Earbox, an open tool for high-throughput measurement of the spatial organization of maize ears and inference of novel traits
Creators
- 1. Laboratoire d'Écophysiologie Moléculaire des Plantes sous Stress Environnementaux
- 2. Agricultural Plant Physiology and Ecology Research Institute
- 3. University of Buenos Aires
Description
Characterizing plant genetic resources and their response to the environment through accurate measurement of relevant traits is crucial to genetics and breeding. Spatial organization of the maize ear provides insights into the response of grain yield to environmental conditions. Current automated methods for phenotyping the maize ear do not capture these spatial features.We developed EARBOX, a low-cost, open-source system for automated phenotyping of maize ears. EARBOX integrates open-source technologies for both software and hardware that facilitate its deployment and improvement for specific research questions. The imaging platform consists of a customized box in which ears are repeatedly imaged as they rotate via motorized rollers. With deep learning based on convolutional neural networks, the image analysis algorithm uses a two-step procedure: ear-specific grain masks are first created and subsequently used to extract a range of trait data per ear, including ear shape and dimensions, the number of grains and their spatial organisation, and the distribution of grain dimensions along the ear. The reliability of each trait was validated against ground-truth data from manual measurements. Moreover, EARBOX derives novel traits, inaccessible through conventional methods, especially the distribution of grain dimensions along grain cohorts, relevant for ear morphogenesis, and the distribution of abortion frequency along the ear, relevant for plant response to stress, especially soil water deficit.The proposed system provides robust and accurate measurements of maize ear traits including spatial features. Future developments include grain type and colour categorisation. This method opens avenues for high-throughput genetic or functional studies in the context of plant adaptation to a changing environment.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
إن توصيف الموارد الوراثية النباتية واستجابتها للبيئة من خلال القياس الدقيق للسمات ذات الصلة أمر بالغ الأهمية لعلم الوراثة والتكاثر. يوفر التنظيم المكاني لأذن الذرة رؤى حول استجابة محصول الحبوب للظروف البيئية. لا تلتقط الطرق الآلية الحالية للتنميط الظاهري لأذن الذرة هذه الميزات المكانية. لقد طورنا EARBOX، وهو نظام منخفض التكلفة ومفتوح المصدر للتنميط الظاهري الآلي لآذان الذرة. يدمج EARBOX تقنيات مفتوحة المصدر لكل من البرامج والأجهزة التي تسهل نشره وتحسينه لأسئلة بحثية محددة. تتكون منصة التصوير من صندوق مخصص يتم فيه تصوير الأذنين بشكل متكرر أثناء دورانهما عبر بكرات آلية. مع التعلم العميق القائم على الشبكات العصبية الالتفافية، تستخدم خوارزمية تحليل الصور إجراءً من خطوتين: يتم إنشاء أقنعة الحبوب الخاصة بالأذن أولاً ثم استخدامها لاستخراج مجموعة من بيانات السمات لكل أذن، بما في ذلك شكل الأذن وأبعادها، وعدد الحبوب وتنظيمها المكاني، وتوزيع أبعاد الحبوب على طول الأذن. تم التحقق من موثوقية كل سمة مقابل بيانات الحقيقة الأرضية من القياسات اليدوية. علاوة على ذلك، يستمد EARBOX سمات جديدة، لا يمكن الوصول إليها من خلال الطرق التقليدية، وخاصة توزيع أبعاد الحبوب على طول مجموعات الحبوب، ذات الصلة بتشكل الأذن، وتوزيع تردد الإجهاض على طول الأذن، ذات الصلة باستجابة النبات للإجهاد، وخاصة نقص مياه التربة. يوفر النظام المقترح قياسات قوية ودقيقة لسمات أذن الذرة بما في ذلك السمات المكانية. وتشمل التطورات المستقبلية نوع الحبوب وتصنيف الألوان. تفتح هذه الطريقة سبلًا للدراسات الوراثية أو الوظيفية عالية الإنتاجية في سياق تكيف النبات مع بيئة متغيرة.Translated Description (French)
La caractérisation des ressources phytogénétiques et de leur réponse à l'environnement par une mesure précise des caractères pertinents est cruciale pour la génétique et la sélection. L'organisation spatiale de l'épi de maïs donne un aperçu de la réponse du rendement céréalier aux conditions environnementales. Les méthodes automatisées actuelles de phénotypage de l'épi de maïs ne capturent pas ces caractéristiques spatiales. Nous avons développé EARBOX, un système open source à faible coût pour le phénotypage automatisé des épis de maïs. EARBOX intègre des technologies open source pour les logiciels et le matériel qui facilitent son déploiement et son amélioration pour des questions de recherche spécifiques. La plate-forme d'imagerie se compose d'une boîte personnalisée dans laquelle les oreilles sont représentées à plusieurs reprises lorsqu'elles tournent via des rouleaux motorisés. Avec l'apprentissage en profondeur basé sur des réseaux neuronaux convolutionnels, l'algorithme d'analyse d'image utilise une procédure en deux étapes : les masques céréaliers spécifiques à l'oreille sont d'abord créés et ensuite utilisés pour extraire une gamme de données de traits par oreille, y compris la forme et les dimensions de l'oreille, le nombre de grains et leur organisation spatiale, et la distribution des dimensions des grains le long de l'oreille. La fiabilité de chaque trait a été validée par rapport aux données de vérité du sol provenant de mesures manuelles. De plus, EARBOX dérive de nouveaux traits, inaccessibles par des méthodes conventionnelles, en particulier la distribution des dimensions des grains le long des cohortes de grains, pertinents pour la morphogenèse de l'oreille, et la distribution de la fréquence des avortements le long de l'oreille, pertinents pour la réponse des plantes au stress, en particulier le déficit en eau du sol. Le système proposé fournit des mesures robustes et précises des traits de l'oreille de maïs, y compris des caractéristiques spatiales. Les développements futurs incluent le type de grain et la catégorisation des couleurs. Cette méthode ouvre la voie à des études génétiques ou fonctionnelles à haut débit dans le contexte de l'adaptation des plantes à un environnement changeant.Translated Description (Spanish)
