Способы и устройства для анализа образцов сельскохозяйственной продукции

Способы и устройства для анализа образцов сельскохозяйственной продукции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для анализа образцов сельскохозяйственной продукции. Изобретение относится, в частности, к устройству и способу для неразрушающего анализа в реальном времени физических и химических свойств одного или более семян.

Селекция высококачественных по составу сельскохозяйственных продуктов может потребовать анализа большого количества образцов (проб) семян растений и идентификации растений с требуемыми структурными и агрономическими признаками, которые можно использовать непосредственно или для улучшения свойств следующих поколений. Необходимым условием для селекции и получения коммерческой популяции сельскохозяйственных продуктов, обладающих определенными привнесенными особенностями, является анализ этих характерных особенностей, таких как высокое содержание масла или белка, присущих большой партии семян, полученных от одного растения или колоса (початка), при соответствующей методике селекции, в качестве которой можно использовать, в частности, рекуррентную селекцию. В принципе такие партии семян можно анализировать различными методами, однако обычно для этого используют быстрые, недорогие и неразрушающие методы.

В последние десять лет стандартным методом отбора образцов (проб) семян стала спектроскопия в ближней инфракрасной (БИК) области, которую применяют во всех случаях, когда она позволяет выявить интересующий образец. К обычно исследуемым этим методом сельскохозяйственным культурам относятся пшеница, кукуруза, соя культурная, рапс, рис, люцерна, овес и другие растения (см., например, работу Massie и Norris, "Spectral Reflectance and Transmittance Properties of Grain in the Visible and Near Infrared", Transaction of the ASAE, Winter Meeting of the American Society of Agricultural Engineers, 1965, cc.598-600, которая в полном объеме включена в настоящее описание в качестве ссылки). БИК-спектроскопия использует излучение ближней (длинноволновой) ИК-области спектра, обычно в диапазоне от 770 до 2500 нм, для доступа к обертонам и комбинациям собственных частот колебаний органических функциональных групп O-Н, С-Н и N-H. Устройства для измерения такого длинноволнового инфракрасного излучения в настоящее время достаточно хорошо известны (см., например, работу Hyvarinen и др., "Direct Sight Imaging Spectrograph: A Unique Add-on Component Brings Spectral Imaging to Industrial Application", SPIE, т.3302, 1998, и справочник "Handbook of Near-Infrared Analysis", под ред. Burns и Ciuczak, изд-во Marcel Dekker, Inc., 1992, которые в полном объеме включены в настоящее описание в качестве ссылок).

При таких анализах обычно определяется БИК-спектр, ассоциированный с партией семян (для чего, например, используют кювету, способную вместить 100 семян). БИК-спектроскопию можно совместить с обычным химическим анализом образца (пробы) для получения дополнительных данных и построения хемометрической калибровочной модели. Хемометрические калибровочные модели часто разрабатывают для оценки не только таких характеристик семян, как содержание в них масла, крахмала, воды, клетчатки, белка, экстрагируемого крахмала, хлорофилла, глюкозинолятов и жирных кислот, но и ряда других свойств (см. например, работы Archibald и др., "Development of Short-Wavelength Near-Infrared Spectral Imaging for Grain Color Classification", SPIE, т.3543, 1998, сс. 189-198; Delwiche, "Single Wheat Kernel Analysis by Near-Infrared Transmittance: Protein Content", Analytical Techniques and Instrumentation, т.72, 1995, сс.11-16; Dowell, "Automated Color Classification of Single Wheat Kernels Using Visible and Near-Infrared Reflectance", т.75(1), 1998, сс.142-144; Orman и Schumann, "Comparison of Near-Infrared Spectroscopy Calibration Methods for the Prediction of Protein, Oil and Starch in Maize Grain", т.39, 1991, сс.883-886; Robutti, "Maize Kernel Hardness Estimation in Breeding by Near-Infrared Transmission Analysis", т.72(6), 1995, сс.632-636; патенты US 5991025 и US 5751421; Daun и др., "Comparison of Three Whole Seed Near-Infrared Analyzers for Measuring Quality Components of Canola Seed", т.71, №10, 1994, сс.1063-1068; "Corn: Chemistry and Technology", под ред. Watson и Ramstad, изд-во American Association of Cereal Chemists, Inc., 1987, которые в полном объеме включены в настоящее описание в качестве ссылок). Разработанную хемометрическую модель можно затем использовать для предсказания химических свойств нетестированных образцов по данным БИК-спектроскопии без дополнительного проведения обычного химического анализа.

