玉米DUS 測試工具的創(chuàng)新與應(yīng)用

趙 佳 陳興奎 佟永祥 霍鵬升 田 野 孔祥林

（錦州市科學(xué)技術(shù)研究院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測試錦州分中心，遼寧錦州 121000）

DUS 測試是品種管理的重要技術(shù)支撐，我國開展DUS 測試20 余年，植物品種的測試量日益增長，測試作物種類繁多，年測試量超過10000 份次，然而專職測試人員僅400 余人[1]，在植物的DUS 測試工作中，存在人員不足、測試工作量大、測試時間緊迫等問題。在DUS 測試方面，我國在先進設(shè)施設(shè)備及機械化、智能化工具的應(yīng)用上基本上還處于空白，大量測試工作依賴人工，難以滿足新的發(fā)展要求[2]。這些問題也成為了DUS 測試發(fā)展的瓶頸。習(xí)近平總書記指出，一個地方、一個企業(yè)，要突破發(fā)展瓶頸、解決深層次矛盾和問題，根本出路在于創(chuàng)新。而種業(yè)振興本質(zhì)上是種業(yè)科技創(chuàng)新提升的問題[3]。因此，要將創(chuàng)新理念融入到DUS 測試工作中，將創(chuàng)新思維深入測試工具中。

在參考UPOV 設(shè)置的6 個技術(shù)工作組基礎(chǔ)上，2019 年經(jīng)DUS 測試技術(shù)委員會審議通過，增設(shè)了測試工具創(chuàng)新工作組（CNTWT），工作組的成立將凝聚各測試機構(gòu)的力量，深化DUS 測試工具的創(chuàng)新，探索切實有效的測試工具，推動DUS 測試創(chuàng)新發(fā)展，更好地服務(wù)于中國種業(yè)。目前，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測試的各測試機構(gòu)在測試工具創(chuàng)新中取得了很大的進展，錦州分中心在測試、拍攝、數(shù)據(jù)分析等方面也開展了一系列的創(chuàng)新研究，現(xiàn)已申請相關(guān)測試工具專利10 余項。本文介紹了錦州分中心在玉米測試工作中的創(chuàng)新應(yīng)用，希望能起到拋磚引玉的作用，凝聚各方力量，研發(fā)更多測試工具、設(shè)備，整體提高植物品種測試智能化、信息化水平，助力中國種業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 玉米DUS 測試方面的創(chuàng)新應(yīng)用

1.1 播種方面的創(chuàng)新應(yīng)用

1.1.1 插地牌由于玉米測試品種較多，需要在測試用地插入地牌以區(qū)分測試品種，以便測試人員的田間測試。傳統(tǒng)的插地牌是在塑料牌上用記號筆手寫編號，工作量大，而且手寫的編號很容易模糊褪色，需要重復(fù)書寫。因此制定了PP 材質(zhì)的插地牌，材質(zhì)不易老化，此外，它與激光打字技術(shù)相結(jié)合，將小區(qū)編號通過激光打標(biāo)機打印在插地牌上。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，永久性標(biāo)記，耐水耐光，在插地牌表面涂抹納米防粘涂料，可減少雨季泥土對小區(qū)編號的遮掩。在插地牌的中心位置統(tǒng)一鉆入一個圓孔，測試結(jié)束后用長釘把每排插地牌按順序逐一穿插在一起，另一端用螺母固定，集中收納存放，方便來年繼續(xù)使用，實現(xiàn)了插地牌一次打標(biāo)、連續(xù)多年重復(fù)使用。

1.1.2 種子瓶與種子盤種子是整個DUS 測試工作的關(guān)鍵基礎(chǔ)，為保障種子在分種、存放、運輸過程中不受破損、不發(fā)生混雜，定制了不同顏色的撕拉翻蓋塑料瓶用來分裝存放玉米種子，瓶身高9cm，直徑4.2cm，容量80mL，種子瓶密封性好，防水防蟲，耐存放搬運，可以重復(fù)多年使用。不同顏色的分裝瓶用來存放不同類型的玉米種子，方便后續(xù)播種時配套不同規(guī)格的播種器，如白色瓶對應(yīng)普通類型的種子，綠色瓶對應(yīng)爆裂類型的小粒種子等。此外，利用激光打標(biāo)機在瓶蓋打印小區(qū)編號等信息，便于核對查找，瓶蓋與瓶身一體化的翻蓋設(shè)計，使瓶內(nèi)的種子與瓶蓋信息一一對應(yīng)，避免張冠李戴。為了方便收納、搬運種子瓶，又配套了相應(yīng)的塑料種子盤，種子盤內(nèi)分10×5 個格子數(shù)，可以收納種子瓶50 個，且多個種子盤可以堆疊在一起，抗壓力強，節(jié)省占地空間，在運輸?shù)教镩g的過程中較為穩(wěn)固，內(nèi)裝種子瓶不會散落混雜。

