	68	HAGEENDYRA	美国 America
23	红缨子2号 Hongyingzi 2	中国贵州Guizhou, China	69	Hegari #750	美国 America
24	茅粱糯2号 Maoliangnuo 2	中国贵州Guizhou, China	70	IS-0114	美国 America
25	黔高7号 Qiangao 7	中国贵州Guizhou, China	71	IS-0170	美国 America
26	黔高8号 Qiangao 8	中国贵州Guizhou, China	72	IS-0223	美国 America
27	青壳洋2号 Qingkeyang 2	中国贵州Guizhou, China	73	IS-0508	美国 America
28	青选2号 Qingxuan 2	中国贵州Guizhou, China	74	IS-0829	美国 America
29	齐杂4号 Qiza 4	中国贵州Guizhou, China	75	IS-0835	美国 America
30	青1 Qing 1	中国贵州Guizhou, China	76	IS-0874	美国 America
31	青2 Qing 2	中国贵州Guizhou, China	77	IS-1159C	美国 America
32	青35 Qing 35	中国贵州Guizhou, China	78	IS-1166C	美国 America
33	8009	中国贵州Guizhou, China	79	IS-1291	美国 America
34	8039	中国贵州Guizhou, China	80	IS-1461	美国 America
35	125#	中国贵州Guizhou China	81	IS-2217	美国 America
36	260#	中国贵州Guizhou, China	82	IS-6439C	美国 America
37	2V-29	中国贵州Guizhou, China	83	IS-8337	美国 America
38	43#	中国贵州Guizhou, China	84	ICSB 51-1	印度 India
39	44#	中国贵州Guizhou, China	85	ICSB 51-2	印度 India
40	92-2V-50	中国贵州Guizhou, China	86	ICSB 55	印度 India
41	G2	中国贵州Guizhou, China	87	ICSB 56	印度 India
42	G216	中国贵州Guizhou, China	88	ICSH 11	印度 India
43	G752	中国贵州Guizhou, China	89	ICSH 12	印度 India
44	G8	中国贵州Guizhou, China	90	ICSH 15	印度 India
45	RH17.1	中国贵州Guizhou, China	91	ICSR 160	印度 India
46	RH28.2	中国贵州Guizhou, China	92	ICSV 1	印度 India

表1

表2

利用“LabelmeP1.0”导出的参数和指标"

