水稻生长及其调控虚拟仿真(附件)
：数学建模技术在生物虚拟仿真实验中有广泛的应用前景，在水稻种子萌发及其调控的虚拟仿真实验当中，通过对水稻种子萌发的形态定量分析，构建水稻种子萌发的虚拟模型，以此为基础设计了水稻种子萌发的虚拟生长可视系统。整个模拟实验的系统主要分为四个部分：水稻种子结构的几何形态模型模块、条件可控制模块、可视化模块、人机交互界面、数据库。水稻种子的三维形态结构模型可以通过大量的不同角度的高像素图片来构建，通过比较氧气、盐分等各个因素下水稻种子形态结构变化的规律，利用计算机建模技术模拟出虚拟环境下的种子萌发过程。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1材料与方法2
1.1实验材料 2
1.2实验试剂 2
1.2.1消毒液 2
1.2.2染色液 2
1.2.3处理液 2
1.3水稻种子的萌发与处理2
1.3.1晒种与选种 2
1.3.2浸种2
1.3.3催芽 3
1.3.4水培 3
1.4水稻种子生长数据侧量4
1.5体式显微镜观察4
1.6系统构建与软件建模4
1.6.1系统构建4
1.6.2软件建模4
2结果与分析 5
2.1不同环境因素对水稻种子萌发的影响5
2.1.1缺氧、有光、低温对水稻种子萌发的影响5
2.1.2 NaCl溶度对水稻种子萌发的影响7
2.2水稻生长及其调控虚拟仿真9
2.2.1体式显微镜拍照9
2.2.1软件建模成果展示11
3 讨论 13
致谢13
参考文献14
附录15
水稻种子萌发及其调控的虚拟仿真
引言
引言
自20世纪60年代Duncan和deWit开创作物模拟技术以来，基于作物生理生态过程的模拟研究取得了快速发展，并形成了众多的作物生长模型以及作物管理决策支持系统。但上述模型或系统多侧重于生长量、叶龄、叶
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
面积等作物过程的描述，而较少涉及作物种子生长的空间结构与形态[1]。近年来, 随着计算机图形学的发展, 在计算机上再现作物在实际三维空间的虚拟生长研究得到了快速发展, 一些学者进行了棉花、玉米、大麦、水稻的虚拟研究。
1968年, 加拿大学者Lindenmayer根据植株生长过程中植株局部与整体形态结构一致的原理, 用形式语言的方法,提出了描述植物生长过程中拓扑结构变化的L系统。其本质是一重写系统,由字符集V、基本字符串(Axiom)和生成规则( Production rule)组成，根据生成规则对基本字符串进行迭代改写[1]。但是利用L系统、分形理论对虚拟环境下的水稻种子进行形态结构的三维可视化没有量化水稻种子形态结构变化规律与环境和技术措施之间的动态关系,因此不能模拟实际生产条件下种子形态结构的动态变化过程,同时在程序的交互性方面不够理想。国内在此领域的研究比较晚,大多数集中在静态器官模型方面,在系统研究方面仍未出现较成熟的作物虚拟生长系统，水稻种子虚拟动态生长的研究报道还很少[2]。
本设计利用计算机图像合成以及数学建模技术对水稻种子三维重构及可视化系统所采用的软件体系与技术作了初步说明。设计中根据提出的基于结构化、立体化的器官构建精确的几何模型具有明确生物学意义，易于与农学知识和作物模型相结合，为作物种子形态的数字化设计和可视化计算分析奠定了基础[3]。通过控制水分、盐分、温度、光照等各个因素，分析水稻种子形态结构变化的规律，构建出不同情况下水稻种子萌发形态的数学模型，通过简单的人机交互，在计算机上实现水稻种子各器官的三维重构和虚拟动态生长过程的显示，以期为虚拟农作物的研究提供技术基础，从而为农学研究者研究水稻作物提供更便捷的水稻可视化研究平台[2]。
1 、 材料与方法
1．1 实验材料
水稻栽培种“Ⅱ优048”种子
1．2 实验试剂
1．2．1消毒液
12%NaCl溶液：每100ml去离子水加12gNaCl。
300倍强氯精：用40%的强氯精配成300倍液。
1．2．2染色液
碘碘化钾溶液：配方：碘化钾24g、碘1g、蒸馏水250ml。先将碘化钾溶于蒸馏水中，待全部溶解后再加碘，振荡溶解后定容保存在棕色瓶中，使用时稀释10倍。
1．2．3处理液
50mmol/L、200mmol/L NaCl溶液。
1．3 水稻种子的萌发与处理
1．3．1 晒种与选种
杂交水稻栽培种“Ⅱ优048” 由江苏明天种业提供。
