CN1242256C - 用于分析和改进农产品的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分析农作物产品的方法和设备。更具体而言，本发明涉及一种用于快速、非破坏性分析一或多种种子的理化性质的设备和方法。

Description

用于分析和改进农产品的设备和方法

技术领域

本发明涉及分析农产品的设备和方法。更具体地，本发明涉及快速、非破坏性分析一或多种种子的理化性质的设备和方法，以及繁育植物以产生具有期望理化性质的新植物的方法。

背景技术

成分增强(compositionally enhanced)农产品的育种要求分析植物的大量种子样品，以鉴定具有期望成分和农艺学性状的植物，供使用或发育到下一代。结合适当的育种方法如重复选择，对单个植株或穗分析大批种子的某种性状，如高油或高蛋白含量，经常需要考虑将这些性状选择和引入商业种群中。尽管可用多种方法分析这些种子，但是最需要的是快速、低成本和非破坏性的方法。

磁共振成像(MRI)基于非侵入光谱学技术，如核磁共振(NMR)。NMR要求待检测的样品含有能表现出核自旋的原子，这个固有的性质使得原子核具有磁性。可绕核旋转的最常见的原子是氢原子，其原子核是能自旋1/2的质子。典型的质子核磁共振(1H NMR)试验包括将要研究的样品置入一个强的均一的磁场。强磁场使得样品中的质子优先排列，即一种类似于磁性指南针指向地球磁场的现象。在一个简单的现代“脉冲-核磁共振”试验中，另一个磁场(射频或RF场)瞬时作用于样品，它具有使排列好的质子旋转至一个更高能量状态的作用，这个磁场与强磁场垂直(这被称为90度脉冲)。当它们在强磁场中重新排列时，这些质子以特有的速率产生进动，从而在一对线圈中诱发电流，该线圈可作为检测器。以时间函数测量检测线圈中的电流，由此可推知样品中质子的进动速度。进动速度首先取决于强磁场的强度(磁场越强进动速度越大)，但每一个质子所处的独特分子环境对进动速度也有影响。NMR试验中研究的对象正是这种独特的分子环境。

在一个稍微复杂的现代脉冲NMR试验中，由多种分子环境引起的信号的复杂性可被消除，仅剩来自被选中的分子环境子集的信号。这种方法称为“旋转-回波”试验，可被用于，例如含有水和油的混合物的样品，用其减少来自水分子中质子的信号，仅剩下来自油分子中质子的信号。这可通过应用一系列的90度和180度的RF脉冲来实现，而且商业设备代表性地附有软件用于控制设备正确执行脉冲顺序。

低场脉冲NMR方法依赖于将油与种子中其它成分相区别，基于油和其它质子化活性种在纵向和自旋-自旋核驰豫速率上的固有区别。用于检测油的NMR方法已标准化，其无破坏性，功能强大，产生既准确又可重复的结果。用于检测油含量的MRI方法基于与脉冲NMR研究同样的物理原理。区别在于MRI提供空间编码的NMR信号，以图像格式而不是传统的NMR谱来显示数据。

传统的NMR研究和MRI方法在检测单一种子中油的含量时存在另一个相似处。两种方法都通过将实验结果与校对标准比较，以百分比(wt/wt)提供种子相对的油含量，这是比较单一种子中油含量的普遍接收和有用的方法。见Tiwari等，″Rapid and nondestructive determination of seed oilby pulsed nuclear magnetic resonance technique，″J.Am Oil Chem.Soc.51：104-109(1974)。由于小部分的NMR信号强度在整合入数据获取图的时间延迟中丢失，所以只获得了相对数。这个相对数可通过归一化用独立的油测量法测定特定数量种子所得数据而校准为绝对数，例如，一定数量种子测量所得油值的平均数设定为用大批量种子测定所得的油值，所有单一的种子也做相应的调整。绝对油数值也可通过NMR光谱学和MPI方法在分析中使用种子标准物获得。这种情况下，由于种子标准物与试验种子的核驰豫性和蜡状物含量更接近地匹配，种子的油含量可绝对确定。然而，绝对油数值用于比较种子之间的相对油量时不够精确。见G.Rubel，″Simultaneous determination of oil and water contents indifferent oilseeds by pulsed nuclear magnetic resonance，″J.Am.OilChem.Soc.71：1057-1062(1994)。

最好的NMR设备需要非常均一的磁场，而MRI仪器用三级磁体诱发场梯度(根据位置变更磁场强度)。梯度磁体比强磁体弱很多，但它们足以在样品的不同部分引起可分辨的质子进动速率。现代的MRI仪器脉冲不仅有RF场，也有梯度场，用于选择性地使样品特定区域的质子旋转和选择性地对其进行检测。不同频率成分(进动速率)的信号强度测量值表示在样品中不同位置的质子密度和驰豫时间(使特定质子恢复到其起始的低能量状态并在强磁场中重排所需的时间，又称纵向驰豫时间，相对于其它质子由于自旋-自旋驰豫产生进动移相或相位差)。

MRI方法为性状提供直接检测，例如油含量，由此提供一个不依赖于化学量度模型的初步检定。从而可以构建三维图像，图像中不同点的强度与样品中位于这些点的质子密度及驰豫时间相关。此外，由于不同的分子环境导致不同的进动频率，样品中每一个点的分子环境可被确定。这种方法称为“化学位移成像”(CSI)。

CSI的另一个替代方法是“旋转-回波成像”(SEI)。在这个试验中，一类质子可以被选出(根据其移相速率)，来自其它所有质子的信号可被抑制。例如，如果样品含有空间上分离的油和水，SEI试验直接检测油，产生的图像只显示样品中可找到油的区域。

MRI是一种熟知的非侵入性的放射技术，通常用于医学科学中。通常认为长波长(无线电波)放射线的有害性低于用于其它类型的非侵入性放射技术中的放射线形式，例如X射线计算机轴向断层摄影(CAT)扫描。早在1988年，MRI技术就开始用于研究植物。见Lakshminarayana等″Spatialdistribution of oil in groundnut and sunflower seeds by nuclearmagnetic resonance imaging，″J.Biosci.17(1)：87-93(March 1992)(在下文中Lakshminarayana等)(描述了自1992年起MRI用于研究植物、种子和植物组织的历史)。Lakshminarayana等描述了一个实验，其中MRI用于单一种子，检测单一种子样品中油和水的空间分布。他们使用旋转回波脉冲顺序选择性地检测仅为油分子部分的质子。MRI也用于研究干芸豆的水吸收，见Heil等″Magnetic resonance imaging and modeling of water up-take into dry beans，″Lebensm.-Wiss.u.-Technol.25：280(1992)。

SEI和CSI MRI都用于研究脂质在美洲山核桃胚乳中的成像，Halloin等，″Proton magnetic resonance imaging of lipid in pecan embryos，″J.Am.Oil Chemists′Soc.70：1259(1993)。这些实验研究美洲山核桃胚乳正常的、被真菌感染后的及被昆虫损坏的成像区别。CSI MRI实验显示了美洲山核桃胚乳中脂质和水的分布。

其它的MRI技术为本领域技术人员所共知。一个例子为驰豫成像，或驰豫时间绘图。这种技术中，被成像样品的不同区域根据不同区域中质子驰豫时间的不同而区分。

种子的MRI实验已传统地用研究级的MRI仪器进行过，例如，BrukerAMX-400 9.4Tesla仪，有一个直径8.9cm的孔(Bruker Instruments Inc.，Billerica，MA)或GE Omega system 7.1 Tesla仪，有一个直径15cm的孔(General Electric，Milwaukee，WI)。这些仪器代表性地都具有大小几个厘米的孔，因而可用于研究比孔尺寸还小的样品。这些仪器小刻度的优点在于检测线圈接近被研究的样品，因此它们的敏感性很高。更大的研究级MRI仪器也存在孔大小和直径20-50cm的检测线圈，例如，Bruker Biospec II4.7Tesla，孔直径40cm(Bruker Instruments，Inc.，Billerica，MA)。这些仪器用于鼠和其它小动物的成像。另一方面，临床MRI仪器必须有足够大的能够容纳人体的孔尺寸和检测线圈。例如，Siemens(Siemens AG，Erlangen，Germany)和GE Medical Systems(Milwaukee，WI)制造的宽范围的临床仪器，它能容纳直径50cm甚至更大的物体。某些新的系统(其永久性磁体的磁场低于0.2Tesla)不受孔尺寸的限制，但受线圈直径的限制。但在传统的超导装置中大直径的检测线圈，和新的永磁系统一样，使这些临床仪器不适合成像小的样品，如种子。检测线圈与小样品间的长距离加之小样品固有的弱信号发射，使得临床用MRI仪器用于定量成像小样品不可行。假如大的MRI仪器可用于检测来源于小样品的信号，那么小孔尺寸的研究用MRI仪器的小体积不能同时像临床用MRI仪器一样为大量的种子成像。