La caracterización de los recursos fitogenéticos y su respuesta al medio ambiente a través de la medición precisa de los rasgos relevantes es crucial para la genética y el mejoramiento. La organización espacial de la mazorca de maíz proporciona información sobre la respuesta del rendimiento del grano a las condiciones ambientales. Los métodos automatizados actuales para fenotipar la mazorca de maíz no capturan estas características espaciales. Desarrollamos EARBOX, un sistema de código abierto de bajo coste para el fenotipado automatizado de mazorcas de maíz. EARBOX integra tecnologías de código abierto tanto para software como para hardware que facilitan su despliegue y mejora para preguntas de investigación específicas. La plataforma de imágenes consiste en una caja personalizada en la que se toman imágenes repetidas de las orejas a medida que giran a través de rodillos motorizados. Con el aprendizaje profundo basado en redes neuronales convolucionales, el algoritmo de análisis de imágenes utiliza un procedimiento de dos pasos: primero se crean máscaras de grano específicas de la mazorca y posteriormente se utilizan para extraer una gama de datos de rasgos por mazorca, incluida la forma y las dimensiones de la mazorca, el número de granos y su organización espacial, y la distribución de las dimensiones del grano a lo largo de la mazorca. La fiabilidad de cada rasgo se validó frente a los datos reales de las mediciones manuales. Además, EARBOX deriva rasgos novedosos, inaccesibles a través de métodos convencionales, especialmente la distribución de las dimensiones del grano a lo largo de las cohortes de granos, relevantes para la morfogénesis de la mazorca y la distribución de la frecuencia de abortos a lo largo de la mazorca, relevantes para la respuesta de las plantas al estrés, especialmente el déficit de agua del suelo. El sistema propuesto proporciona mediciones sólidas y precisas de los rasgos de la mazorca de maíz, incluidas las características espaciales. Los desarrollos futuros incluyen la categorización del tipo de grano y el color. Este método abre vías para estudios genéticos o funcionales de alto rendimiento en el contexto de la adaptación de las plantas a un entorno cambiante.Files
s13007-022-00925-8.pdf
Files
(2.9 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:4ecc79328d0cfd49206b648f9e92b127
|
2.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- صندوق الأذن، أداة مفتوحة لقياس الإنتاجية العالية للتنظيم المكاني لآذان الذرة واستدلال السمات الجديدة
- Translated title (French)
- Earbox, un outil ouvert pour la mesure à haut débit de l'organisation spatiale des épis de maïs et l'inférence de nouveaux traits
- Translated title (Spanish)
- Earbox, una herramienta abierta para la medición de alto rendimiento de la organización espacial de las mazorcas de maíz y la inferencia de rasgos novedosos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4288080840
- DOI
- 10.1186/s13007-022-00925-8
References
- https://openalex.org/W1562385295
- https://openalex.org/W1861492603
- https://openalex.org/W1962475254
- https://openalex.org/W1964163408
- https://openalex.org/W1998863922
- https://openalex.org/W2000923382
- https://openalex.org/W2024515055
- https://openalex.org/W2030292756
- https://openalex.org/W2050118884
- https://openalex.org/W2069536455
- https://openalex.org/W2080623789
- https://openalex.org/W2098757884
- https://openalex.org/W2114136179
- https://openalex.org/W2118620833
- https://openalex.org/W2159589119
- https://openalex.org/W2163392261
- https://openalex.org/W2254287032
- https://openalex.org/W2384620103
- https://openalex.org/W2514087538
- https://openalex.org/W2515960390
- https://openalex.org/W2575749027
- https://openalex.org/W2743464688
- https://openalex.org/W2767406231
- https://openalex.org/W2789152424
- https://openalex.org/W2790988599
- https://openalex.org/W2791960043
- https://openalex.org/W2795514278
- https://openalex.org/W2806070179
- https://openalex.org/W2808170337
- https://openalex.org/W2888013727
- https://openalex.org/W2902282562
- https://openalex.org/W2945720445
- https://openalex.org/W2955640719
- https://openalex.org/W2993118460
- https://openalex.org/W2997004889
- https://openalex.org/W3000095717
- https://openalex.org/W3005673458
- https://openalex.org/W3033082138
- https://openalex.org/W3034537300
- https://openalex.org/W3038811542
- https://openalex.org/W3044485187
- https://openalex.org/W3045638914
- https://openalex.org/W3046553409
- https://openalex.org/W3081906539
- https://openalex.org/W3083786622
- https://openalex.org/W3083837647
- https://openalex.org/W3085597046
- https://openalex.org/W3090825734
- https://openalex.org/W3092667979
- https://openalex.org/W3097591026
- https://openalex.org/W3101744662
- https://openalex.org/W3121612978
- https://openalex.org/W3124859927
- https://openalex.org/W3139008260
- https://openalex.org/W3164337151
- https://openalex.org/W3184331384
- https://openalex.org/W3194292788
- https://openalex.org/W3200161316