KR20210072854A - 종자의 배수체 및 반수체 판별방법, 이를 구현하는 판별 시스템 - Google Patents

종자의 배수체 및 반수체 판별방법, 이를 구현하는 판별 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종자의 배수체 및 반수체의 판별방법에 대한 것으로, 형광유도 분광기술을 이용하여, R1-nj 유전자로 유래되어 형광반응 하는 안토시아닌 색소표지를 검출하는바, 형광반응을 통해 검출된 옥수수 종자의 가운데 부분의 안토시아닌 색소표지의 유무 및 면적 정보를 기준으로 배수체 및 반수체 판별에 신뢰성을 극대화할 수 있다.

Description

종자의 배수체 및 반수체 판별방법, 이를 구현하는 판별 시스템{System and Method for Detecting polyploid and haploid}
본 발명은 종자의 배수체 및 반수체 판별 기술에 대한 것이다.
상업용 옥수수 품종 개발에는 반수체 유기체와 배가반수체(doubled haploid, DH) 기술을 널리 이용하고 있다.
반수체 유기체란 정상적인 2배체 옥수수와 교배하였을 때 얻은 한 이삭의 종자들이 2배체(2n)와 일부는 비정상적인 수정으로 인하여 반수체(n)로 분리되는 특별한 유전 계통들을 말한다.
현재 in vivo 모계 반수체 유기체계는 R1-Navajo(R1-nj)라고 하는 안토시아닌 색소 표지의 존재 여부에 따라 배반에는 안토시아닌 색소가 없고 배유에는 왕관형태의 색소가 발현되는 반수체(monoploid/haploid, n)종자와 배와 배반 모두에서 안토시아닌 색소 침착되는 2배체 종자를 육안으로 구분이 가능하며, 이러한 표현형을 Navajo 종자표현형이라고 한다.
해외에서는 형광 레이저 스캐너를 이용하여 배가반수체 관련 연구를 진행한 사례가 있으나 안토시아닌 색소를 측정하지 아니하고 안토시아닌을 제외한 면적을 측정함으로서 판별을 진행하였다. 이러한 방법은 직접적인 영향을 미치는 안토시아닌 색소를 측정하지 않고 간접적인 면적 측정을 이용한 방법으로 정확도가 떨어지는 방법이다. 현재 국내에서는 전문가의 눈으로 배수체 및 반수체를 판별하고 있다.
이러한 방법은 판별의 오차율이 커 신뢰성을 확보할 수 없는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1770544호 한국등록특허 제10-1770474호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 광합성 측정을 위한 형광유도 분광기술을 접목하여, 검사 대상이 되는 종자에 대한 색소표지를 탐지하여 분석하여, 해당 종자의 배수체 및 반수체의 판별을 수행할 수 있도록 하는 종자의 배수체 및 반수체 판별방법 및 그 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는 검사의 대상이 되는 종자를 검사스테이지에 배치하고, 영상처리부에서 상기 종자의 전체면적 기준영상 및 타겟면적의 기준영상을 입력하는 1 단계;
상기 검사대상 종자에 형광반응 유발을 위한 광을 조사하는 2단계;
형광감지센서부에서 상기 종자의 표면에서의 형광반응을 감지하고, 상기 종자의 전체면적에서의 제1형광 반응 정보 및 타겟면적에서의 제2형광 반응 정보를 입수하는 3단계;
상기 제1형광반응정보 및 상기 제2형광반응정보를 대비하여, 종자정보 판별부에서 배수체 및 반수체의 기준점 정보를 기준으로 상기 종자의 배수체 및 반수체 여부를 판별하는 4단계;
판별된 정보를 디스플레이 하는 4단계;
를 포함하는 종자의 배수체 및 반수체 판별방법을 제공할 수 있도록 한다.