用耗时的技术来寻找适合的特征对于选择性的植物育种程序特别不利，为了能在下一轮栽培前进行种子选择，许多单一的种子需进行快速扫描。为种植者提供分析结果的延迟会引起整个种植周期的损失。

非成像技术如IR光谱具有更大的缺点，它仅从样本总体的一个子集收集信息，通过点取样获取大批量种子样品中少量种子的仅部分成分。而且，由于点取样获取的是种子的任意部分，样品中种子的不同组织不能被分析数据代表。由于油量等性质在不同组织中存在不同的量，非成像技术不能准确评估期望性质。非成像技术忽视了空间信息，不能为种植者提供关于大小、形状、机械损伤、昆虫侵害或真菌损伤等信息。

传统的种子分析技术也不能为单种子分析提供可极大地提高品种发展速度的有效方法。单种子分析对于从种子的异源总体中区分和选择单一种子是必需的，这在育种中经常遇到。单种子分析减少了培育出具有期望性状植株所需的培育代数。单种子选择也降低了所需单一植株的数量。例如，在玉米中，在单种子水平鉴定单个种子的期望性状比在整穗水平鉴定使所需育苗降低100倍。这使得用相同资源进行极大量的育种成为可能。

其它传统的分析技术，例如气相色谱，也不能为单种子分析提供有效方法。例如用传统方法对菜籽进行单种子分析，需手工将每一粒种子的一半切除，用气相色谱进行脂肪酸分析，而另一半用于种植。由于是手工制备样品和这种分析技术的低处理能力，用这种方法每小时仅能处理很少量的样品。而且，这种技术需考虑破坏性分析后的种子能够长成成熟的、能育种的植株的可能性。

尽管想要进行单种子分析，但是传统的途径和取样方法不适合有效地处理单个种子。传统技术需要大量的手工投入，其限制了表现出改良性状的植物发展的速度。

传统的分光光度计分析技术不适合种子的不同组织中化学成分水平的确定。传统的方法，例如手工切开种子进而用传统分析技术进行化学分析，不仅费力而且具有破坏性，由于切割单个种子所得到的样品大小低于用大多数传统技术能获得可靠结果的样品大小，所以只能对成分进行不佳的分析和定量。

本领域所需要的是能快速分析大量和单个种子的设备和方法，其能有效地且非破坏性地分析单个种子的形态和化学特征，且它能整合到某种农用处理机器中。本发明提供了这样的设备和方法。

发明简述

本发明提供快速、非破坏性分析任何样品的设备和方法，对某一单个样本或大量样本用磁共振成像以确定样品中样本的某一性状是否存在，用MRI分析获得的信息从可能表现出这些特征的一组候选物中选择具有这些特征的个体。

本发明进一步提供快速、非破坏性分析一或多种种子或植物组织的理化性质的设备和方法，并用这些分析选择性地繁育具有一种和多种期望特征的植物。用MRI对样品中的一个或多个种子进行分析以检测样品的一种或多种特征。表现出期望特征的种子可从被分析的许多种子中选出进行培育。本发明对观察昆虫或真菌侵袭，种子的形状和种子的损伤也是有用的。

本发明包括并提供一种方法，以确定是否某一种子表现出某一性状，包括：(A)在取样装置中提供种子；(B)产生种子的磁共振图像；(C)对所述性状分析磁共振图像；和(D)基于分析，确定种子是否表现出所述性状，其中磁共振图像用孔尺寸大于20cm的磁共振成像仪器获得。

本发明包括并提供一种方法，以确定包含许多种子的样品中的任何种子是否表现出某一性状，包括：(A)在取样装置中提供样品；(B)产生样品的磁共振图像；(C)对所述性状分析磁共振图像；和(D)基于分析，确定样品中的种子是否表现出所述性状，其中确定步骤包括将种子同相应的图像体积元素相联系，并且其中磁共振图像用孔尺寸大于20cm的磁共振成像仪器获得。

本发明包括并提供一种方法以选择性地繁育植物，包括用磁共振成像装置为一个或多个种子成像，分析一个或多个种子的图像以确定一或多个种子中的任何一个表现出一种或多种性状，根据是否表现出一或多种性状选择一或多个种子，种植表现出一或多种性状的一或多个种子，培育得到的植株相互之间或与其它植株交叉受精。

本发明包括并提供一种方法，使用于测量含种子样品的特征的磁共振成像装置中的场-视图参数和场梯度最优化，包括：(A)选择一个能够覆盖整个样品的视野；(B)选择大量图像层，(C)选择一个图像层厚度，(D)在每一图像层内选择大量图像像素，其中图像层数目乘以图像层厚度大于待成像样品的高度，图像层厚度低于种子的厚度，并且图像像素的数目足以抑制像素间的串扰。

本发明包括并提供一种磁共振成像实验的取样装置，包含一个支架和多个板，其中每个板包含多个孔并可滑动地堆叠，并由所述支架固定，其中支架和多个板由能够进行磁共振实验的材料组成。

本发明包括并提供一种用于测量农产品性质的装置，包含：用于提供样品的取样装置，用于为样品成像的磁共振成像仪器，其中磁共振成像仪器的孔尺寸大于20cm，其中样品具有的感应系数相当大程度上低于近似体积的水，并且其中安装或重新调谐磁共振成像仪器的检测和RF线圈使之对样品敏感。

本发明包括并提供一种用于测量农产品性质的装置，包含：用于产生样品的处理装置；用于提供样品的取样装置，其中取样装置可以接收来自处理装置的样品；和磁共振成像系统，其中该系统可以分析取样装置中的样品。

本发明包括并提供一种用于测量农产品性质的装置，包含：用于提供样品的取样装置，磁共振成像系统，其中该系统可以分析取样装置中的样品；和将样品分为两个或多个不同组的分拣装置，其中分拣装置可以接收来自取样装置中的样品。

本发明包括并提供一种用于测量农产品性质的装置，包含：用于产生样品的处理装置；用于提供样品的取样装置，其中取样装置可以接收来自处理装置的样品；磁共振成像系统，其中该系统可以分析取样装置中的样品；和将样品分为两个或多个不同组的分拣装置，其中分拣装置可以接收来自取样装置中的样品。

附图简述

图1显示具有不同油含量水平的四种不同玉米粒的高分辨率MRI图。这些图显示玉米粒A(油占重量的18.4％)油含量较玉米粒B(油占重量的7.8％)高，玉米粒B油含量较玉米粒C(油占重量的5.7％)高，玉米粒C油含量较玉米粒D(油占重量的2.8％)高。这些图用的是旋转-回波脉冲顺序，它仅使质子成像，其为油分子的一部分。越暗的区域代表油含量越高，而越亮的区域代表油含量越低。

