监测植物花芽分化或开花过程中温度变化的活体成像方法

技术领域

本发明涉及一种生物技术领域，尤其涉及一种监测植物花芽分化或开花过程中温 度变化的活体成像方法。

背景技术

生殖发育机制是一个物种有别于其他种类的重要特征，也是在历史演化过程中， 原始种群适应环境协同进化的具体表现。而花部器官作为有花植物的有性生殖器官， 在植物生殖发育过程中起着至关重要的作用，因此，在开花植物的生殖发育过程中， 从花芽分化、花部器官的发育成熟，到成熟花粉在柱头上的萌发、生长，以及双受精 直至种子成熟的整个发育过程成为目前植物生殖发育生物学研究的重点领域。

在不干扰植物生长的情况下，对植物活体进行深入的研究，已逐渐为更多研究学 者所重视。由于对植物生殖发育中，特别是开花生热效应的瞬时捕获和植物活体内部 的温度测定缺乏有效的实验仪器与技术手段，已有的多数研究是从化学固定的“死细 胞”中获得试验数据，这与活体测定中得到的结果可能大不相同，又由于植物生殖发 育中呼吸代谢产生的细微热量不能得以及时有效地捕获，因此对于植物生殖发育中生 热效应热量捕获和动态观测的有效研究方法和技术未见报道，从而导致开花机制等生 殖发育机制的活体研究相对比较滞后，迄今为止，研究者对于生殖发育机制中开花生 热机制的揭示也是学术界一直尚未有实质性进展的问题。

红外线技术和红外线成像自运用之日起，一直被用于建筑、工厂检测等领域，而 在植物研究领域的应用尚未见报道，特别是将其运用到植物生殖发育和花部器官分化 的试验领域尚未见报道。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种监测植物花芽分化或者开花的生热效应的方法。

本发明提供的方法，包括如下步骤：

1)用红外线非接触式热像仪采集活体待测植物的花芽或花部器官图像；

2)根据步骤1)得到的图像，得到所述活体待测植物的花芽或花部器官的不同位 点的温度，从而实现植物花芽分化或者开花的生热效应的监测。

本发明的另一个目的是提供一种监测植物花芽分化或者开花的生热效应的方法。

本发明提供的方法，包括如下步骤：

1)在不同时刻，分别用红外线非接触式热像仪采集活体待测植物的花芽或花部器 官图像，所述不同时刻为t1、t2、……、tn；n大于等于1；

2)根据步骤1)得到的t1时刻的图像，得到t1时刻的所述活体待测植物的花芽 或花部器官的不同位点的温度；再依次分别得到t2、……、tn时刻的所述活体待测植 物的花芽或花部器官的不同位点的温度；从而实现对植物花芽分化过程或者开花过程 的生热效应的监测。

步骤1)中，所述采集包括如下步骤：将所述红外线非接触式热像仪的镜头指向 所述活体待测植物的花芽或花部器官，对焦、捕获图像；

步骤2)中，采用SmartView图像分析软件，分析步骤1)得到的采集图像，得 到所述活体待测植物的花芽或花部器官不同位点的温度，从而实现植物花芽分化或者 开花的生热效应的监测。

步骤1)中，所述采集中，所述红外线非接触式热像仪设定的发射率为0.90-0.95， 所述红外线非接触式热像仪设定的发射率具体为0.90、0.92或0.95；

所述红外线非接触式热像仪设定的光谱带为8μm-14μm。

步骤1)中，所述红外线非接触式热像仪的镜头与所述活体待测植物的花芽或花 部器官的距离为10cm-15cm，所述红外线非接触式热像仪的镜头与所述活体待测植物 的花芽或花部器官的距离具体为10cm、12cm或15cm。

所述红外线非接触式热像仪的热灵敏度为30℃时≤0.07℃；

所述红外线非接触式热像仪的采集频率为50-60Hz；

所述红外线非接触式热像仪的空间分辨率为0.47mrad。

步骤1)中，在所述采集前，还包括如下步骤：

A、用冰水混合物对所述红外线非接触式热像仪进行温度校准，直至显示温度为 0℃；

B、用所述活体待测植物对所述红外线非接触式热像仪进行预对焦。

所述待测植物为白玉兰(木兰科，白玉兰；拉丁名Magnolia denudata)。

所述花部器官为花被片、雌蕊群或雄蕊群。

上述的方法在植物生殖发育中生热效应的温度瞬时捕获和/或实时动态观测中的 应用也是本发明保护的范围。

红外线非接触式热像仪在监测活体待测植物花芽分化或者开花温度中的应用也是 本发明保护的范围，所述监测活体待测植物花芽分化或者开花温度既可以是瞬时捕获 温度，又可以是连续捕获温度。