또한, 상술한 종자의 배수체 및 반수체 판별방법을 구현하기 위한 시스템으로서, 검사대상이 되는 식물 종자가 배치되는 검사스테이지;
상기 검사스테이지 상에 배치되는 종자의 전체면적영상 및 타켓면적영상을 입수하여 기준 영상을 제공하는 카메라모듈;
상기 카메라모듈에서 입력되는 영상을 기준으로 검사 대상 종자의 기본 기준정보를 입력하는 종자영상 입력부;
상기 검사대상 종자에 형광반응을 유발하는 광을 조사하는 광조사모듈;
상기 광조사모듈에서 출사된 광에 반응하는, 상기 종자의 표면의 형광영상을 센싱하여 저장하는 형광영상 입력부;
상기 종자의 기본 기준정보와 상기 형광영상의 정보를 기준으로, 상기 종자의 대비 정보를 산출하는 종자정보처리부;
상기 종자정보처리부의 정보와 판별기준이 되는 기준데이터를 대비하여 상기 종자의 배수체 및 반수체 정보를 산출하는 종자정보 판별부;
를 포함하는 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광합성 측정을 위한 형광유도 분광기술을 접목하여, 검사 대상이 되는 종자에 대한 색소표지를 탐지하여 분석하여, 해당 종자의 배수체 및 반수체의 판별을 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.
특히, 형광유도 분광기술을 이용한 R1-nj 유전자로 유래되어 형광반응 하는 안토시아닌 색소표지를 검출하는바, 형광반응을 통해 검출된 옥수수 종자의 가운데 부분의 안토시아닌 색소표지의 유무 및 면적 정보를 기준으로 배가체 및 반수체 판별에 신뢰성을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 종자에 대한 영상정보를 바탕으로 하여 즉각적인 배수체 및 반수체 판별이 가능한바, 시간과 비용을 크게 절감할 수 있으며, 디지털화된 양적정보를 이용하므로 객관적인 판별정보의 확보가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 종자의 배수체 및 반수체 판별방법을 구현하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1의 종자의 배수체 및 반수체 판별방법을 구현하는 시스템의 구성 블록도이다.
도 3은 옥수수 종자의 R1-nj 유전자에 의한 안토시아닌 색소표지 발현 및 형광영상정보에 대한 개념설명을 위한 이미지이다.
도 4는 안토시아닌 색소표지 타겟면적의 정의 및 판별과정을 설명하기 위한 이미지이다.
도 5는 옥수수종자에 대한 배수체 및 반수체 판별을 실험한 결과를 정리한 이미지이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 종자의 배수체 및 반수체의 판별방법(이하, '본 발명'이라 한다.)에 대한 순서도이다. 도 2는 도 1에 따른 종자의 배수체 및 반수체의 판별방법을 구현하기 위한 시스템 블록구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 검사의 대상이 되는 종자를 검사스테이지에 배치하고, 영상처리부에서 상기 종자의 전체면적 기준영상 및 타겟면적의 기준영상을 입력하는 1 단계와, 상기 검사대상 종자에 형광반응 유발을 위한 광을 조사하는 2단계, 형광감지센서부에서 상기 종자의 표면에서의 형광반응을 감지하고, 상기 종자의 전체면적에서의 제1형광 반응 정보 및 타겟면적에서의 제2형광 반응 정보를 입수하는 3단계, 상기 제1형광반응정보 및 상기 제2형광반응정보를 대비하여, 종자정보 판별부에서 배수체 및 반수체의 기준점 정보를 기준으로 상기 종자의 배수체 및 반수체 여부를 판별하는 4단계 및 판별된 정보를 디스플레이 하는 4단계를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로는, 우선 상기 1단계에 검사대상이 되는 종자는 다양한 곡물종자가 대상이 될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에서 적용하는 검사 대상의 종자는 옥수수 종자를 대상으로 한 검사 방법을 제안한다. 특히 본 발명에서는 광합성 측정을 위한 형광 유도 분광기술을 이용하여 옥수수 종자의 색소 표지를 탐지함으로써, 반수체와 배수체를 특정할 수 있도록 한다.
기본적으로 판별 대상이 되는 종자를 검사 스테이지(110)에 배치하고, 카메라모듈(120)를 통해 곡물종자에 대한 기본 영상을 촬영하여, 검사대상이 되는 종자에 대한 영상을 영상입력부(130)에 입력 저장할 수 있도록 한다. 상기 카메라모듈(120)은 종자에 대한 영을 촬영할 수 있도록 하는 촬영부와 촬영된 영상을 외부로 전송할 수 있는 통신부를 포함하는 일체의 영상처리장치를 포함하는 모듈을 의미한다.