图2是框图，详细描述了从最初的包含多层种子的样品立方体中收集数据，到样品中每一个种子油含量占重量百分比的排列产生的步骤。该框图显示了可用于从MRI实验中获取原始数据到产生样品立方体中的每一个种子以油含量占重量百分比形式表示的种子的最终数据排列的步骤。首先，从样品立方体中收集三维数据组产生三维的图像数据立方体101(见图3，即为图像数据立方体示例)。用图像分析软件例如IDL(交互式数据语言)将含有数据立方体的102片结合成一套二维图像103，这里每一个产生的二维图像对应于一层样品立方(见图4a，一层图像的一个可视化表示法)。也可用其它的图象分析软件，这类软件的例子对熟知图象分析领域的人是共知的。根据用第一层图像计算出的信噪比，图象分析软件给每一层图像使用一个阈值过滤器104以产生一个“清晰”的层像(见图4b，代表使用阈值过滤器后产生的一层图像)。对于该步骤有用的其它过滤器为本领域技术人员所熟知。接着图像分析软件可用于定位每一图像层106中单个种子的边界，使用一种边界检测过滤器或其他图像分析领域用于定位图像中物体的、为本领域技术人员所熟知的另一种过滤器，可获得在样品立方体107的每一层内每一个种子的清晰二维图像。其次，图像分析软件可用于整合样品立方体108每一层中的每一个种子的MRI图像强度。整合的强度作为原始数据贮存，原始数据的每一个单位是对应于样品立方109中每一个种子的整合强度。最后，贮存在原始数据中的信息与样品立方体110中每一个种子重量的信息相结合，计算出样品立方体中每一个种子中油占重量的相对百分比。这个计算结果存入处理数据，这里处理数据的每一个单位对应于样品排列111中每一个种子中油占重量的相对百分比，但该百分比未就主磁场的不完整性，脉冲-场梯度，不均一RF检测线圈做过校准，仅总体上称之为场缺陷。该数据进行进一步处理，通过将标准化种子的标定MRI强度与已知的油含量整合来校准场缺陷，获得一批含有样品立方体中每一个种子相对油含量的数据。

图3显示来自于玉米种子的12层样品立方体的原始数据，每一层含有12个板，每个板有24个孔，共3456粒种子。

图4a是对应于样品立方体每一层的数据立方体的若干切片的综合数据，显示了288粒种子的数据。

图4b表示图4a经“阈值”过滤器后的数据。

图5显示了本发明中建立MRI扫描实验必需的步骤。显示了用于高分辨率MRI实验的样品预分析的基本步骤。首先，单个多孔板放入要研究的种子。两个实施例中显示，玉米粒装入48孔板，大豆装入96孔板。更小的样本装入孔更密的板中，例如菜籽种子可装入960孔板。接着，板堆叠成多层形成样品立方体。本图中，有两套四层的八孔板。更大的样品立方体也是可能的(例如12或更多层是可能的)，但在这个特殊例子中，检测线圈尺寸是一个限制因素。样品立方包裹在RF线圈内，然后将其置入MRI磁体中。于是准备好可进行实验。

图6比较了本发明中高分辨率的MRI扫描实验(图6a)和本发明中高通量的MRI扫描实验(图6b)。该图清楚阐明了临床用MRI仪器比研究用的MRI仪器更适合于较大的样品立方体。在图6a中，研究用仪器的RF线圈限制了样品立方体的尺寸，本例中为两堆5层48孔板，共480粒种子。研究用磁体(4.7T)的更高磁场强度允许更高分辨率的图像，但是高分辨率的图像需要更长的获取时间(3小时)和更小的样品体积。另一方面，临床用仪器例如图6b所示，能够容纳更大的样品立方体。在该例中有12堆12层24孔板，共3456粒种子。而临床用仪器与研究用仪器相比，并不是用于获取更高分辨率成像的最适系统，而更适合于高通量成像。与研究用仪器相比不仅可同时为7倍以上的种子成像，而且低分辨率成像实验仅需18分钟，是高分辨率成像实验所需时间的十分之一。因此在本例中，使用临床用仪器在给定的时间内能分析用研究型仪器所分析种子数的70倍。通过改变获取数据的参数，临床用仪器也可以获得高分辨率图像。但这个改变显著增加了获取数据所需的时间。

图7表示本发明取样装置的两个实施方案。这些实施方案仅是用于大量样品立方体许多可能的不同设计中的两个，其中的每一个都适合用于临床用MRI仪器。

图8为一图表，表示用MRI和用红外(IR)光谱测量油含量之间的相关性。

图9为一图表，表示在同一天中的两个不同时间，MRI分析同一个种子油标准物，其油含量结果的比较。

图10为一图表，表示不同的两天中，MRI分析同一个种子油标准物，其油含量结果的比较。

图11为一图表，表示两台不同的MRI仪器分析同一个种子油标准物，其油含量结果的比较。

图12为百分比标准误差图，相对于位于一个校对标准立方体的九层中每一层的每个孔的平均数。

发明详述

本发明是对已存在的测量种子性状的MRI技术的改进，并且进一步提供了选择性地繁育植物以改善性能如种子油含量的方法。本发明提供了用临床(或其它大的孔)MRI设备分析小样品如种子的方法。更小的研究级MRI磁体的孔尺寸和射频以及检测线圈直径都要远小于临床级和更大研究级MRI磁体的相应尺寸。这一差别对于测量小试样如种子的性状既有益处也有坏处。研究级设备的一个优点是检测线圈更靠近要研究的样品，因此仪器的灵敏度更高，信噪比更高。但是，一个明显的缺点是小孔研究级设备中有效体积固有地更小。这里的有效体积定义为设备内部体积，待测样品置于其中，可以获得样品图像而无明显失真。成像体积受到，例如强磁场均一性、场梯度线性、射频检测线圈均一性的限制。仪器内部任何区域的强磁场非均一性、场梯度非线性和射频检测线圈的非均一性(这里一并称为“场缺陷”)会导致这些区域所得图像的失真。这些类型的小的失真，例如，可以通过校准场缺陷或后-图像获得数据校准来补偿，但是仪器内部总有一些区域的失真基本上不能校准，这些区域获得的数据也不能采用。临床级仪器比研究级仪器有更大的有效体积。例如，典型的小孔研究级仪器(例如，带有9cm孔)的有效体积为直径为4cm，长度为4cm的圆柱体，而临床级仪器，设计成基本上可容纳人体各个部分，有效体积为直径25cm，长度30cm的圆柱体。因此临床级仪器的更大有效体积可以容纳更大的采样设备。例如，图6a表示了用于中等孔研究级仪器的采样立方体。其尺寸近似为15cm×20cm×12cm，可容纳480颗种子。图6b表示了用于临床级仪器的采样立方体。其尺寸近似为30cm×35cm×30cm，可容纳3456颗种子。不考虑仪器间除有效体积之外的其它所有差别，临床级仪器中能够同时分析7倍数量的种子。

为了能够从利用临床级仪器的更大有效体积去分析小样品如种子中受益，还必须克服几个障碍。一个需要克服的障碍是认识到必须安装检测和射频线圈，或者必须重新调谐检测和射频电路以解决种子样品(具有较小的感应系数)和人(具有较大的感应系数)之间的感应系数差别。

当磁成像样品包含样本如种子时，有三个困难的相关问题。第一个问题是有机物质的磁化系数同空气有很大的不同。因此一个样品的种子间的空气带、种子和采样设备的介入塑料材料间的空气带将会因为磁场线的突然空间变化而导致均一磁场的失真。这些强磁场失真会导致一个样品不同区域的磁场强度变化。因为样品的不同区域经历了不同磁场，这些不同区域的相同质子以不同的速率进动。这会导致移相次数的减少，移相次数的减少又会导致信号强度比不存在磁化系数差异情况下更快地损失。

第二个难题是磁成像样品如种子在场梯度中呈非线性。场梯度非线性会在将样品中的真实区域描绘成样品图像中的体积元素时产生困难。极端情况下，某些非线性使得图像数据难以处理。梯度非线性对于大样品经常出现，因为线性梯度很难在较长距离上保持。

第三个难题是磁成像样品如种子在射频检测线圈中呈现非均一性。射频非均一性会在将样品中真实区域定量成样品中检测材料的水平时遇到困难。极端情况下，这些非均一性使得图像数据难以处理。射频检测器非均一性尤其会出现于较大样品，因为均一性场更难在较长距离上保持。

用MRI分析种子的方法

本发明的一个方面是提供确定是否一粒种子表现出性状或种子样品中任何种子表现出性状的方法。在本发明的这个方面中，使用取样装置提供用于MRI设备分析的种子或种子组样品。使用MRI设备提供种子或种子组样品的图像。分析得到的图像，依据分析确定性状存在与否。