В литературе описаны различные методы БИК-анализа большого количества образцов, измельченных или целых (см. например, работы Orman и Schumann, "Comparison of Near-Infrared Spectroscopy Calibration Methods for Prediction of Protein, Oil and Starch in Maize Grain", т.39, 1991, сс.883-886; Robutti, "Maize Kernel Hardness Estimation in Breeding by Near-Infrared Transmission Analysis", т.72(6), 1995, сс.632-636, патенты US 5991025, US 5751421; Daun и др., "Comparison of Three Whole Seed Near-Infrared Analyzers for Measuring Quality Components ofCanola Seed", т.71, №10, 1994, сс.1063-1 068, которые в полном объеме включены в настоящее описание в качестве ссылок). Известные в настоящее время промышленные БИК-спектрометры, предназначенные для анализа большого количества семян или зерен, обладают несколькими недостатками. Такие спектрометры были разработаны для работы в лабораторных условиях, обычно далеко от селекционных полей, при контролируемой температуре, влажности и небольших вибрациях. Кроме того, работа с такими спектрометрами требует больших затрат ручного труда.

Анализируемые образцы должны быть собраны, направлены в селекционную лабораторию, обмолочены, упакованы, помечены и только после этого отправлены в лабораторию для проведения БИК-анализа. В лаборатории образцы регистрируют, извлекают из пакетов, насыпают в кюветы, сканируют БИК-спектрометром, помещают обратно в исходный пакет и отправляют в селекционную лабораторию. Полученные в результате БИК-анализа данные собирают в окончательный отчет, просматривают на предмет наличия любых аномалий и отсылают обратно селекционеру, который размещает и сортирует образцы на основе полученных результатов БИК-анализа. Очевидно, что большой объем ручной работы с образцами заметно увеличивает время анализа и затраты на его проведение.

Существующие методы БИК-спектроскопии не только трудоемки и дороги, но и требуют достаточно большого времени для получения конечного результата. Время обработки данных часто может иметь существенное значение, поскольку селекция соответствующих семян должна предшествовать времени высадки следующей популяции растений. Большая задержка по времени в получении селекционером результатов анализа или возврат образцов могут привести к потере всего селекционного цикла.

Кроме того, скорость сбора и обработки данных при существующих методах не соответствует скорости, с которой могут работать современные машины для обработки зерна. Так, например, одна кукурузная молотилка может переработать до 15 початков кукурузы в минуту. Существующие в настоящее время промышленные БИК-спектрометры проводят анализ приблизительно одного образца каждые одну или две минуты. Поэтому именно скорость, с которой работает спектрометр, является, как правило, основным фактором, ограничивающим скорость всего процесса анализа.

Известные в настоящее время спектрометры собирают информацию от подмножества всей массы исследуемых семян. Промышленные спектрометры анализируют излучение от единственной точки или нескольких десятков точек с небольшой активной площадью и поэтому исследуют только небольшую часть всей массы исследуемых семян. Так, например, при анализе большого объема семян может оказаться, что результаты анализа отражают свойства только нескольких из сотни взятых для анализа семян. Кроме того, поскольку полученные результаты анализа характеризуют свойства какой-либо случайно выбранной части отдельного семени, различные ткани всех взятых для анализа семян могут аналитически представляться неправильно. Поскольку в различных тканях семян содержится, например, различное количество масла, применяемый в настоящее время метод анализа может не дать точной оценки того или иного качества исследуемых семян. Такого рода ограничения характерны для спектрометров с обычной оптической схемой, в которой излучение от образца собирается системой линз, а также для спектрометров, в которых для собирания излучения от образца используются пучки оптического волокна. Кроме того, из-за сканирования отдельных, не связанных друг с другом точек анализируемых семян происходит потеря информации, характеризующей распределение в пространстве тех или иных характеристик семян. К такого рода пространственной информации (которую можно, например, использовать для определения морфологии) относятся, например, размеры и форма семян, наличие механических повреждений, заражение насекомыми и повреждение грибами. Известные в настоящее время спектрометры вообще не дают пространственной информации и не позволяют поэтому оценить корреляцию между пространственными и спектральными данными, характеризующими различные свойства семян.