상기 영상입력부(130)는 상기 카메라모듈(120)을 통해 입력되는 종자의 영상으로, 종자의 기본영상으로, 종자의 전체면적영상과 타겟면적영상을 촬영하여 저장하는 종자영상입력부(132)와, 후술하는 형광유발 광조사모듈(140)을 통해 조사는 광에 의해 종자표면에서 반응되는 형광반응에 대한 이미지를 찰영하여 입력받는 형광영상입력부(134)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서의 종자의 전체면적영상은 종자의 전체 면적과 외형에 대한 정보를 산출할 수 있는 영상정보로 정의하며, 타겟면적영상은 종자의 배수체 및 반수체를 판별하는 기준이 될 수 있는 영역으로, 본 발명의 실시예에서는 옥수수 종자를 대상으로 하는 경우, 배와 배유의 위치를 포함하는 영역의 영상정보로 정의한다.
다음으로, 형광유발 광조사모듈(140)에서는 상기 검사대상인 종자의 표면에 형광유발을 구현하는 광을 조사할 수 있도록 한다. 검사대상인 종자를 옥수수 종자로 하는 경우, 옥수수 종자의 색소표지를 탐지할 수 있도록 형광반응을 통해 검출된 옥수수 종자의 가운데 부분의 안토시아닌 색소표지의 유무 및 면적을 배수체 및 반수체 판별에 적용할 수 있도록 하기 위함이다.
상기 광조사모듈(140)에서 출사된 광에 반응하는, 상기 종자의 표면의 형광영상을 상기 카메라모듈(120)에 포함되는 형광 감지 센서로 센싱하여 저장할 수 있도록 하며, 이후 종자정보처리부(150)에서는 상기 종자의 기본 기준정보와 상기 형광영상의 정보를 기준으로, 상기 종자의 대비 정보를 산출하게 된다.
이후, 종자정보 판별부(160)에서는 상기 종자정보처리부(150)의 정보와 판별기준이 되는 기준데이터를 대비하여 상기 종자의 배수체 및 반수체 정보를 산출하게 된다. 상기 종자정보 판별부(160)에서는 곡물 종자별로 배와 배유의 안토시아닌 색소표지의 형광발현 이미지의 배수체 및 반수체 판별 기준이 되는 영상정보(외형, 색상, 형광 분광도 등)를 기준정보 데이터베이스(180)에서 전송받아 입력되는 종자정보와 대비하여 배수체 및 반수체를 판별하여 결과를 도출하에 디스플레이 장치를 통해 제시할 수 있도록 할 수 있다.
이를 위해, 상기 종자정보처리부(160)는, 상기 종자영상 입력부(132)에서 입력되는 종자 영상에서, 종자의 전체면적 기준영상 및 타겟면적의 기준영상 정보를 산출하는 종자면적산출부(A)와, 형광감지센서부에서 종자의 표면에서의 형광반응을 감지하고, 상기 종자의 전체면적에서의 제1형광 반응 정보 및 타겟면적에서의 제2형광 반응 정보를 산출하는 형광정보산출부(B)를 포함하여 구성될 수 있다. 이를테면, 검사대상 종자가 옥수수인 경우, 옥수수 종자에는 R1-Navajo(R1-nj)라고 하는 안토시아닌 색소 표지의 존재 여부에 따라 배반에는 안토시아닌 색소가 없고 배유에는 왕관형태의 색소가 발현되는 반수체(monoploid/haploid, n)종자와 배와 배반 모두에서 안토시아닌 색소 침착되는 2배체 종자로 구분할 수 있으며, 이러한 안토시아닌 색소표지 검출로 형광유도 분광기술을 이용하여 R1-nj 유전자로 유래되어 형광 반응하는 안토시아닌 색소표지를 검출하고, 반수체와 배수체를 특정할 수 있다. 따라서, 제1형광반응정보의 경우, 옥수수 종자 전체표면에서 발현하는 형광정보를 의미하며, 제2형광반응정보의 경우, 옥수수의 배와 배유를 포함하는 특정영역을 형광타켓면적으로 지정하여 이에 대한 형광반응이미지를 산출하여 저장하는 것으로 정의할 수 있다.