任何种子都可应用于本发明的方法或装置中。在一个优选的实施方案中，种子选自下面的组：紫花苜蓿种子、苹果种子、香蕉种子、大麦种子、豆种子、野菜种子、蓖麻种子、柑橘种子、苜蓿种子、椰子种子、咖啡种子、玉米种子、棉花种子、黄瓜种子、花旗松种子、桉树种子、火炬松种子、亚麻仁种子、瓜种子、燕麦种子、橄榄树种子、棕榈种子、豌豆种子、花生种子、胡椒种子、白杨种子、辐射松种子、油菜籽、稻种、裸麦、高梁、南方松种子、大豆种子、草莓种子、甜菜种子、蔗糖种子、向日葵种子、苏合香种子、茶种子、烟草种子、西红柿种子、草种子、小麦种子、Arabidopsis thaliana种子。在更优选的实施方案中，种子选自棉花种子、玉米种子、大豆种子、稻种、油菜籽和小麦种子。在一更为优选的实施方案中，选择玉米种子。

样品

单独种子或成批种子可以使用本发明的方法和装置。种子组的一个“样品”是任何数目的种子和单个种子。在一个优选的实施方案中，一个种子组样品要大于10粒种子，更优选大于20，50，500，1000和10000粒种子。在再一个实施方案中，种子组样品可以按照其来源归类，如来源于某一穗、某一植物和植物杂交的种子。如这里所用的，样品是使用分析技术如MRI研究的对象或对象的集。一个样品包含一个或多个“样本”，样本是样品中研究的对象。本发明优选的样本是种子。

样品中单独的种子可以用本发明的方法同时分析。如这里所用的，“同时”意味着任何来自于单一分析的一套数据。单一分析可以是一次MRI实验或多次MRI实验的平均。这样同时分析可以是对一批种子的一个或多个性状的分析。同时分析也可以是一粒种子的多个性状的同时分析。在一个实施方案中，可以同时分析多于一个性状，例如，可以同时分析水和油含量。在一替代实施方案中，可以同时分析多于3，4，5或6个性状。在其它替代的实施方案中，可以同时分析5-10个或10-20个性状。在优选的实施方案中，MRI实验直接用于确定种子的油含量。

性状

本发明方法可以用于检测可以用磁共振测量的任何性状。在一个优选的实施方案中，性状是一生化特征。如这里所用，生化性状是任何可以影响农作物样品化学组成的性状。在一个实施方案中，生化性状选自油含量、蛋白含量、糖含量、淀粉含量、纤维含量和水含量。如这里所用，含量指的是组分的量，如每粒种子的5mg蛋白或每10克干重组织的5mg蛋白。优选的性状是相对油含量和相对水含量。最优选的性状是相对的油含量。

通过商业渠道收获、干燥、提升和运输谷物对核仁造成的损伤可以用本发明的方法确定。使用现代化的耕作技术，如使用采摘-剥壳收割机，导致了样品中核仁水分含量比样品在穗上干燥时更高。高的水含量需要使用超过80℃的人工干燥温度，此温度可造成应力开裂和核仁断裂。核仁断裂的标志包括，但并不限于，玻璃质和非玻璃质胚乳的比例、核仁密度、平均核仁重量、果皮产量和质量、核仁尺寸和形状。本发明的方法可用来确定断裂和断裂磁化系数，以及确定将这些问题降低到最低限度的理化性状。

在上面给出的任何单独种子和多个种子分析实施方案中，一次可以分析多于一个的种子性状。例如，可以同时研究对应不同化学位移或移相速率的性状、或化学位移和移相速率的范围以及在相同范围内具有累计效应的性状。而且，可以独立地分析单个种子的不同组织。使用光谱建模在两个组织间区分，临近图像体积元素的区域可以和种子或植物组织的任何部分联系起来，如，胚芽和胚乳。不同部分的光谱数据可以用来分析种子的不同组织。在优选的实施方案中，用来分析种子的相对油含量。

取样装置

取样装置可以用于提供样品。如这里所用，“提供”意味着任何将样品置于MRI设备的方法或任何在MRI设备中固定样品的方法。

在一个实施方案中，单一来源的种子一起用取样装置提供。单一来源可以是任何能提供具有相同遗传背景，如玉米穗、单株植物或单杂交产品的来源。用此方法，一批种子可以在取样装置中以随机提供组提供。如这里所用，在取样装置中“随机提供”一批种子是通过将种子分散在取样装置中而不管种子随后的取向或分离的特殊方式提供种子。例如，将一批100粒种子倒入大的、单个树脂玻璃盘中进行分析可称为“随机提供”。

如果取样装置不会明显影响磁共振测量，那么就可以使用它。取样装置包括，但并不限于，装置如树脂玻璃制备的容器，具有例如12，24，96或384孔，样品可以加载到孔中进行分析。可用于建造取样装置的其它材料对于从事磁共振成像的人员是熟知的。尤其优选的取样装置是包含多孔的平板，为了尽量增大一次成像实验中样本的数量，这些孔堆叠成多层以提供三维样本排列。

在一个优选的实施方案中，一个取样装置可以提供一批种子，装置能够保证每粒种子在其自己独立的隔间内。这里所用的“独立的隔间”可以是定位每粒种子使得种子可被识别为对应于MRI测量图像中特定体积元素的任何东西。在一个实施方案中，取样装置包括平的表面并且水平放置，独立隔间(“井”)是平表面的指定部分。在另一个实施方案中，取样装置包含具有底面和成正方形排列为四壁的隔间，隔间内可以提供独立的种子。在又一个实施方案中，取样装置是平的表面，仅有四壁的独立隔间可拆卸地置于其上。在此实施方案中，可以拆掉平表面或独立隔间来分拣种子。在一优选的实施方案中，取样装置包含可拆卸地堆叠起来的多孔板，其有高的孔密度以在更小的体积内提供更多数量的可区别的位置。

数据采集和分析

包含一个或很多种子的样品置于MRI仪器中，采用标准数据采集技术进行成像实验。任何磁共振成像仪器可用于本发明，可以使用对于相关性状或特征敏感的MRI实验如CSI，SEI或relaxometry。优选的MRI仪器是那些具有高于约0.2Tesla的强、均匀磁场的仪器。另外尤其优选临床MRI仪器，检测线圈内置于梯度插入物中使得检测线圈比研究级仪器中线圈大得多，于是能够容纳更大的样品体积。尤其优选磁场强度大于约1Tesla的强磁场MRI仪器。

通过使用带有大孔磁体的MRI系统，如临床或更大的研究MRI仪器，就有可能对单个种子进行NMR信号的空间识别。此法能够在一次MRI实验中分析大量的种子。具体讲，这里描述的步骤允许3456粒玉米种子同时在30分钟内测量。优选的油料种子如大豆和菜籽也可用类似的高通量MRI方法检测。在任何上述关于样品分析的实施方案中，进行整批分析的方法所需时间低于30分钟，优选低于20分钟。这种短采样时间导致比以前工艺更快的通量，使得能够在一个育种循环中筛选更多农作物种子。优选孔尺寸大于20cm，30cm，40cm，或50cm。

一般地，用于MRI分析的样品尺寸(或每样品立方体的种子数)受到自身限制和MRI扫描器和MRI检测装置(射频线圈)性能特征的约束。下面因素控制着实验的灵敏度并因此影响样品通量：(a)主要磁场强度、均一性和孔尺寸，(b)RF MRI信号检测器质量、尺寸和响应特征，以及(c)成像梯度强度、均一性和线性。

在一个优选的实施方案中，MRI实验的脉冲顺序是旋转-回波顺序，能够优先检测到烃类(油)分子的质子。在这一实施方案中，信号强度与油量相关。因此种子的较强图像表明种子中高的油含量，而较弱图像则表明低的油含量。在一替代实施方案中，MRI实验的脉冲顺序是化学位移成像顺序，能够检测烃类(油)分子中质子的NMR全谱。在此实施方案中，用信号谱图可以推测油类型。因此，可以检测具体油类型如聚-不饱和油的存在。