序号 No.	性状和参数 Trait and parameter	说明 Description
一级参数Primary parameters
1	大维管束数目 Number of large vascular bundles (NLVB)	labelme 导出的 json 文件中标为大维管束的轮廓总数 Number of contours labeled as large vascular bundles in json file
2	小维管束数目 Number of small vascular bundles (NSVB)	labelme 导出的 json 文件中标为小维管束的轮廓总数 Number of contours labeled as small vascular bundles in json file
3	总维管束数目 Total number of vascular bundles (TNVB)	大、小维管束数目之和 The number of LVB plus the number of SVB
4	大(小)维管束面积和 Total area of vascular bundles (TALVB or TASVB) *	对多边形轮廓, 用cv2.contourArea()格林公式计算面积, 圆形轮廓以圆面积公式πr²计算面积, 最后加总 Total area of vascular bundles was the sum of the area of individual vascular bundle. Area of each LVB (polygon contour) was calculated by Cv2.ContourArea() Green’s formula, whereas the area of each SVB (circular contour) was calculated by the formula πr²
5	大(小)维管束平均面积 Area of vascular bundles (ALVB or ASVB)	大(小)维管束面积和除以大(小)维管束数目 Total area of LVB (or SVB) divided by the number of LVB (or SVB), respectively
6	大(小)维管束中心 Vascular bundles point (LVBP or SVBP) *	对多边形轮廓, 用cv2.minEnclosingCircle() 确定轮廓最小包围圆, 以该圆圆心为轮廓中心。圆形轮廓以圆心为轮廓中心 The central point of a circle determined by cv2.minEnclosingCircle() (LVB as the polygon contour) and the central point of a circle (SVB as circular contour)
7	大(小)维管束离心距 Vascular bundle distance (LVBD or SVBD)	逐一计算大(小)维管束中心与茎中心的距离, 将所有距离加总后除以大(小)维管束数目 The mean values of the distance of the central point of LVB (or SVB) from the stem center point
8	茎直径Stem diameter (SD)	用cv2.minEnclosingCircle()确定茎轮廓的最小包围圆, 以该圆直径为茎直径 The diameter of a circle determined by cv2.minEnclosingCircle() (stem slice as the polygon contour)
9	茎中心Stem center point (SCP) *	用cv2.minEnclosingCircle()确定茎轮廓的最小包围圆, 以该圆圆心为茎中心 The central point of a circle determined by cv2.minEnclosingCircle() (stem slice as the polygon contour)
10	茎周长Stem circumference (SC)	用cv2.arcLength()计算封闭轮廓的周长 Perimeter of the stem (closed contour) was calculated with cv2.arcLength()
11	茎面积Stem area (SA) *	用cv2.contourArea()格林公式计算茎轮廓的面积 Area of stem (closed contour) was calculated with cv2.contourArea()
12	空腔面积Cavity area (CA)	用 cv2.contourArea()格林公式计算空腔轮廓的面积 Area of cavity (closed contour) was calculated with cv2.contourArea()
13	去腔茎面积SA-CA	茎面积减去空腔面积 Stem area minus cavity area
14	皮厚度Rind thickness (RT)	皮指外围厚壁组织, 下同。将大维管束最大离心距和小维管束最小离心距的平均视作内环半径, 茎半径减内环半径 Rind thickness was calculated as the stem semidiameter minus the r of the inner edge of rind. The r was estimated by the average of the maximal LVBD and the minimum SVBD.
15	内环面积Parenchyma area (PA) *	以圆面积计算公式πr²计算得到内环面积 Parenchyma area was calculated with πr²
16	皮面积Rind area (RA)	茎面积减去内环面积 Stem area minus parenchyma area
二级参数Secondary parameter
17	大维管束数目占比 Proportion of NLVB (%)	大维管束数目占总维管束数目的百分比 Proportion of the number of LVB to the total number of vascular bundles (%)
18	大维管束面积占比 Proportion of TALVB (%)	大维管束面积和占维管束总面积的百分比 Proportion of the total area of LVB to the total area of all vascular bundles (%)
19	大小维管束平均面积比值 ALVB/ASVB	大维管束平均面积与小维管束平均面积之比 The ratio of the area of LVB to the area of SVB
20	大(小)维管束面积占茎比 Percentage of TALVB to (SA-CA) (%)	大(小)维管束面积和占去腔茎面积的百分比 Percentage of the total area of LVB (or SVB) to the stem area (without cavity area) (%)
21	大维管束面积占内环比 Percentage of TALVB to (PA-CA) (%)	大维管束面积和占内环面积(减空腔后)的百分比 Percentage of the total area of LVB to the parenchyma area (without cavity area) (%)
22	小维管束面积占皮比 Percentage of TASVB to RA (%)	小维管束面积和占皮面积的百分比 Percentage of the total area of SVB to the rind area (%)
23	大(小)维管束相对离心距LVBD/ SD/2	大(小)维管束到茎中心的平均距离与茎半径的比值 Ratio of the distance of LVB (or SVB) to the stem semidiameter
24	小维管束“周长密度”NSVB/SC	小维管束数目除以茎周长 Number of SVB divided by the length of stem circumference
25	小维管束“面积密度”NSVB/RA	小维管束数目除以皮面积 Number of SVB divided by the rind area
26	大维管束“面积密度”NLVB/(PA-CA)	大维管束数目除以内环面积(减空腔后) Number of LVB divided by the parenchyma area (without cavity area)
27	空腔面积占茎比 Percentage of CA to SA (%)	空腔面积占茎面积的百分比 Percentage of the cavity area to stem area (%)