1）晒种：早中稻种子储藏时间较长，在浸种前尽可能选晴天晒种3—4小时或半天，可提高种子发芽率和发芽势。晒种也可杀死部分附着在稻壳上的病菌，尤其是粳稻必须进行晒种杀菌[4]。
2）选种：浸种前可先用12% NaCl溶液在20℃温度条件下浸种6h进行选种，去除外观上秕粒、半饱满粒、病粒。水稻种子下水后，仍浮着的秕谷一定要捞出，捞出部分种子一般闭颖不全、谷粒发育不饱满，会影响发芽率。期间用玻璃棒搅拌23次，捞出后用去离子水冲洗干净置于阴凉处将种子表层水凉干[4]。
1．3．2 浸种
1）第一步：先用12% NaCl溶液清淘种子，再用去离子水清洗后放入清水中20℃温度条件下预浸种12h，在浸种期间每隔34小时左右换一次水，并洗净种子，目的是使水稻种子表面上的病菌孢子萌动[5]。
2）第二步：用300倍强氯精药液20℃浸种12h，消毒液应浸没种子高出种子表面3cm，消毒期间不用换水。浸种完以后用去离子水反复冲洗种子使残留的药液洗净。
3）第三步：洗净后继续放入清水中20℃浸种12h，最后捞出催芽。
浸种过程中尽量采取日浸夜搁的间隔浸种法，目的是提高种子发芽率[6]。日浸夜搁的间隔浸种法即上述3个“12h”放在白天（早8点到晚8点），夜间将种子捞起放入阴暗处。由于本实验采用的是杂交水稻栽培种“Ⅱ优048”，有的杂交稻有颖壳吻合不好，种子内淀粉较疏松，吸水快的特点，因此浸种时间不宜过长，防止种子发酸发臭，影响发芽或不发芽[4]。
1．3．3 催芽
1）标准情况下ck
标准情况下种子萌发的环境是25℃、水分适中、氧气充分（通风）、避光催芽、无盐胁迫。催芽时，把经浸种消毒的种子捞起滴干水后用蒸馏水清洗数次，挑出外观及生长状态良好的100粒种子（每个处理都为100粒），将种子铺在消毒过的塑料箩筐中的用蒸馏水润湿的纱布上，保证盛装的用具能消水、保湿、透气，再用一层纱布覆盖。四周可用黑色塑料袋密封保温。密封时保证留有足够的空气，并让其在25℃自动调温的培养箱中催芽。种子在经过规定时间的浸种后，一般认为吸取的水分已足够种子正常发芽所需，因而在种子催芽过程中一般不需要另外添水，但由于在25℃自动调温的培养箱中塑料袋里水分挥发很快，可以隔12h泼一次温水，同时应选用保湿性良好的塑料袋扎好密封。在催芽24h后可观察到水稻种子破胸整齐，之后4天每隔6h打开塑料袋通气降温，适当润湿或翻动种子调节温度湿度，使根、芽生长整齐，比例适当。整个催芽期间内避光处理[7]。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1材料与方法2
1.1实验材料 2
1.2实验试剂 2
1.2.1消毒液 2
1.2.2染色液 2
1.2.3处理液 2
1.3水稻种子的萌发与处理2
1.3.1晒种与选种 2
1.3.2浸种2
1.3.3催芽 3
1.3.4水培 3
1.4水稻种子生长数据侧量4
1.5体式显微镜观察4
1.6系统构建与软件建模4
1.6.1系统构建4
1.6.2软件建模4
2结果与分析 5
2.1不同环境因素对水稻种子萌发的影响5
2.1.1缺氧、有光、低温对水稻种子萌发的影响5
2.1.2 NaCl溶度对水稻种子萌发的影响7
2.2水稻生长及其调控虚拟仿真9
2.2.1体式显微镜拍照9
2.2.1软件建模成果展示11
3 讨论 13
致谢13
参考文献14
附录15
水稻种子萌发及其调控的虚拟仿真
引言
引言
自20世纪60年代Duncan和deWit开创作物模拟技术以来，基于作物生理生态过程的模拟研究取得了快速发展，并形成了众多的作物生长模型以及作物管理决策支持系统。但上述模型或系统多侧重于生长量、叶龄、叶
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面积等作物过程的描述，而较少涉及作物种子生长的空间结构与形态[1]。近年来, 随着计算机图形学的发展, 在计算机上再现作物在实际三维空间的虚拟生长研究得到了快速发展, 一些学者进行了棉花、玉米、大麦、水稻的虚拟研究。