样品图像用购买的软件如Varian ImageBrowseirm(Varian，Inc.，PaloAlto，CA)将数据构造成图像。这样图像包含每一独立种子(研究多个种子的实验)的MRI信号强度。为了量化所研究一个性状和多个性状，采用本领域技术人员共知的数据分析技术进一步处理图像数据。所有分析结果可以以用户友好的方式显示，表示所研究一批种子中单个种子的一个或多个性状的量化分析。

分析种子的装置

本发明的一个方面是提供用较大孔MRI仪器分析低感应系数的样品，如包含种子的样品的方法。如上面详细的描述，临床级MRI仪器具有调谐到符合样品的检测和射频线圈电路，该样品具有比种子样品更大的感应系数。因此，必须加载线圈，或电路必须重新调谐以匹配种子样品的较小感应系数。加载步骤简单到直接将仿真样品置于检测线圈中，但是外面体积可以成像。这样的仿真样品可以是例如，等体积的水以模拟临床仪器所要成像的人体组织。仿真样品由临床MRI仪器制造商提供(如Siemens AG，Erlangen，Germany；GE Medical Systems，Milwaukee，WI)。替代的加载线圈的方法是重新调谐仪器的检测和射频电路使得线圈对于具有较小感应系数的样品敏感。如果不加载线圈，或替代地，如果电路没有重新调谐，那么射频线圈的低效磁化旋转(即，假定的90度脉冲将会旋转低于90度的磁化样品)和低效检测会导致信号的急剧损失。如果临床仪器调谐到的感应系数与样品如若干种子给定的实际感应系数之间的差值足够大，那么将会观察不到信号。

本发明的一个方面是克服与成像样品相关的困难，如使用较大孔研究级和临床级MRI仪器收集种子。在本发明这个方面中，设置梯度场强度使得：(1)视野(有效体积)覆盖待成像的整个样品；(2)设置两维(水平)图像层数目使得样品切片厚度(垂直)乘以图像层数目约等于样品的(垂直)高度；(3)每个图像层内的像素数目足以通过足够的像素以避免像素间串扰而分辨种子。这三个标准对于用于任意MRI仪器内任意样品的场梯度是决定性的。但是，对于更大孔的研究级和临床级MRI仪器尤其要选择这三个标准，这些仪器的场梯度不能正好匹配包含样本如种子的成像样品。下面将详细讨论这三个标准中的每一个。

确定恰当场梯度的第一个标准是仪器的视野能够覆盖整个所要成像样品。此标准的目的是简单地确保样品中的所有种子能够成像。它也决定了场梯度基本上是线性的尺寸。

确定恰当场梯度的第二个标准是设置两维图像层数目使得样品切片厚度乘以图像层数目约等于样品的高度。这将确保样品的整个高度能够成像。令人奇怪的是，图像层的最佳厚度一般不和所要成像种子的厚度对应。较少切片(对应较大厚度)对于等量信息来讲需要较少成像时间和较少数据处理时间。最大的实际厚度应该是所要成像单独样本的厚度，即，种子的厚度。但并不总是这样，而是，图像层的最佳厚度低于单个种子的厚度。当图像层厚度设置到和单个种子的厚度相等时，成像结果经常反常和不可预知。在一个实施例中，具有等量油含量的种子组样品得到的结果在从一些种子根本没有信号到其它种子的最大可检测信号强度范围内变化。对这一问题意想不到的解决办法是通过增加场梯度强度实现的，因此导致了切片厚度的降低和成像样品整个高度所要求的切片数目增加。这一方法是违反直觉的，因为：(1)一般都知道成像一较小体积(如成像较薄切片)会造成较弱的信号，因为缺少对信号有贡献的材料，以及(2)为了从相同体积获得图像数据，成像较薄切片需要成像更多切片，因此实验需要花费较长时间。

图像切片的最佳厚度可以由本领域普通技术人员按照下面步骤快速而容易地确定：(1)获得已知油含量的种子组样品；(2)选择起始图像切片厚度；(3)获得具有图像切片厚度的种子组样品的MRI数据；(4)将MRI测量的相对油含量同已知的种子相对油含量相比；和(5)如果测量的相对油含量不符合已知的相对油含量，降低图像切片厚度并且重复步骤(3)-(5)直到MRI测量的相对油含量符合种子的已知相对油含量。

图像切片厚度是如何设置为低于种子厚度的实施例见图3。在此图中，展示了顺序的图像切片。上排的第四、第五、第六框表示从一层种子获得的数据。在最终的分析中，三个框组合成一个图像(见图4a)。由组合图像分析得到的数据准确地反映了种子的相对油含量，而在从一个图像中整层种子收集数据的类似实验不能准确反映。在图3中，切片厚度设置成约5mm。而最佳切片厚度一般依赖于待成像种子的厚度，一般预期最佳切片厚度低于约1cm，优选约5mm。最佳切片厚度低于待成像种子厚度的约95％，优选低于种子厚度的约80％，最优选低于种子厚度的约75％。切片厚度必须在待成像种子尺寸基础上独立地确定。可以确定一个下限，其中不再需要切片厚度的进一步降低。

确定恰当场梯度的第三个标准是每一图像层内像素的数目应足以避免像素间的串扰。当图像像素包含从多个种子信号得到的数据时，像素间的串扰出现。本标准挑战性的目标是尽量减少成像一层所需要的像素数目，因此尽量减少从一层获得数据所需要的时间，但是有足够的像素数目避免像素间的串扰。如果像素的数目不足以避免像素间的串扰，那么任何具体种子的数据将会受到临近种子数据的影响，从而准确度对于性状如相对油含量测量会降低。成像一层需要的最佳像素数目依赖于层中种子的密度和种子的尺寸，较大密度和较小种子需要更多的像素，以及一个相关的参数是种子的间距。如果种子间的距离和种子的尺寸近似相等，那么最佳数目的像素会提供种子间的大约四个像素，因此两个像素代表图像平面(每维度总共2个或4个像素)里的种子的一个维度。每图像层像素数目应该足以代表1-40像素之间的单个种子，优选在1-20个像素之间，最优选在4-10个像素之间。

分析和分拣种子的方法

上面描述的种子分析可以和分拣和/或称量单个种子的分拣装置相并列。在此实施方案中，取样装置具有隔间将单独种子分散到孔中。取样装置的底部包含可分别打开并释放任何或所有种子的多个门，这有赖于计划好的选择标准。或者，分拣装置可以包含对应于取样装置的每一孔的分别可控移动的叶片，借此将种子同时释放到分拣装置中。

分析多重性状的方法

样品的定量化学信息可以从MRI实验收集的光谱数据中获取。已经熟知生物材料中多原子有机分子的质子表现出基于它们局部官能团和临近质子的特征性的化学位移和分裂。通过使用化学位移成像，可以测量样品内每一体积的NMR全谱。这样的测量提供了关于样品内每一粒种子的巨大的定量信息。当作为光谱成像系统时，本发明具有许多优点。因为光谱数据可以从样品的每一单元收集，因此可以获得散装谷物样品的更多准确数据。

虽然本发明有插图的实施方案包括射频光谱区域的磁共振成像，也可以使用其它光谱区域，如微波区域，例如，在电子自旋共振实验中。而且，如本领域技术人员熟知的，除了质子外的其它核子也可用在磁共振实验中，包括磁共振成像实验。这些核子包括13C，14N，15N，17O，19F，31P，和35Cl。

在本发明一个替代的实施方案中，固态磁共振领域的技术人员熟知的多脉冲成像技术或背景放映方法也可以用在MRI实验中以量化除了油或水含量之外的性状。在此实施方案中，植物组织的成分包括，但并不限于，蛋白质、糖类、木质素、纤维素、酸性去污纤维、中性去污纤维和水合淀粉可被测量。