所述应用中，所述红外线非接触式热像仪设定的发射率为0.90-0.95，所述红外 线非接触式热像仪设定的发射率具体为0.90、0.92或0.95；

所述红外线非接触式热像仪设定的光谱带为8μm-14μm。

所述红外线非接触式热像仪的镜头与所述活体待测植物的花芽或花部器官的距离 为10cm-15cm，所述红外线非接触式热像仪的镜头与所述活体待测植物的花芽或花部 器官的距离具体为10cm、12cm或15cm；

所述红外线非接触式热像仪的热灵敏度为30℃时≤0.07℃；

所述红外线非接触式热像仪的采集频率为50-60Hz；

所述红外线非接触式热像仪的空间分辨率为0.47mrad。

本发明为北京林业大学科技创新计划项目支持(项目号：HJ2010-23)，北京林业 大学新进教师科研启动项目基金支持(项目号：2010BLX02)，以及国家教育部博士点 基金(项目号：200800220007)共同资助。

本发明的实验证明，本发明提供了一种观测植物花部器官生殖发育的成像方法， 以及对植物开花生热效应中温度瞬时捕获以及进行活体实时观测技术。本发明的方法 具有以下优点：1)操作简单，快速：省略了植物观测中取样、分离等前续试验分析步 骤；2)成像效果好：可不受雨雪天气等外界环境干扰下，对植物花部器官生热进行活 体观测，温差区分度在0.1摄氏度；3)实时活体观测：远红外线成像不干扰植物生长， 远近距离(15cm-20m均可拍摄)；4)图片成像快且后期处理简单：不同颜色区域显 示不同的温度分布，并且对应具体温度数值。

附图说明

图1为在红外线成像仪下白玉兰开花阶段花芽内部分化区域的热成像图

图2为在红外线成像仪下白玉兰开花阶段花芽内部分化区域的立体图

图3为在红外线成像仪下的白玉兰花部器官在花期生热效应的热成像图

图4为在红外线成像仪下的白玉兰开花初期的花部器官在花期生热效应的直方图

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

以下实施例中采用的红外线非接触式热像仪的热灵敏度为30℃时≤0.07℃；

红外线非接触式热像仪的采集频率为50-60Hz；

红外线非接触式热像仪的空间分辨率为0.47mrad。

实施例1、监测白玉兰花芽分化的生热效应

用本发明的方法对白玉兰开花阶段花芽内部分化区域标记以及热成像显示，包括 以下步骤：

1、针对植物发射率的温度校准：

1)采用红外线非接触式热像仪，调整发射率为0.95，设定的光谱带为8μm-14 μm。空间分辨率(IFOV)0.47mrad；

2)开启红外线扫描记录温度，高低温瞬时捕捉，热灵敏度：30℃时≤0.07℃。 探测器数据采集频率：50-60Hz；

3)在测定前，对成像温度进行校正：以冰水混合物温度为基准，取下热像仪镜 头盖，将镜头指向目标，并用手指旋转镜头，将冰盒内的冰水混合物置于红外线热像 仪下进行温度校准，直至显示冰水混合物温度为0℃，从而完成温度校对。

2、捕获图像：

1)取下红外线非接触式热像仪的镜头盖，将镜头指向被测白玉兰花芽(木兰 科，白玉兰；拉丁名Magnolia denudata)，并用手指旋转镜头，直到图像对焦，进行 预对焦；

2)取白玉兰花芽，用解剖刀片对花芽进行纵剖面，距离被测花芽剖面10cm， 远近拉动仪器，直到出现清晰花芽轮廓线，对焦至轮廓线成像单一线条，至此，图像 聚焦完毕；

3)按下采集按钮，以快速捕获图像。图像文件名会出现在显示屏的左上角， 表示图像已保存到存储卡中。注意存储卡必须插入到热像仪中，才能保存和存储图。

3、图像的采集后处理：

SmartView图像分析软件与任何运行Microsoft Windows 2000/XP/Vista (32位)的个人电脑兼容。热像仪随附的SmartView光盘上提供了此软件。

1)下载SmartView软件后在电脑上安装；

2)启动电脑并关闭任何打开的应用程序，稍后，安装程序应会自动启动；

3)依据屏幕上的指示说明来完成安装，SmartView软件与热像仪配合使用，就 能将热像图像转移到电脑并有效地管理它们，同时可以优化和分析红外线和可见光对 照图像，并创建和打印包含重要图像数据的详细报告。

4)标记所需区域的点温度，可见光和红外图像对照结果如图1所示，其中，图 1a木兰科花芽发育阶段(雌蕊群发育期)的花芽剖面可见光图，图1b示木兰科花芽 发育阶段(雄蕊群发育期)的花芽剖面图的内外层芽鳞片、以及分化的雄蕊区域、雌 蕊区域的可见光图，其中1示外层芽鳞片，2示内层芽鳞片，3示紧贴于内2层的温度， 4示花芽内的上部温度，5示花芽内部的中部最高温度；图1c为图a的红外线照片， 数字为点温度；图1d为图b的红外线照片。