表2

表3

高粱种质资源农艺性状和维管束参数描述统计"

性状和参数 Trait and parameter	均值 Mean	最小值 Min.	最大值 Max.	变异系数 CV (%)	偏度 Skew.	峰度 Kurt.
大维管束数目NLVB	209.4	89	390	32.5	0.4	-0.6
小维管束数目NSVB	173.5	65	282	29.0	0.0	-0.3
总维管束数目TNVB	382.9	163	672	29.8	0.3	-0.5
大维管束平均面积ALVB (mm²)	0.023	0.013	0.047	27.2	1.3	2.1
小维管束平均面积ASVB (mm²)	0.010	0.003	0.020	45.4	0.6	-0.6
大维管束离心距LVBD (mm)	3.5	2.1	5.2	18.4	0.3	0.1
小维管束离心距SVBD (mm)	4.5	2.9	7.0	17.5	0.4	0.4
茎直径SD (mm)	9.7	6.3	14.6	16.8	0.4	0.4
茎周长SC (mm)	29.6	19.2	45.0	17.1	0.4	0.4
空腔面积CA (mm²)	1.8	0.0	11.9	153.2	2.0	4.2
去腔茎面积SA-CA (mm²)	68.9	28.4	159.8	35.7	1.1	1.7
皮厚度RT (mm)	0.5	0.3	0.9	20.0	0.6	1.0
皮面积RA (mm²)	9.2	4.1	21.0	32.6	1.2	3.0
大维管束数目占比Proportion of NLVB (%)	54.5	43.8	65.2	8.2	-0.2	-0.2
大维管束面积占比Proportion of TALVB (%)	74.7	54.7	88.7	10.5	-0.5	-0.3
大小维管束平均面积比值ALVB/ASVB	2.7	1.5	5.3	37.2	0.8	-0.5
大维管束面积占茎百分比Percentage of ALVB to (SA-CA) (%)	7.2	4.3	11.5	24.7	0.5	-0.4
大维管束面积占内环百分比Percentage of TALVB to (PA-CA) (%)	7.6	4.6	12.2	24.3	0.5	-0.4
小维管束面积占茎百分比Percentage of TASVB to (SA-CA) (%)	2.6	0.8	7.1	52.7	0.9	0.3
小维管束面积占皮面积百分比Percentage of TASVB to RA (%)	19.8	5.9	44.2	56.7	0.5	-1.1
大维管束相对离心距2LVBD/ SD (%)	71.6	65.8	76.6	2.9	-0.3	-0.2
小维管束相对离心距2SVBD/ SD (%)	93.4	90.1	96.2	1.6	-0.2	-0.7
小维管束周长密度NSVB/SC(No. mm^-1)	5.8	2.8	8.4	20.9	-0.4	-0.1
小维管束面积密度NSVB/RA(No. mm^-2)	19.9	8.4	36.2	32.2	0.5	-0.1
大维管束面积密度NLVB/(PA-CA) (No. mm^-2)	3.3	2.0	4.8	17.2	0.1	-0.1
空腔面积占茎百分比Percentage of CA to SA (%)	2.7	0.0	16.3	144.6	1.6	2.3
株高Plant height (cm)	161.5	71.0	278.0	27.8	0.5	-0.2
单株鲜重Plant fresh weight (g)	265.7	79.0	609.7	38.4	1.4	2.3
穗长Panicle length (cm)	25.9	8.7	41.0	19.9	-0.3	0.7
穗重Panicle weight (g)	54.6	10.2	194.6	72.7	1.7	2.7
一级枝梗数No. of primary rachis branches (NPRB)	50.1	27.8	90.8	26.2	1.1	1.2
千粒重1000-grain weight (g)	20.3	7.0	33.1	22.2	0.2	1.1

表3

图1

表4

图2

图3

图4

图5

参考文献 17

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基于“LabelmeP1.0”提取的高粱维管束参数与农艺性状关联研究

Relationship of “LabelmeP1.0”-derived vascular parameters with agronomic traits in sorghum

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