可使用本发明的方法检测任何磁共振可以测量的性状。在一个优选的实施方案中，性状是生物化学性状。如这里所用，生化性状是任何影响农作物样品化学组成的性状。在一个实施方案中，生化性状选自油含量、蛋白含量、糖含量、淀粉含量、纤维含量和水含量。如这里所用，含量指的是组分的量，如每粒种子的5mg蛋白或每10克干重组织的5mg蛋白。在另一个优选的实施方案中，生化性状选自油组成、蛋白组成、糖组成和纤维组成。如这里所用的，组成指的是农作物的生化组成，例如，高分子量蛋白和低分子量蛋白的比例或饱和油和不饱和油的比例。在本发明中通过使用化学位移成像(SCI)实验可以确定具体性状如油组成，其中三维图像的每一像素包含了对应于此像素的样品区域中物质的核磁共振谱。因此，基于核磁共振谱，可以确定油的具体类型。用本发明方法分析的最优选的性状是种子的相对油含量。

在一个实施方案中，用本发明方法区分具有所需表型的淀粉样品。来自正常马齿形玉米或硬质玉米的淀粉包含约73％支链淀粉(具有支链分子的淀粉部分)和27％直链淀粉(具有线性分子的部分)。蜡质种玉米(具有蜡质基因)首先在中国发现，但是在美洲种中也发现了蜡质突变。此突变异种的淀粉是100％的支链淀粉。胚乳突变异种支链淀粉-扩充剂将支链淀粉部分增加到50％或更高。玉米核仁的特点是缺乏光泽、半透明、具有部分外观。几个其它突变基因，单独或组合起来，通过改变直链淀粉-支链淀粉比例影响淀粉组成。普通玉米产生的特征性的坚硬不透明凝胶是由直链淀粉部分引起的。蜡质玉米淀粉的性能是由所产生的支链淀粉溶胶具有特征性的软透明糊形式引起的。天然淀粉凝胶性质的差异可通过淀粉修饰技术进行，并且在某些特定应用中需要。本发明方法可容易地分辨变异类型的差别，并可用作它们的高通量、非破坏性筛选技术。

在另一个实施方案中，例如，本发明的方法用于区分具有所要胚乳性状的样品。例如，已经区分了几种改变了氨基酸平衡的胚乳变体。已经表明突变系opaque-2(o2)，floury-2(fl2)和opaque-7(o7)在胚乳中具有降低量的玉米蛋白(玉米中缺乏重要的氨基酸如赖氨酸和色氨酸的蛋白)和增加的赖氨酸。具有paque-2基因的核仁的特征是软、白、非透明的外观，具有很小的硬玻璃质胚乳。可使用本发明方法区别不同变异类型和赖氨酸水平，因此能够用作分析此性状的高通量、非破坏性筛选技术。

在另一个实施方案中，性状是形态性状。如这里所用，形态性状是任何结构性状。优选的形态性状是胚乳尺寸、胚芽尺寸、种子形状、种子尺寸、种子颜色、种子表面纹理、种子重量、种子密度和种子的完整性。种子的完整性与疾病抵抗力或易感性相关。种子外皮中孔的出现经常意味着昆虫感染。

疾病状态同结构改变如孔出现的相关性通过用有机物激发种子样品而受到检验来建立。如这里所用，“样品”指的是用本发明方法可调查的任何植物材料。例如，样品可以是种子的一部分、一个种子、多个种子和其它植物组织。对照样可以包括已知易受感染并具有抵抗力的种子。疾病和具体结构改变的相关性可以通过恰当的统计分析来建立。可以理解，一旦相关性建立，就不需要测定某一具体种子或一批种子的对照样。

上面描述的一个或多个性状或用磁共振成像可检测的任何其他性状可同时用本发明方法分析。在一个实施方案中，可同时分析两个或更多的上述性状或其它性状。在另一个实施方案中，可同时分析三、四、五或更多MRI可测量的其它性状。

分析系统

本发明提供测量农作物产品性能的装置，包括：产生样品的处理装置；提供样品的取样装置，其中取样装置设置用来接收来自处理装置的样品；以及磁共振成像系统，其中系统设置用来分析取样装置中的样品。本发明还提供测量农作物产品性能的装置，包括：提供样品的取样装置；磁共振成像系统，其中系统用来分析取样装置中的样品；和将样品分成两或多个不同组的分拣装置，其中分拣装置用来接收来自取样装置的样品。本发明进一步提供测量农作物产品性能的装置，包括：产生样品的处理装置；提供样品的取样装置，其中取样装置设置用来接收来自处理装置的样品；以及磁共振成像系统，其中系统设置用来分析取样装置中的样品；以及，将样品分成两或多个不同组的分拣装置，其中分拣装置用来接收来自取样装置的样品。

制备样品并用带有处理装置的分光成像系统进行分析。如这里所用，″处理装置″是任何能将植物的所要部分同植物或植物部分的其余部分分开的装置。在一个优选的实施方案中，处理装置是脱壳机、打谷机、或联合收割机。脱壳机可以是，例如，Almaco改进单穗玉米脱壳机(Almaco，99M Avenue，P.O.Box 296，Nevada，IA 50201)。如这里所用，″产生样品″指的是用任何处理装置来将植物的所要部分同植物或植物部分的其余部分分开分离的方法。

其它植物组织或农作物样品可用来取代种子。如这里所用，植物组织包括，但并不限于，任何植物部分如叶子、花、根和花瓣。如这里所用，农作物样品包括，但并不限于，植物组织如种子，但也包括基于非植物的材料如无机材料或出现在农业过程中的基于非植物的物质。真菌样品是农作物样品的一个实例。

除了植物组织或农作物样品外其余样品可以取代种子。采用较大孔尺寸磁共振仪器，本发明对于分析任何类型的一般不容易分析的样品都是有帮助的。而且，采用较大孔尺寸磁共振仪器，本发明对于包含任何类型样本的样品进行高通量分析都是有帮助的，无论那种样品是否能用一般方法分析。在一个实施方案中，样品体积与直径低于约50cm的球体积相等，在另一个实施方案中，样品体积与直径低于约25cm的球体积相等，更优选低于约10cm，最优选低于约1cm。

在样品用处理装置制备后，用磁共振成像分析。在MRI分析后，样品用分拣装置自动分拣。

如这里所用，″分拣装置″是任何根据分析结果能够将样品分到至少两个不同容器中的装置。例如，分拣装置可以是将样品定向为两个方向中一个的单一可移动叶片。在一个优选的实施方案中，分拣装置能够独立地分拣10，20，50，或100粒独立种子。如这里所用，″容器″是任何能够盛装同其余部分开的部分样品的装置。

在一个优选的实施方案中，分拣装置能够将一批种子分到多个容器中的一个。如果在分析中测定多个性状，那么此类分拣是最有帮助的。

在一个优选的实施方案中，处理装置和分拣装置连接到取样装置和分光成像系统上以提供用于自动提供样品、分析样品和分拣样品的装置。在一个优选的实施方案中，可以以快于5分钟一次的速度提供、分析和分拣样品，更优选快于每分钟一次。

基于分析性状的选择性育种方法

本发明提供用于分析具有所要性状种子的分析方法。在本发明一个方面中，分析方法能够分析单个种子的不同部分和性状。而且，在本发明的另一个方面中，分析方法能够分析一批或一堆样品中的种子得以确定性状的分布。尤其感兴趣的是使用本发明分析种子的油含量。

本发明方法和装置可用在育种步骤中以选择具有所要性状的植物或种子。在一方面中，本发明提供了选择具有某一性状的种子的方法，包括：(A)在取样装置中提供种子；(B)获得种子的磁共振图像；(C)分析图像内的数据；和(D)基于分析的数据确定是否种子表现出每一性状；(E)从种子种植可繁殖植物；以及(F)利用可繁殖植物作为父本或母本同第二种植物杂交。

本发明的另一个方面提供了在植物中渐渗入性状的方法，包括：(A)在取样装置中提供种子；(B)获得种子的磁共振图像；(C)分析图像内的数据；(D)基于分析的数据选择具有性状的种子；(E)从种子种植可繁殖植物；以及(F)利用可繁殖植物作为父本或母本同第二种植物杂交。