도 3은 옥수수 종자에서의 형광반응정보를 도출하기 위한 전체면적에 대한 제1형광반응정보와 타겟면적에 대한 제2형광반응정보를 정의하기 위한 이미지이다.
도 3에 도시된 것과 같이, 옥수수 종자의 경우, R1-nj 유전자에 의한 안토시아닌 색소표지의 발현 및 형광영상을 도시한 이미지로, 배와 배유를 포함하는 옥수수 종자의 중심부 영역(이를 테면, 옥수수 종자 전체 면적에서 옥수수 종자의 중심부를 기준으로 종자의 전체 좌우폭에서, 중심부에서 좌우 30%에 해당하는 폭에 해당하는 영역(타켓 면적)에 대한 것을 제2형광반응정보로 산정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 종자처리부(150)에서 옥수수 종자에서 입력되는 영상정보에 대한 이미지 정보를 분류하고, 처리하는 예시 이미지를 도시한 것이다.
도 4의 (a)는 카메라 모듈에서 입력하는 옥수수 종자의 전체면적에 대한 이미지를 입력하여, 종자의 전체면적을 도출하여 저장하는 정보를 예시한 것이고,
도 4의 (b)는 중심부의 배와 배유를 포함하는 영역(노란 원 영역)을 특정하여 종자의 타켓면적을 정의하여 저장하는 정보를 도시한 것이다. 이러한 타켓면적을 정의하게 되면, 이후 해당 타켓면적에서의 형광반응에서, 전체 형광반응 면적과 형광타켓에서의 형광이미지의 발현 정보를 바탕으로 배수체 및 반수체의 기준정보와 대비하여 반수체 및 배수체를 판별할 수 있게 된다.
도 4의 (c)는 상술한 종자 전체면적에서의 형광반응정보를 입수한 것을 예시한 것이며, 도 4의 (d)는 (b)에서 정의한 타켓면적에서의 형광반응 정보를 입수한 것을 예시한 이미지이다.
도 5는 도 4에와 같은 50개의 옥수수 종자의 정보를 처리하여, 가시광과 형광반응에서의 반수체와 배수체의 판별한 결과를 도시한 것이다.
도 5에서 도시된 것과 같이, 가시광영역에서 입수한 종자의 영상정보를 기준으로, 형광반응을 통해 입수한 타겟면적에서의 형광반응, 안토시아닌 색소표지에 대한 발현반응을 분석하게 되는 경우, 정확도 98~100%의 신뢰도를 가지며 배수체와 반수체를 판별할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
이상의 본 발명의 실시예에 따르면, 일부 미세표현되거나 육안으로 판별이 잘 되지 않는 색소표지를 형광반응을 이용하여 검출함으로써, 즉각적으로 배수체와 반수체를 구분할 수 있게 되며, 디지털화된 양적정보를 이용함으로 사람에 의한 주관적인 판별이 아니라 객관적인 판별이 가능하여, 레이저 스캐너와 다르게 즉각(수초 이내)적으로 판별이 가능하다. 특히, 옥수수 종자의 형광 감지센서를 통해 정보를 수집하고 이를 이용하여 배수체 및 반수체 판별에 적용해 연구 및 육종하는데 활용할 수 있으며, 영상을 이용한 기술로 사람의 노동력과 시간을 절약 할 수 있는 장점이 구현된다.
상술한 본 시스템을 통하여 본 발명인, 입력되는 종자 영상을 통해 배수체와 반수체를 판별하는 기능인 영상입력부와 종자정보처리부 및 종자정보 판별부의 기능구성과 이에 따른 일련의 처리과정을 구현하는 방법은 프로그램으로 구현이 가능하다. 즉, 본 발명에서의 방법을 수행하는 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다.