Известные в настоящее время спектрометры не позволяют создать эффективный метод анализа одного семени, который может существенно ускорить весь процесс сортовой селекции. Анализ одного семени необходим для дифференциации и выбора того или иного семени, присутствующего в гетерогенной популяции семян. Гетерогенная популяция семян достаточно часто встречается в селектируемых популяциях. Анализ одного семени может сократить число поколений, необходимых для создания растения с необходимыми свойствами. Анализ одного семени также может сократить требуемое число отдельных растений. Так, например, возможность идентифицировать в колосе отдельные семена, обладающие соответствующими характеристиками, может в 100 раз сократить требования к плантации, на которой выращивают семена. В результате этого при одних и тех же возможностях удается выполнить существенно больший объем селекционных работ.

В настоящее время опубликовано достаточно много работ, посвященных БИК-анализу одного семени (см. например, работы Delwiche, "Single Wheat Kernel Analysis by Near-Infrared Transmittance: Protein Content", Analytical Techniques and Instrumentation, т.72, 1995, сс.11-16; Dowell, "Automated Color Classification of Single Wheat Kernels Using Visible and Near-Infrared Reflectance", т.75(1), 1998, сс.142-144; Dowell и др., "Automated Single Wheat Kernel Quality Measurement Using Near-Infrared Reflectance", ASAE Annual International Meeting, 1997, статья 973022, которые в полном объеме включены в настоящее описание в качестве ссылок). Однако в этих работах анализ семян предлагают проводить путем фотометрического анализа излучения от всего семени и вычисления средней интенсивности излучения, что исключает возможность получения информации о каждом конкретном семени.

Другие известные в настоящее время методы, например газовая хроматография, также нельзя использовать для эффективного анализа одного семени. Так, например, известный метод анализа семян рапса с применением метода газовой хроматографии вручную на содержание жирной кислоты основан на исследовании одной половины каждого разрезанного на две части семени и высевании его другой половины. Подготовка образца для исследований вручную и низкая производительность такого метода анализа позволяют проанализировать таким путем в течение одного часа очень небольшое количество семян.

Используемые в настоящее время спектрометры и методы выборочного исследования семян не позволяют несмотря на существующую потребность создать эффективный метод анализа одного семени. Известные в настоящее время методы анализа свойств семян требуют больших затрат ручного труда и поэтому существенно ограничивают возможности создания растений с улучшенными характеристиками.

Существующие в настоящее время методы спектроскопического анализа не позволяет определять уровни разложения химических компонентов в различных тканях семян. Такие известные методы, основанные на разрезании вручную каждого семени и последующем химическом анализе традиционными методами, не только весьма трудоемки и требуют разделения семени на отдельные части, но и обладают низкой разрешающей способностью в разделении компонентов не только весьма трудоемки и требуют разделения семени на отдельные части, но и обладают низкой разрешающей способностью в разделении компонентов семени и небольшой точностью из-за небольших размеров исследуемого образца, полученного после разрезания семени, которые оказываются ниже размеров образцов, анализ которых традиционными способами обычно позволяет получить достаточно надежные результаты.

В некоторых известных в настоящее время системах формирования и обработки изображений с перестраиваемым фильтром, преобразующим световое излучение образца (пробы) в излучение на одной длине волны, воспроизводится одновременно весь образец (см. работу Archibald и др., "Development of Short-Wavelength Near-Infrared Spectral Imaging for Grain Color Classification", SPIE, т.3543, 1998, сс.189-198, которая в полном объеме включена в настоящее описание в качестве ссылки). Описанный в этой работе способ не находит, однако, широкого применения из-за проблем, связанных с равномерным освещением образца. При неравномерном освещении образца в изображении появляются области с низким качеством изображения, что существенно ограничивает точность любой информации, полученной этим способом. Кроме того, работа с перестраиваемыми фильтрами занимает значительное время и существенно замедляет весь процесс анализа.