本发明渐渗和选择的方法可以和任何育种方法结合起来使用，可用于选择一代或多代。育种方法的选择有赖于植物繁殖模式、待改进性状的遗传性以及商业使用的栽培育种类型(如F1杂交育种，纯系育种等)。用于育种本发明植物的选择性非限定方法阐述如下。进一步可理解任何商业和非商业栽培育种可用于育种步骤中。一些因素，例如，植物发芽活力、生长的活力、应力耐受性、疾病抵抗性、分支、开花、结果、种子尺寸、种子密度、忍受能力和脱粒能力等一般地将会限制选择。对于高度可遗传的性状，选择高级独立植物在某一局部评价是有效的，而对于低遗传性的性状，选择应该建立在相关植物家族的重复评价得到的平均值上。流行选择方法一般包括，但并不限于，谱系选择、改进的谱系选择、混合选择和轮回选择。在一个优选的实施方案中，采取回交和轮回育种步骤。

遗传的复杂性影响了育种方法的选择。可以使用回交育种将一个和多个高度遗传性状的有利基因转移到所要的栽培变种中。此方法广泛用于育种疾病抵抗栽培变种中。大量轮回选择技术用来定量地改善各种基因控制的遗传性状。在自花授粉的作物中使用轮回选择依赖于授粉难易、每次授粉成功杂交的频率和每次成功杂交后代的数目。

育种谱系可以测试并在环境，即对于两或多代具有代表性的商业目的面积中，同恰当的标准物比较。最好的谱系用作商业栽培变种的候选物；性状仍然不完善的那些谱系可用作亲本以进一步选择繁殖新的后代。

区别超级植物的一个方法是观察与其它实验植物和广泛种植标准栽培变种相关的性能。如果一次观察是非决定性的，那么重复观察可以对它的遗传价值有更好估计。一个育种者可以选择并杂交两或多个亲本谱系，接着重复自花授粉和选择，得到许多新的遗传组合。

新大豆栽培变种的发展产生了大豆多样性的发展和选择、这些多样性的杂交和超级杂交的选择。可以通过选择的雄性可繁殖父代间的人工杂交或使用雄性不育系统生产杂交种子。选择杂交用于特定基因性状如豆荚颜色、花的颜色、种子产量、柔毛颜色或除草剂抵抗性，它们指示种子是真正的杂交种。有关父系的额外数据，以及杂交种的表型，会影响育种者决定是否继续进行具体杂交。

可以使用谱系育种和轮回选择育种方法从育种后代中开发栽培变种。育种步骤从两或多个栽培种或大量的广泛来源中将所要性状组合到育种库中，从这一库中，可以通过自花授粉和选择所要表型来开发栽培变种。可以评价新的栽培变种以确定它的商业潜力。

谱系育种一般用于改善自花授粉作物。具有有利的互补性状的两个亲本可以杂交得到F1。通过自花授粉一个或多个F1产生F2种群。选择最好族系中最好的个体。可在F4代开始族系的重复实验以改进对具有低遗传性性状选择的有效性。在近交的高级阶段(即图6和图7)，测试最好系或表型类似系的混合物作为新的栽培变种。

已采用回交育种将简单遗传的、高度可遗传的性状基因转移到所要的纯合栽培变种或近交系中，它们是回交亲本。被转移的性状来源称为供体亲本。所得植物预期具有回交亲本(即栽培变种)的性状和从供体亲本所转移来的所要性状。在初始杂交后，选择具有供体亲本表型的个体并重复同回交亲本杂交(回交)。所得植物预期具有回交亲本(即栽培变种)的性状和从供体亲本所转移来的所要性状。

单种子谱系步骤指的是种植隔离的种群，收获每一植物的一粒种子作为样品，用一粒种子样品繁殖子代。当种群从F2发展到同系繁殖所要的水平时，衍生多系的植物将分别上溯到F2个体。种群中植物的数目由于一些种子不能发芽或一些植物不能产生至少一粒种子而造成每一代都在减少。因此，并不是所有最初在种群中采样的F2植物在代数发展完全时都会有后代。

在一个多种子步骤中，例如，大豆育种者一般从种群中每一植物收获一或多个豆荚，然后将其脱粒收集到一起形成批量。一部分批量用于繁殖子代，一部分保存起来。此步骤称为改进的单种子谱系或豆荚批量技术。

使用多种子步骤可以节约收获时的劳动。使用机械脱粒比用单种子步骤中使用手工从每一植物收获每一种子要快的多。多种子步骤有可能每一代同系繁殖时种植相同数目的种群种子。

在本发明一个实施方案中，经常从非单倍体样品中区分单倍体样品。使用单倍体植物增加了轮回选择的有效性。在植物育种中通过提供一个方法生产两倍体系的完全纯合子系。因为单倍体是半合子的，即在每一基因座位上只有一个等位基因，所以它们对于突变研究和筛选掉不需要的隐性等位基因是有帮助的。可以使用本发明方法将单倍体样品同其它类型样品区别，例如两倍体。生产能产生反射或发射光的表型的单倍体性状，其和非单倍体样品具有不同光谱组成，这可以用本发明方法确定。例如，一些亲本携带标记基因如R-nj，它在种子成熟阶段是通过胚乳顶部的花色素着色和胚芽中没有着色而将单倍体区别出来。本发明方法很容易区别在种子所要位置表型的存在与否。

一般用于不同性状和农作物的其它育种方法的描述可以见几本参考书中任何一本，例如，Fehr，Principles of Cultivar Development Vol.1，pp.2-3(1987)。

在一个优选的实施方案中，感兴趣的育种性状是油含量和油组成。在一更为优选的实施方案中，进行育种程序的植物是玉米，感兴趣的性状是油含量。

下面的实施例仅仅是说明性的。本发明并不旨在限定为说明性的实施方案。

实施例1

采用1.5Tesla Magnetom Vision MR扫描器(Siemens，Erlangen)获得玉米核仁图像，使用标准整体共振器。在所有轴向上，梯度强度设置成25mT/m。随着梯度的升高，全部强度上升时间是312ms。在种子成像顺序中不使用梯度设置的全梯度能力。使用旋转-回波顺序(tr/te＝1920/17ms)，激发弹射角是90度、重聚焦弹射角是180度。接收器的带宽是130Hz/像素。视野设置成450×450mm。获得的数据矩阵是256×256。从每一样品立方体获得的图像包含50个临近的冠状切片，用隔行扫描获得切片，使得立方体中每层样品间存在至少一个非-样品-承载切片。对于玉米油校正标准来讲，获得两次扫描，接收器增益设置成97.98dB，FFT比例因子设置成0.1。对于玉米种子样品，获得四次扫描，接收器增益设置成116.98dB，FFT比例因子设置成0.007114。

这些实验中进行玉米种子MRI分析的样品立方体包含108个24-孔板。这些板按每层9个共12层排列。这样的排列对于每样品立方体，提供了共2592粒玉米种子的分析能力。

误差分析

总结了采用MRI的油含量高通量分析的准确性和精度，可以用图8-12跟踪。一般来讲，MRI方法对于油含量大于1重量％的测量最有用，尽管这些方法对于油含量低于1重量％也是有用的。具有低油含量的种子产生较低的信号强度。可以改善技术的灵敏度以检测较低的油含量，例如，降低下限，增加数据的采样时间(或灵敏度)，或改进MRI扫描器性能。

同总测量值的比较：用MRI测量大量种子的平均油含量应和用替代技术，如IR光谱测量种子的总油含量关联。此关联说明于图8，其表明两种方法强烈地一致：y＝1.0322x+1.9726；R2＝0.9232。因为MRI油结果作为相对数值报告，所以这些值(恒定的偏移量)比总油含量测量得到的结果要低。较低的相对MRI数值预期是由MRI实验中常出现的弛豫过程造成的信号损失引起的。

日内和日间的MRI油测量对比：用MRI方法获得的数据应该和相同样品的不同次实验相关，无论数据是在同一天或不同天获得。这些关于玉米油校正的相同天和不同天的比较分别见图9和10。这些数据对于这两种情况的相同样品不同实验表现出了很好的相关性。(相同天：y＝1.0007x，R2＝0.9267；不同天：y＝0.9992x；R2＝0.8435)。