본 발명에의 방법 수행을 위한 기능블록의 과정인 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. "매커니즘", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 바람직한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아니다. 이처럼 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 본 발명의 실시예의 결합을 통해 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
110: 검사스테이지
120: 카메라모듈
130: 영상입력부
132: 종자영상입력부
134: 형광영상입력부
140: 광조사모듈
150: 종자정보처리부
A: 종자면적산출부
B: 형광정보산출부
160: 종자정보판별부

Claims (6)

  1. 검사의 대상이 되는 종자를 검사스테이지에 배치하고, 영상처리부에서 상기 종자의 전체면적 기준영상 및 타겟면적의 기준영상을 입력하는 1 단계;
    상기 검사대상 종자에 형광반응 유발을 위한 광을 조사하는 2단계;
    형광감지센서부에서 상기 종자의 표면에서의 형광반응을 감지하고, 상기 종자의 전체면적에서의 제1형광 반응 정보 및 타겟면적에서의 제2형광 반응 정보를 입수하는 3단계;
    상기 제1형광반응정보 및 상기 제2형광반응정보를 대비하여, 종자정보판별부에서 배수체 및 반수체의 기준점 정보를 기준으로 상기 종자의 배수체 및 반수체 여부를 판별하는 4단계;
    판별된 정보를 디스플레이 하는 4단계;
    를 포함하는 종자의 배수체 및 반수체 판별방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 4단계는,
    상기 종자의 안토시아닌 색소에서의 형광반응에 대한 기준 색소표지를 기준으로, 입력되는 제1형광 반응 정보와 제2형광반응정보를 매칭하여 판별하는 단계인,
    종자의 배수체 및 반수체 판별방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 3단계는,
    상기 종자는 옥수수 종자이며,
    상기 기준 색소표지는, R1-nj 유전자에 의한 안토시아닌 색소표지의 발현에 대한 형광 반응 정보를 입수하는 단계인,
    종자의 배수체 및 반수체 판별방법.
  4. 검사대상이 되는 식물 종자가 배치되는 검사스테이지(110);
    상기 검사스테이지(110) 상에 배치되는 종자의 전체면적영상 및 타켓면적영상을 입수하여 기준 영상을 제공하는 카메라모듈(120);
    상기 카메라모듈에서 입력되는 영상을 기준으로 검사 대상 종자의 기본 기준정보를 입력하는 종자영상 입력부(132);
    상기 검사대상 종자에 형광반응을 유발하는 광을 조사하는 광조사모듈(140);
    상기 광조사모듈에서 출사된 광에 반응하는, 상기 종자의 표면의 형광영상을 센싱하여 저장하는 형광영상 입력부(134);
    상기 종자의 기본 기준정보와 상기 형광영상의 정보를 기준으로, 상기 종자의 대비 정보를 산출하는 종자정보처리부(150);
    상기 종자정보처리부의 정보와 판별기준이 되는 기준데이터를 대비하여 상기 종자의 배수체 및 반수체 정보를 산출하는 종자정보 판별부(160);
    를 포함하는 종자의 배수체 및 반수체 판별 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 종자정보처리부(160)는,
    상기 종자영상 입력부에서 입력되는 상기 종자 영상에서, 전체면적 기준영상 및 타겟면적의 기준영상 정보를 산출하는 종자면적산출부(A);
    형광감지센서부에서 상기 종자의 표면에서의 형광반응을 감지하고, 상기 종자의 전체면적에서의 제1형광 반응 정보 및 타겟면적에서의 제2형광 반응 정보를 산출하는 형광정보산출부(B);
    를 포함하는,
    종자의 배수체 및 반수체 판별 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 종자정보 판별부는,
    상기 종자의 안토시아닌 색소에서의 형광반응에 대한 기준색소표지를 기준으로, 입력되는 제1형광 반응 정보와 제2형광반응정보를 매칭하여 판별하되,
    상기 종자는 옥수수종자이며, 상기 기준색소표지는, R1-nj 유전자에 의한 안토시아닌 색소표지의 발현에 대한 형광 반응 정보인,
    종자의 배수체 및 반수체 판별 시스템.
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