3D打印甜菜参考模型已用于田间试验。来源:甜菜研究所，Göttingen

最近发表的一项研究展示了如何将新技术应用于21世纪的作物育种，该研究将激光扫描和3D打印相结合，创建了甜菜植物的详细3D模型。

除了拥有遗传信息来指导智能育种之外，这里的3D植物模型还可以捕捉甜菜植物地上部分的基本特征，并可用于人工智能辅助的作物改良管道。甜菜植株模型具有可重复性，适合大田使用。

所有的研究资料，数据，方法，以及3D打印文件都是免费的。作物管理正在获得急需的工具，当然，现在每个人都可以打印自己的3D甜菜植物(所需的维护最少)。甜菜植物的3D模型及其验证发表在《GigaScience》杂志上。

现代植物育种是一项以数据为中心的事业，涉及机器学习算法和复杂的成像技术来选择理想的性状。“植物表型”——收集植物精确信息和测量数据的科学——在过去几年中取得了巨大的进步。

在过去，表现型依赖于人类繁琐的测量。今天，表现型管道正变得越来越自动化，使用最先进的传感器技术，通常辅以人工智能。测量可以包括大小、果实质量、叶片形状和大小以及其他生长参数。

除了将测量工作移交给自动化管道带来的效率提升之外，计算机辅助传感器通常还可以捕获有关植物的复杂信息，这些信息是人类很难大规模收集到的。

在这个新的、由传感器驱动的作物育种领域，一个至关重要的方面是精确参考材料的可用性。

传感器需要提供包含所有相关特征的“标准植物”的数据，包括更复杂的三维特征，如叶子的朝向角度。因此，拥有一个实际的“人造植物”作为真实尺寸的参考比仅仅在计算机中拥有数据或平面的2D表示更可取。例如，一个实际的模型也可以作为温室或试验田中真实植物的参考和内部控制。

新的3d打印甜菜植物模型是在考虑到这些应用程序的情况下生成的，并且还有一个额外的优势，即打印文件可以免费下载和重用。这使得其他科学家(以及任何甜菜爱好者，真的)可以复制参考甜菜的精确副本，使世界不同地区不同实验室所做的研究更具可比性。3D打印的可负担性也意味着这种方法可以适用于资源匮乏的环境，例如发展中国家。

为了为他们的现实模型收集精确的数据，作者乔纳斯Bömer和来自甜菜研究所(Göttingen)和波恩大学的同事使用了激光雷达(光探测和测距)技术。简而言之，用激光扫描一棵真正的甜菜植株，从12个不同的视角生成3D数据。

经过处理步骤后，这些数据被输入商用级3D打印机，以创建实际大小的甜菜模型。然后，作者在实验室和实地测试了该模型作为参考点的预期用途。

由激光雷达扫描温室甜菜植株生成的3D可打印参考模型。资料来源:GigaScience(2024)

Jonas Bömer解释说:“在三维植物表型分析领域，参考利用的传感器系统、计算机算法和捕获的形态参数是一项具有挑战性但又非常重要的任务。

“应用增材制造技术生成可复制的参考模型，为开发客观和精确参考的标准化方法提供了新的机会，从而有利于科学研究和实际植物育种。”

当然，这种方法并不局限于甜菜，这项新研究展示了人工智能、3D打印和传感器技术的结合如何有助于未来的植物育种，从而帮助世界人口提供健康、美味的作物。

数据科学家克里斯·阿米特补充说:“可打印的3D模型的价值在于，你可以打印多个副本，每块作物一个。作为一种低成本的表型分析策略，激光雷达扫描仪的主要成本是，看到这种方法在水稻或非洲孤儿作物等其他作物上进行测试将是非常棒的，因为这些作物需要低成本的表型分析解决方案。”