1.1.3 手提式單筒播種器玉米DUS 測試品種多，每個品種的用種量為100 粒左右，在播種玉米時需要頻繁換種，因此大型播種農(nóng)機無法勝任，經(jīng)嘗試，手提式單筒播種器更適合小區(qū)播種，單體重量輕，下種過程可視、可聽，播種深度固定，不破壞土壤墑情。為了避免小區(qū)之間種子的摻雜，又對手提式單筒播種器進行了改進，增加了簡捷的種子回收功能，一個小區(qū)播種結(jié)束，可以使剩余的種子全部倒回到種子瓶中，這樣既避免種子混雜，又方便更換種子，改進后適合小區(qū)一區(qū)一換種的播種方式，農(nóng)工經(jīng)過簡單講解就可以播種，平均播種速度為333m2/h。小區(qū)編號貫穿插地牌、種子瓶、種子盤、手提式單筒播種器整個播種過程，保證精準(zhǔn)播種。

1.2 環(huán)形扣標(biāo)記牌的創(chuàng)新應(yīng)用拍攝植株、剪取雄穗、玉米果穗取樣時均需要附帶標(biāo)有小區(qū)編號的標(biāo)簽，而田間手寫編號既花費時間又易寫錯編號，因此利用熱轉(zhuǎn)印打印機將小區(qū)編號、測試編號及對應(yīng)的條形碼打印在環(huán)形扣標(biāo)記牌上。在玉米抽雄期，將打印好的環(huán)形扣標(biāo)記牌纏綁在植株莖上，環(huán)形扣標(biāo)記牌采用PVC 材質(zhì)，防水、耐磨，到果穗收獲時標(biāo)記牌及打印的信息依舊完好無損，還可根據(jù)植株莖粗調(diào)節(jié)環(huán)形扣直徑的大小，使用時也可做到輕松解綁。

1.3 雄穗測量儀的創(chuàng)新應(yīng)用針對玉米雄穗的測量性狀，采用激光測距技術(shù)，研制了雄穗測量儀，由3 個長55cm 的激光測距裝置盒、外接數(shù)字鍵盤、掃碼機和雙屏一體機構(gòu)成。掃碼機掃描環(huán)形扣標(biāo)記牌上的條形碼，測試編號、小區(qū)編號會自動存儲在電腦中，激光測量的雄穗主軸（側(cè)枝）長度顯示在電腦中，其精度達0.1cm，基于雄穗實際長度的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。測量可3 人同時進行，互不干擾，采用雙屏一體機方便所有測試人員實時查看數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)有誤也可進行刪除，保障測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。雄穗一級側(cè)枝數(shù)目的計數(shù)通過數(shù)字鍵盤輸入到電腦中。雄穗測量儀的創(chuàng)新研制減少了傳統(tǒng)測量過程中的報數(shù)和記錄過程，測試效率提升3 倍，并減少了人工測量的人為誤差。

1.4 玉米穗位高度、植株高度測量儀的創(chuàng)新應(yīng)用玉米的穗位高度、植株高度（以下簡稱穗位高、株高）數(shù)據(jù)獲取，現(xiàn)在還依賴人工塔尺測量，測量方式粗放、效率低、人為誤差大，因此研發(fā)了一款便攜、快捷的玉米穗位高、株高測量儀的樣機，采用激光測距原理，將移動標(biāo)尺移動到穗位高度或植株高度的位置，即可語音報數(shù)確認數(shù)據(jù)儲存到芯片中，數(shù)據(jù)測量精度滿足玉米DUS 測試指南的要求。目前，該測量儀還存在一些不足，如易受環(huán)境影響、穩(wěn)定性差、工作時長較短等，因此，可廣泛應(yīng)用的工程樣機還有待進一步開發(fā)。