用不同仪器引起的MRI测量变化：MRI信号RF检测线圈是MRI实验中影响灵敏度或信噪比的主要硬件部件。每个RF线圈具有标志其自身特点包括构造和物理几何尺寸的性能范围。可以比较两个不同装置获得的结果以确定两个硬件排列之间的重复性。这样的对比见图11，采用标准油样品的Varian(Varian，Inc.，Palo Alto，CA)和Monsanto(Monsanto，St.Louis，MO)MRI检测线圈。对于在标准样品中所测量玉米油含量的完整MRI信号强度，这两个检测器得到了几乎一样的结果(y＝1.0413x-0.1725；R2＝0.9452)。

MRI方法的误差系数：对于样品立方体中每层测量的MRI数据的误差系数提供了对MRI测量中误差的合理估计。一个校正标准立方体中9层中每一层的绘图见图12，其描述了相对于立方体中每孔位置平均值的标准偏差百分比(N＝8)。大多数层中约90％的孔位置表现出低于5％的误差，其余位置表现为5-10％。一对位置，例如，在层1的左上角，表现大于10％的误差。较大误差预期出现在与立方体中心相对的立方体角落，此处的磁场均一度和MRI信号响应降低。

实施例2

48孔样品盘加载包含玉米、大豆和菜籽的油料种子。包含单独种子的两层，每层5个板置于树脂玻璃样品夹具中得到包含480粒种子的排列。此种子排列插入到作为商品提供的、大的足以容纳样品夹具的MRI检测线圈中。包含种子的MRI线圈插入到MRI磁体中，用标准、非专有数据获取技术采集数据。MRI数据送到计算机，在那里用Varian ImageBrowserz(Varian，Inc.，Palo Alto，CA)中的custom macro软件处理后获得样品中每一单独玉米核仁的MRI信号强度。得到的数据用于计算样品中480粒种子的每一粒的含油量百分比。

实施例3

1.5tesla临床级MRI扫描器用于分析放置在12层，每层12个24孔盘中的共3456粒种子。实验根据实施例2中的方法进行。

实施例4

根据上面描述的方法测量的玉米核仁油含量用于育种具有较高油含量的玉米植物。LH185(2)xBHO是第一代的来源材料。种植此粒种子，得到植物用作育种程序中的母本。此植物用包含Stock6和KHI1的单倍体诱导无性种杂交。收获并干燥产生的种子。用标记系统帮助区分假的单倍体核仁(R-Navajo系统)，单倍体种子同所得其它种子分离。此种子用实施例1阐述的方法分析以确定具有最大油含量的种子。仅仅是具有最大油含量的种子发展到下一代。在第二代中，种植这些核仁并用染色体倍增剂处理得到两倍体杂交系。

实施例5

种植由实施例4得到的种子，得到的植物用KHI1授粉。在收获和干燥后，利用R-Navajo选择标记系统选择假的单倍体核仁。将这些核仁置于24孔板中，并用实施例1的MRI分析以确定油含量。选择和种植具有最大油含量的核仁。得到的植物用倍增剂处理并自花授粉得到两倍体杂交系。

这里引用的所有文章、专利和专利申请在此以其全部引作参考。

Claims (36)

1.一种用于确定包含大量种子的样品是否包含表现出性状的种子的方法，包括：

(A)在取样装置中提供所述样品，所述取样装置包括多个单独隔间；

(B)产生所述样品的磁共振图像；

(C)分析所述磁共振图像以得到指示性状存在的信息；和

(D)基于所述分析，确定所述样品中的每个单独的种子是否表现出所述性状，其中所述确定步骤包括将所述种子同相应的图像体积元素相联系，并且其中所述磁共振图像用孔直径尺寸大于20cm的磁共振成像仪器获得，

2.根据权利要求1的方法，其中孔直径尺寸大于30cm。

3.根据权利要求2的方法，其中孔直径尺寸大于40cm。

4.根据权利要求3的方法，其中孔直径尺寸大于50cm。

5.根据权利要求1的方法，其中所述性状是每个种子中的油含量。

6.根据权利要求1的方法，其中所述性状是每个种子中的油组成。

7.根据权利要求1的方法，其中所述在取样装置中提供种子样品的步骤包括为每一粒种子提供所述取样装置内的单独隔问的步骤。

8.根据权利要求1的方法，其中所述样品包含超过10粒种子。

9.根据权利要求8的方法，其中所述样品包含超过20粒种子。

10.根据权利要求9的方法，其中所述样品包含超过50粒种子。

11.根据权利要求1的方法，其中对于所述样品所述方法在小于30分钟内完成。

12.根据权利要求11的方法，其中对于所述样品所述方法在小于20分钟内完成。

13.权利要求1的方法，其中所述确定步骤包含基于所述分析确定在每个种子中成分的定量值。

14.权利要求13的方法，其中所检测的性状是油，并且进一步包含步骤：

测量多个种子中每个种子的重量；和

通过测量每个种子的重量计算油的相对百分比。

15.权利要求14的方法，进一步包含步骤：

根据权利要求12-14的步骤处理具有已知油含量的种子样品标准物以确定校准因子；和

使用校准因子校准检测到的油量的计算相对于种子重量的百分比。

16.一种用于农作物样品分析的方法，包含下面的步骤：

在含有多个农作物样品的样品夹具内，产生一层的多个二维磁共振图像，每一图像取自通过层的不同图像切片；

将多个农作物样品的每一个定位在该层的二维磁共振图像内；

将不同图像切片处的已定位农作物样品的多个二维磁共振图像组合成已定位农作物样品的合成二维磁共振图像；

处理每个已定位农作物样品的合成二维磁共振图像的图像强度以检测已定位农作物样品中相关性状的存在；和

对多个农作物样品进行分类以分离那些表达了相关检测性状的样品。

17.权利要求16的方法，其中处理步骤进一步包含这样一个步骤：根据农作物样品的合成二维磁共振图像确定检测到的存在于已定位农作物样品中的相关性状的量。

18.权利要求17的方法，进一步包含步骤：

测量多个农作物样品的每一个的重量；和

通过测量农作物样品重量对已定位的种子计算检测到的相关性状量的相对百分比。

19.权利要求18的方法，进一步包含步骤：

根据权利要求16-18的步骤处理具有已知性状的量的农作物样品标准物以确定校准因子；和

使用校准因子校准检测到的相关性状量的计算相对重量百分比。

20.权利要求16的方法，其中：

定位步骤进一步包含下面步骤：过滤农作物样品的每个二维磁共振图像以定位每个农作物样品的边界；和

组合步骤进一步包含下面步骤：组合定位在已定位农作物样品边界内的每个二维磁共振图像的图像强度数据。

21.权利要求16的方法，其中相关性状包含种子中的油，并且处理图像强度的步骤检测到农作物样品内的油量。

22.权利要求16的方法，其中相关性状包含农作物样品中的油，并且处理图像强度的步骤检测到农作物样品内的油类型。

23.权利要求16的方法，进一步包括步骤：为了补偿农作物样品相对小的感应系数而将仿真样品加载到用于进行产生步骤的磁共振仪图像器。

24.权利要求16的方法，进一步包括步骤：设置用于进行产生步骤的磁共振仪器的梯度场强度使得能够选择图像切片的数目，其中图像切片的数目乘以每一切片的厚度等于农作物样品的厚度。

25.权利要求24的方法，其中每一切片的厚度低于1cm。

26.权利要求24的方法，其中每一切片的厚度低于5mm。

27.权利要求16的方法，其中产生步骤采用旋转回波磁共振成像技术。

28.权利要求16的方法，其中产生步骤采用化学位移磁共振成像技术。

29。权利要求16的方法，其中样品夹具包含多个层，每层包括多个农作物样品，并且其中权利要求16的步骤应用于样品夹具内包括的每层。

30.权利要求16的方法，其中农作物样品选自种子和植物组织。

31.权利要求1的方法，其中所述取样装置包含含多个孔的样品盘，每孔含有待成像的种子。

32.权利要求31的方法，其中孔数目超过50。

33.权利要求1的方法，其中所述取样装置包含多个堆叠起来的样品盘，每一样品盘包含多个孔，每孔含有待成像的种子。

34.权利要求33的方法，其中在每一盘上孔的数目超过50。

35.权利要求1的方法，其中种子包含超过50粒单独的种子。

36.权利要求1的方法，其中权利要求49的方法在低于20分钟内于种子上完成。

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