В настоящее время ощущается острая необходимость в создании устройств и разработке способов быстрого анализа большого по объему количества семян, а также одного семени, обеспечивающих возможность эффективного не требующего разрушения семени проведения анализа морфологических или химических свойств отдельных семян с помощью соответствующей аппаратуры, встроенной в сельскохозяйственную обрабатывающую машину. Именно такие устройства и способы предлагаются в настоящем изобретении.

В настоящем изобретении предлагаются устройство и способ для неразрушающего (недеструктивного) анализа в реальном времени физических и химических свойств одного или более семян. Анализ семян проводят направлением на них излучения и анализа прошедшего или отраженного излучения. Прошедшее или отраженное от образца (объекта анализа или пробы) излучение можно разлагать на спектральные компоненты с различными (индивидуальными) длинами волн, детектируемые с помощью массива или матрицы точек сбора данных. Формируемые объединенными в массив или матрицу точками сбора данных сигналы можно использовать для определения величины любой из многочисленных химических или морфологических характеристик семян.

В частности, в настоящем изобретении предлагается способ определения наличия у образца определенного свойства, заключающийся в том, что на образец направляют излучение с получением смешанных длин волн, эмитируемого множеством дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек образца, разлагают эмитируемое излучение смешанных длин волн для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множество спектральных компонент с индивидуальными данными волн, для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки в соответствующем спектральном изображении выявляют длины волн отдельных спектральных компонент и выявленные спектральные компоненты с индивидуальными длинами волн подвергают обработке сопоставлением с моделью, которая устанавливает связь между наличием в спектральном изображении определенных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн и наличием определенного свойства в соответствующей дискретно расположенной в пространстве анализируемой точке, для определения наличия у образца определенного свойства в каждой из дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек.

Объектом изобретения является такте соответствующее устройство для определения наличия у образца определенного свойства, имеющее источник излучения, предназначенный для направления на образец излучения с получением излучения смешанных длин волн, эмитируемого от множества дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек орбиты, спектрограф, предназначенный для разложения эмитируемого излучения смешанных длин волн для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множество спектральных компонент с индивидуальными длинами волн, камеру, содержащего детектор, который для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки позволяет выявлять в соответствующем спектральном изображении длины волн отдельных спектральных компонент, и процессор, предназначенный для сопоставления выявленных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн с моделью, которая устанавливает связь между наличием в спектральном изображении определенных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн и наличием определенного свойства в соответствующей дискретно расположенной в пространстве анализируемой точке образца, для определения наличия у образца определенного свойства в каждой из дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек.

В настоящем изобретении предлагается также способ исследования образца сельскохозяйственной продукции, заключающийся в том, что (А) на участок образца сельскохозяйственной продукции направляют имеющее вид полоски излучение с получением эмитируемого образцом излучения, (Б) это эмитируемое излучение разлагают с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множество спектральных компонент с индивидуальными длинами волн для каждой из множества анализируемых точек, дискретно расположенных в пространстве на указанном участке образца вдоль полоски излучения, (В) для каждой дискретно расположенной в пространстве вдоль полоски излучения анализируемой точки в соответствующем спектральном изображении выявляют длины волн отдельных спектральных компонент, (Г) повторяют стадии (А)-(В) для сканирования каждого участка образца и (Д) на основании выявленных длин волн отдельных спектральных компонент в каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точке для каждого из сканированных участков формируют куб гиперспектральных данных для всего образца.

Объектом изобретения является также соответствующее устройство для исследования образца сельскохозяйственной продукции, имеющее источник излучения, предназначенный для направления на участок образца сельскохозяйственной продукции имеющего вид полоски излучения с получением эмитируемого образцом излучения, спектрограф, предназначенный для разложения эмитируемого излучения с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множество спектральных компонент с индивидуальными длинами волн для каждой из множества анализируемых точек, дискретно расположенных в пространстве на указанном участке образца вдоль полоски излучения, камеру, содержащую детектор, который для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки позволяет выявлять в соответствующем спектральном изображении длины волн отдельных спектральных компонент, устройство для перемещения образца относительно полоски излучения и тем самым для сканирования каждого участка образца, и процессор, который на основании выявленных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн в каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точке для каждого из сканированных участков образца позволяет получать куб гиперспектральных данных для образца.