1.5 可移動樣品風(fēng)干架的創(chuàng)新應(yīng)用收獲的玉米果穗需要存放在避光陰涼處進行風(fēng)干脫水后才可測試，堆放在一起，不易翻找，且極易發(fā)霉。對此，利用平板小推車的原理，將多層倉儲置物架安裝萬向腳輪，研發(fā)出可移動樣品風(fēng)干架，長1.68m、寬0.5m、高2m，分為4 層，可將多個樣品風(fēng)干架并列排放在一起，每層按照小區(qū)編號的順序貼上標(biāo)簽，收獲的玉米存放在對應(yīng)的層板，存放期間玉米通風(fēng)良好，翻找方便，可輕松推移，對于樣品的出入庫非常方便。

1.6 果穗測試平臺的創(chuàng)新應(yīng)用玉米果穗的DUS測試工作包括果穗測量、脫粒后的目測，以及果穗切段取樣的拍攝。傳統(tǒng)的果穗測試工作，由于脫粒過程中產(chǎn)生的灰塵多、噪音大等原因需要在不同的測試間進行，需要反復(fù)搬運測試樣品，也不便于測試員之間的溝通，影響了測試效率。針對以上問題與需求，研制出流水線式的一體化果穗測試平臺，平臺包括果穗測量平臺、果穗脫粒機、果穗切段機、移動拍攝平臺，測試人員根據(jù)流水線的工作內(nèi)容進行職能分工，保證測試效率最大化。

1.6.1 果穗測量平臺果穗測量平臺由電腦、果穗觀測臺、果穗長度直徑測量槽、激光測距儀組成。將玉米放到果穗觀測臺上，將穗行數(shù)計數(shù)后的數(shù)據(jù)存儲在電腦中，再利用激光測出一組（10 穗）果穗的長度與直徑，數(shù)據(jù)自動存儲在電腦中，可精確到0.01cm，操作便捷，省力省時。

1.6.2 果穗脫粒機測量完畢的果穗直接沿連接的滑道進入脫粒機中進行脫粒。電動玉米脫粒機做了封閉式處理，能夠有效防止灰塵飛揚場面的發(fā)生，不影響其他測試操作。并在脫粒機內(nèi)加裝了減震和隔震降噪裝置，使脫粒時產(chǎn)生的噪音由130 分貝降低到80 分貝以下，不會干擾到測試員在果穗測量臺的穗行數(shù)報數(shù)等測試活動。脫粒機的出口端放置托盤盛接穗軸和籽粒，用以測試籽粒的目測性狀，從中再選擇一個有代表性的穗軸用以拍攝標(biāo)準(zhǔn)照片。

1.6.3 果穗切段機脫粒的同時，拍攝人員在測試完畢的玉米中選擇1 穗有代表性的玉米橫向切段取樣作為拍攝樣品，樣品需要呈現(xiàn)籽粒背面主要顏色、籽粒形狀等性狀。而用刀或鋸人工切割速度慢，且難以保證穗軸和籽粒的完整狀態(tài)，并且迸濺的籽粒影響測試場地衛(wèi)生和玉米標(biāo)準(zhǔn)照片的拍攝要求。嘗試使用鋸骨機等切割設(shè)備，但又存在一定的危險性。因此研制了雙鍘刀式果穗切段機，刀間距離5cm，推桿動力100N，入料口直徑6cm，附有回收斗、導(dǎo)流槽等結(jié)構(gòu)。鍘刀由取樣器外殼保護，玉米果穗放進入料口后，進刀時避免了人體與刀刃和機械結(jié)構(gòu)的直接接觸，退刀后切好的5cm 穗軸段被推送到樣品槽中，便于取用，剩余部分被推送到廢料槽中。操作過程省力且安全，切段效果滿足拍攝標(biāo)準(zhǔn)照片需要的性狀要求。