用本发明的方法对花芽剖面进行红外线图像采集后，可清晰观测到不同分化区域 的生热效应。

图1a和图1c是木兰科花芽发育阶段(雌蕊群发育期)的可见光和红外线对应图 片中的对应温度分别为：1外层芽鳞片温度是9.1℃，2内层芽鳞片温度是9.6℃，3 紧贴于内2层的温度是10.6℃，4花芽内的上部温度是11.5℃，5示花芽内部的中部 最高温度是12.9℃。

图1b和图1d是木兰科花芽发育阶段(发育阶段早于图1a和图1c阶段，雄蕊群 发育期)的可见光和红外线对应图片中的对应温度分别为：1外层芽鳞片温度是7.5℃， 2内层芽鳞片温度是8.2℃，3紧贴于内层芽鳞片2的层的温度是8.9℃，4花芽内的 上部温度是11.4℃，5示花芽内部的中部最高温度是12.4℃。

将雄蕊群发育期的木兰科花芽内的不同分化发育区域的温度分布做成立体图像， 结果如图2，可以看出，花芽中部温度最高(12.4℃)，由此得出花芽发育阶段，雌雄 蕊分化区域是发育活跃区域。

将上述红外线非接触式热像仪的发射率分别设为0.90、0.92，白玉兰花芽与镜头 的距离为12cm；结果均与上述无显著差异。

实施例2、监测白玉兰开花的生热效应

用本发明的方法对白玉兰花部器官的雌雄异熟活体实时动态红外线成像，包括以 下步骤：

1、针对植物发射率的温度校准：

1)采用红外线非接触式热像仪，调整发射率为0.95，空间分辨率(IFOV)0.47mrad；

2)开启红外线扫描记录温度，高低温瞬时捕捉，热灵敏度：30℃时≤0.07℃。 光谱带8μm-14μm，探测器数据采集频率：50-60Hz；

3)在测定前，对成像温度进行校正：以冰水混合物温度为基准，取下热像仪镜 头盖，将镜头指向目标，并用手指旋转镜头，将冰盒内的冰水混合物置于红外线热像 仪下进行温度校准，直至显示冰水混合物温度为0℃，从而完成温度校对(连续使用中， 只需校正一次即可)；

2、捕获图像：

1)取下红外线非接触式热像仪的镜头盖，将镜头指向被测玉兰花芽，并用手指 旋转镜头，直到图像对焦，进行预对焦(以便图像的瞬时捕获)；

2)自然条件下，选取白玉兰盛开花朵，距离被测花朵15cm，远近拉动仪器，直 到出现清晰花内雌蕊群和雄蕊群轮廓线，对焦至花被片轮廓线成像单一线条，至此， 图像聚焦完毕；

3)按下采集按钮，以快速捕获图像。图像文件名会出现在显示屏的左上角，表 示图像已保存到存储卡中。注意存储卡必须插入到热像仪中，才能保存和存储图。

3、图像的采集后处理：

SmartView图像分析软件与任何运行Microsoft Windows 2000/XP/Vista (32位)的个人电脑兼容。热像仪随附的SmartView光盘上提供了此软件。

1)下载SmartView软件后在电脑上安装；

2)启动电脑并关闭任何打开的应用程序，稍后，安装程序应会自动启动；

3)依据屏幕上的指示说明来完成安装，SmartView软件与热像仪配合使用，就 能将热像图像转移到电脑并有效地管理它们，同时可以优化和分析红外线和可见光对 照图像。

4)标记所需区域的点温度，可见光和红外图像对照结果如图3所示，用本发明 的方法对白玉兰花期进行红外线图像采集后，可清晰观测到开花生热效应中雌蕊群和 雄蕊群的热量分布区域和温度分布。

图3中，Pe为花被片；Gy雌蕊群；An为雄蕊群。图3a与图3b分别是木兰科花 期单花开放阶段1(花蕾期，此时外轮花被片松动，内轮花被片紧闭)的可见光和红 外线对应图片中的对应温度，图3c和图3d是木兰科花期单花开放阶段2(单花绽放， 此时为雌性成熟期，即雌蕊群成熟并张开，雄蕊群尚未成熟闭合)的可见光和红外线 对应图片中的对应温度。

图3b中，Pe花被片温度为14.8℃，Gy雌蕊群温度为20.7℃，An雄蕊群温度为 16.6℃。

图3d中，Pe花被片温度为14.5℃，Gy雌蕊群温度为16.5℃，An雄蕊群温度为 16.2℃。

将图3中的图3d是木兰科花期单花开放阶段2(单花绽放，此时为雌性成熟期， 即雌蕊群成熟并张开，雄蕊群闭合尚未成熟)用直方图显示温度分布范围，结果如图 4所示，横坐标为温度值，纵坐标为不同温度分布的相对区域大小数值，可以看出， 在花部器官9℃到17℃的温度区间内，高温15℃左右主要集中分布于雌蕊群区域，由 此得出木兰科开花初期阶段，雌蕊群在花部器官中处于发育活跃区域。

将上述红外线非接触式热像仪的发射率分别设为0.90、0.92，结果均与上述无显 著差异。