1968年, 加拿大学者Lindenmayer根据植株生长过程中植株局部与整体形态结构一致的原理, 用形式语言的方法,提出了描述植物生长过程中拓扑结构变化的L系统。其本质是一重写系统,由字符集V、基本字符串(Axiom)和生成规则( Production rule)组成，根据生成规则对基本字符串进行迭代改写[1]。但是利用L系统、分形理论对虚拟环境下的水稻种子进行形态结构的三维可视化没有量化水稻种子形态结构变化规律与环境和技术措施之间的动态关系,因此不能模拟实际生产条件下种子形态结构的动态变化过程,同时在程序的交互性方面不够理想。国内在此领域的研究比较晚,大多数集中在静态器官模型方面,在系统研究方面仍未出现较成熟的作物虚拟生长系统，水稻种子虚拟动态生长的研究报道还很少[2]。
本设计利用计算机图像合成以及数学建模技术对水稻种子三维重构及可视化系统所采用的软件体系与技术作了初步说明。设计中根据提出的基于结构化、立体化的器官构建精确的几何模型具有明确生物学意义，易于与农学知识和作物模型相结合，为作物种子形态的数字化设计和可视化计算分析奠定了基础[3]。通过控制水分、盐分、温度、光照等各个因素，分析水稻种子形态结构变化的规律，构建出不同情况下水稻种子萌发形态的数学模型，通过简单的人机交互，在计算机上实现水稻种子各器官的三维重构和虚拟动态生长过程的显示，以期为虚拟农作物的研究提供技术基础，从而为农学研究者研究水稻作物提供更便捷的水稻可视化研究平台[2]。
1 、 材料与方法
1．1 实验材料
水稻栽培种“Ⅱ优048”种子
1．2 实验试剂
1．2．1消毒液
12%NaCl溶液：每100ml去离子水加12gNaCl。
300倍强氯精：用40%的强氯精配成300倍液。
1．2．2染色液
碘碘化钾溶液：配方：碘化钾24g、碘1g、蒸馏水250ml。先将碘化钾溶于蒸馏水中，待全部溶解后再加碘，振荡溶解后定容保存在棕色瓶中，使用时稀释10倍。
1．2．3处理液
50mmol/L、200mmol/L NaCl溶液。
1．3 水稻种子的萌发与处理
1．3．1 晒种与选种
杂交水稻栽培种“Ⅱ优048” 由江苏明天种业提供。
1）晒种：早中稻种子储藏时间较长，在浸种前尽可能选晴天晒种3—4小时或半天，可提高种子发芽率和发芽势。晒种也可杀死部分附着在稻壳上的病菌，尤其是粳稻必须进行晒种杀菌[4]。
2）选种：浸种前可先用12% NaCl溶液在20℃温度条件下浸种6h进行选种，去除外观上秕粒、半饱满粒、病粒。水稻种子下水后，仍浮着的秕谷一定要捞出，捞出部分种子一般闭颖不全、谷粒发育不饱满，会影响发芽率。期间用玻璃棒搅拌23次，捞出后用去离子水冲洗干净置于阴凉处将种子表层水凉干[4]。
1．3．2 浸种
1）第一步：先用12% NaCl溶液清淘种子，再用去离子水清洗后放入清水中20℃温度条件下预浸种12h，在浸种期间每隔34小时左右换一次水，并洗净种子，目的是使水稻种子表面上的病菌孢子萌动[5]。
2）第二步：用300倍强氯精药液20℃浸种12h，消毒液应浸没种子高出种子表面3cm，消毒期间不用换水。浸种完以后用去离子水反复冲洗种子使残留的药液洗净。
3）第三步：洗净后继续放入清水中20℃浸种12h，最后捞出催芽。
浸种过程中尽量采取日浸夜搁的间隔浸种法，目的是提高种子发芽率[6]。日浸夜搁的间隔浸种法即上述3个“12h”放在白天（早8点到晚8点），夜间将种子捞起放入阴暗处。由于本实验采用的是杂交水稻栽培种“Ⅱ优048”，有的杂交稻有颖壳吻合不好，种子内淀粉较疏松，吸水快的特点，因此浸种时间不宜过长，防止种子发酸发臭，影响发芽或不发芽[4]。
1．3．3 催芽
1）标准情况下ck
标准情况下种子萌发的环境是25℃、水分适中、氧气充分（通风）、避光催芽、无盐胁迫。催芽时，把经浸种消毒的种子捞起滴干水后用蒸馏水清洗数次，挑出外观及生长状态良好的100粒种子（每个处理都为100粒），将种子铺在消毒过的塑料箩筐中的用蒸馏水润湿的纱布上，保证盛装的用具能消水、保湿、透气，再用一层纱布覆盖。四周可用黑色塑料袋密封保温。密封时保证留有足够的空气，并让其在25℃自动调温的培养箱中催芽。种子在经过规定时间的浸种后，一般认为吸取的水分已足够种子正常发芽所需，因而在种子催芽过程中一般不需要另外添水，但由于在25℃自动调温的培养箱中塑料袋里水分挥发很快，可以隔12h泼一次温水，同时应选用保湿性良好的塑料袋扎好密封。在催芽24h后可观察到水稻种子破胸整齐，之后4天每隔6h打开塑料袋通气降温，适当润湿或翻动种子调节温度湿度，使根、芽生长整齐，比例适当。整个催芽期间内避光处理[7]。
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