1.6.4 移動拍攝平臺移動拍攝平臺主要用于拍攝玉米完整果穗、穗軸和果穗截段。移動拍照平臺主體由醫(yī)療移動車和橫置中軸組成，橫置中軸安裝在醫(yī)療移動車的頂端，在橫置中軸上安裝相機及云臺，可垂直向下拍攝，物距大小也可調(diào)節(jié)。這樣可以保證拍攝時固定的物距，又代替了拍攝者手拿相機，省力的同時也避免人為手抖導(dǎo)致照片模糊。在橫置中軸上加裝單反相機監(jiān)視器，通過數(shù)據(jù)線連接相機，既可以擴展相機取景，又可以回看照片。另外，根據(jù)需要也可以靈活配置數(shù)據(jù)采集器、平板電腦等設(shè)備，便于查看測試品種的性狀代碼，查看對比照片。移動車的置物板可以收納鏡頭蓋、數(shù)據(jù)線、備用電池等拍攝配件，移動車自身裝有4 個萬向輪，移動方便靈活，可隨意移動拍攝位置。

2 玉米DUS 測試拍攝方面的創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 玉米雄穗取樣剪的創(chuàng)新應(yīng)用玉米雄穗標(biāo)準(zhǔn)照片的取樣部位為雄穗主軸中間部分，研究的玉米雄穗取樣剪可以將雄穗主軸統(tǒng)一剪取7.5cm 的長度。將剪刀型雪茄剪的動刃鉆孔并插入8cm 長的全牙長螺絲釘，用防松螺母固定，螺絲釘?shù)牧硪欢斯潭ú馁|(zhì)為304 不銹鋼、直徑為5cm 的金屬片，這樣雄穗首尾剪取2 次，所得長度即為刀刃到金屬片之間的固定距離。此取樣剪尺寸小、重量輕，便于攜帶，硬度高，刀刃持久、不生銹，剪取固定長度的雄穗主軸，使拍照效果更理想。

2.2 背景板的創(chuàng)新應(yīng)用拍攝玉米雄穗和果穗標(biāo)準(zhǔn)照片所需要的背景板，經(jīng)過一系列的創(chuàng)新，最終研制出一款具有防水、可擦拭、重量輕、鋼性好、不變形、無需攜帶刻度尺等優(yōu)點的背景板。此背景板采用了碳纖維的材質(zhì)，厚0.2cm，在背景板上印刷50cm 的水平標(biāo)尺和39cm 的垂直標(biāo)尺，不需要額外攜帶刻度尺。背景板的顏色設(shè)計為中性灰，顏色柔和，突出拍攝主體，在標(biāo)尺的內(nèi)部印刷了白色的交叉網(wǎng)格線，網(wǎng)格大小為1cm×1cm，擺放拍攝樣本時可以沿網(wǎng)格線對齊設(shè)定位置，輔助拍攝者構(gòu)圖，同時，樣本某個性狀的大小可以參照內(nèi)部的網(wǎng)格，印刷的刻度尺及網(wǎng)格線也不會因田間日照、溫濕度等影響褪色，使用年限持久。

2.3 玉米植株拍攝的創(chuàng)新應(yīng)用針對玉米植株的拍攝要求，對植株樣本的拍攝進行了改進創(chuàng)新。先用往復(fù)式電鋸將玉米植株連帶15cm 的根系鋸出，粉刷中性灰的墻面上下鉆入2 個深度為5cm 的釘孔，相距85cm，長型膨脹螺絲穿入植株莖內(nèi)使其豎直懸掛在墻面，植株的左側(cè)豎立3.5m 的塔尺作為參照，這樣拍攝的標(biāo)準(zhǔn)照片可以保證植株樣品的完好，植株所有的性狀全部呈現(xiàn)出來，照片只有拍攝主體與參照尺，呈現(xiàn)的畫面效果更加美觀。

2.4 照片處理器的創(chuàng)新應(yīng)用在DUS 測試中，拍攝的標(biāo)準(zhǔn)照片需要后期的加工處理，包括裁剪、添加測試編號的標(biāo)簽等，這樣才能更好地呈現(xiàn)出測試植物的性狀。但利用計算機的畫圖工具和Photoshop軟件處理照片同樣操作繁瑣，工作量大，而且人為因素可能造成照片之間加工處理的標(biāo)準(zhǔn)有差異。對此，設(shè)計了一款依附于Photoshop 軟件的插件，可以實現(xiàn)一鍵打開多張照片，自動統(tǒng)一圖片的像素和大小，智能快速添加標(biāo)簽，自動生成并保存標(biāo)準(zhǔn)照片，并以測試編號命名。

