突破性的成像技术可能会挑战标记辅助育种和遗传定位的植物表型瓶颈。在此背景下，X射线CT（计算机断层扫描）技术可以准确获取根系统架构(RSA)的数字双胞胎，但量化RSA特征并分析其随时间变化的计算方法有限。RSA性状很大程度上影响农业生产力。我们开发了一种基于X射线CT的4D数据的时空根系结构建模方法。考虑到高通量表型处理数据的时间成本以及结果的准确性和鲁棒性，这种新的方法进行了优化。


基于数字双胞胎模型提取了重要的根系结构特征，包括根系伸长率、根数、长度、生长角度、高度、直径、分枝图以及侧根体积。我们的流程分为两个主要步骤：（i）首先，我们基于受约束的拉普拉斯平滑算法计算曲线骨架，这种骨架结构决定了根随着时间的推移的标注；(ii)随后，通过圆柱拟合对RSA进行有效建模，从而在空间上量化几个特征。该实验是在西拉法叶（美国印第安纳州）普渡大学的Ag Alumni Seed Phenotyping Facility (AAPF)进行的。

该方法的工作流程：我们首先从根的数字孪生中提取曲线骨架以标注同一个根的时间序列，其次，我们通过灵活的圆柱拟合对RSA进行空间建模

分别对三个不同时间的两个番茄植株样品和三个不同时间的三个玉米植株样本的根系进行了扫描。关于第一步，骨架的 PCA 分析能够准确而稳健地实时标注根系。从第二步开始，计算了几个特征， 其中两个特征使用根系数字双胞胎作为真实值针对圆柱模型进行了准确验证：分支数量（RRMSE 优于 9%）和体积的达到了0.84的决定系数 (R2) 和 P < 0.001。实验结果支持所开发方法的可行性，能够为综合分析提供扩展，以便进行高通量的根表型分析。

来源：Plant Methods.4D Structural root architecture modeling from digital twins by X-Ray Computed Tomography.Monica Herrero-Huerta, Valerian Meline, Anjali S. Iyer-Pascuzzi, Augusto M. Souza, Mitchell R. Tuinstra & Yang Yang
https://plantmethods.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13007-021-00819-1