3 玉米DUS 測試數(shù)據(jù)處理方面的創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 植株穗位高與株高比率計算方法的創(chuàng)新應(yīng)用DUS 測試的數(shù)據(jù)處理也是一項非常重要的工作，基于Excel 表，利用已有的穗位高與株高數(shù)據(jù)，需要計算出所有品種20 組的穗位高與株高比率（以下簡稱穗位株高比）。如圖1 所示，穗位株高比傳統(tǒng)的算法是先計算一個品種的第1 組數(shù)據(jù)，然后橫向向右拖動完成一個品種的20 組穗位株高比，所有的品種以此類推。經(jīng)研究，先選中整個測量數(shù)據(jù)區(qū)域，按下Ctrl+G，定位條件選擇“空值”后會定位選中數(shù)據(jù)區(qū)域中的所有空值，再輸入“=C2/C3”即穗位高/株高，最后按下Ctrl+Enter，即可將所有品種的20 組穗位株高比全部計算出來。在基于Excel 數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，利用空值定位與批量填充功能，可以批量快速地計算穗位株高比，此操作用時不到30 秒，而且避免了人為的誤操作。

圖1 穗位高、株高、穗位株高比數(shù)據(jù)演示

3.2 葉片長度、葉片寬度數(shù)據(jù)錄入方法的創(chuàng)新應(yīng)用玉米的20 組葉片長度（以下簡稱葉長）、葉片寬度（以下簡稱葉寬）數(shù)據(jù)，由2～3 人測量，同時1 人將所測數(shù)據(jù)錄入計算機的Excel 表中，由于測試量大，工作時間久，在田間錄入數(shù)據(jù)時，容易出現(xiàn)葉長葉寬上下順序顛倒的情況。為避免后續(xù)再次核對，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可將葉長數(shù)據(jù)錄入在偶數(shù)行，葉寬數(shù)據(jù)錄入在奇數(shù)行，根據(jù)葉長大于葉寬的數(shù)據(jù)規(guī)律，編輯mod 函數(shù)的嵌套公式突出顯示奇數(shù)行大于偶數(shù)行的數(shù)據(jù)。具體操作從第3 行的葉寬數(shù)據(jù)向下選中所有錄入數(shù)據(jù)的區(qū)域，在條件格式中新建規(guī)則，選擇規(guī)則類型為使用公式確定要設(shè)置格式的單元格，輸入公式“=（C3＞C2）*mod（row（），2）”，并為符合此公式的值設(shè)定格式為黃色填充，公式意為當(dāng)奇數(shù)行數(shù)據(jù)大于偶數(shù)行數(shù)據(jù)，則填充黃色，這樣就避免了葉長、葉寬的數(shù)據(jù)錄入顛倒，如圖2 所示。

圖2 葉長、葉寬數(shù)據(jù)演示

4 結(jié)論

創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，將創(chuàng)新理念貫穿到DUS 測試工作中，打造自動化、智能化、規(guī)范化的測試，進一步提高DUS 測試技術(shù)水平，支撐品種管理，推進種業(yè)振興發(fā)展。但在探索DUS 測試的工具創(chuàng)新研究中還存在很多問題，DUS 測試作物較多，工作中還有許多地方需要改進創(chuàng)新，很多測試手段依然比較落后；各分中心工具創(chuàng)新的研制較為零散，相互之間的合作交流較少；DUS 測試工具應(yīng)用市場有限，相關(guān)科技企業(yè)不愿介入，研發(fā)技術(shù)水平較為落后。

因此，應(yīng)該加強各分中心的交流合作，創(chuàng)建完整的工具創(chuàng)新體系，加強與相關(guān)科技企業(yè)之間的合作，利用高新技術(shù)開展測試工具創(chuàng)新，拓寬應(yīng)用市場，不局限于DUS 測試工作，將DUS 測試創(chuàng)新工具應(yīng)用滲透到品種資源與作物育種等相關(guān)行業(yè)，這樣才能更好地服務(wù)于中國種業(yè)，也將中國的DUS 測試工具推向國際舞臺。