В настоящем изобретении предлагается также способ дифференциации гаплоидных и негаплоидных образцов, заключающийся в том, что на семя направляют излучение с получением излучения смешанных длин волн, эмитируемого множеством дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек семени, это эмитируемое излучение смешанных длин волн разлагают для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множество спектральных компонент с индивидуальными длинами волн, для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки в соответствующем спектральном изображении выявляют спектральные компоненты с индивидуальными длинами волн, и выявленные спектральные компоненты с индивидуальными длинами волн для каждой из дискретно расположенных в пространстве на семени точек подвергают обработке сопоставлением с моделью, которая устанавливает связь между наличием в спектральном изображении определенных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн и фенотипом, проявление которого обусловлено наличием у семени гаплоидного свойства, для определения того, является ли семя гаплоидом.

Объектом изобретения является такте соответствующее устройство для дифференциации гаплоидных и негаплоидных образцов, имеющее источник излучения, предназначенный для направления на семя излучения с получением излучения смешанных длин волн, эмитируемого от множества дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек семени, спектрограф, предназначенный для разложения эмитируемого излучения смешанных длин волн для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множество спектральных компонент с индивидуальными длинами волн, камеру, содержащую детектор, который для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки позволяет выявлять в соответствующем спектральном изображении спектральные компоненты с индивидуальными длинами волн, и процессор, предназначенный для сопоставления выявленных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн для каждой из дискретно расположенных в пространстве на семени анализируемых точек с моделью, которая устанавливает связь между наличием в спектральном изображении определенных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн и фенотипом, проявление которого обусловлено наличием у семени гаплоидного свойства, для определения того, является ли семя гаплоидом.

В настоящем изобретении предлагается также способ дифференциального анализа частей образца сельскохозяйственной продукции, заключающийся в том, что на образец направляют излучением с получением излучения смешанных длин волн, эмитируемого множеством дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек образца, это эмитируемое излучением смешанных длин волн разлагают для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множество спектральных компонент с индивидуальными длинами волн, для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки в соответствующем спектральном изображении выявляют спектральные компоненты с индивидуальными длинами волн, и выявленные спектральные компоненты с индивидуальными длинами волн для каждой из дискретно расположенных в пространстве на образце точек подвергают обработке сопоставлением с моделью, которая устанавливает связь между наличием в спектральном изображении определенных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн и определенными частями образца, для идентификации одной или нескольких дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек как точек, относящихся к определенной части образца.

Объектом изобретения является также соответствующее устройство для дифференциального анализа частей образца сельскохозяйственной продукции, имеющее источник излучения, предназначенный для направления на образец излучения с получением излучения смешанных длин волн, эмитируемого от множества дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек образца, спектрограф, предназначенный для разложения эмитируемого излучения смешанных длин волн для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множество спектральных компонент с индивидуальными длинами волн, камеру, содержащую детектор, который для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки позволяет выявлять в соответствующем спектральном изображении спектральные компоненты с индивидуальными длинами волн, и процессор, предназначенный для сопоставления выявленных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн для каждой из дискретно расположенных в пространстве на образце анализируемых точек с моделью, которая устанавливает связь между наличием в спектральном изображении определенных спектральных компонент с индивидуальными длинами волн и определенными частями образца, для идентификации одной или нескольких дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек как точек, относящихся к определенной части образца.

В настоящем изобретении предлагается также способ определения наличия у образца сельскохозяйственной продукции определенного свойства, заключающийся в том, что на образец сельскохозяйственной продукции направляют излучение с получением излучения смешанных для волн, эмитируемого множеством дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек образца, это эмитируемое излучение смешанных длин волн разлагают для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множество спектральных компонент с индивидуальными длинами волн, для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки в соответствующем спектральном изображении выявляют спектральные компоненты с индивидуальными длинами волн и подвергают выявленные спектральные компоненты обработке для определения наличия у образца определенного свойства в каждой из дискретно расположенных в пространстве анализируемый точек на основании спектральных компонент с индивидуальными длинами волн в соответствующем спектральном изображении.

Объектом изобретения является также соответствующее устройство для определения наличия у образца сельскохозяйственной продукции определенного свойства, имеющее источник излучения, предназначенный для направления излучения на образец сельскохозяйственной продукции с получением излучения смешанных длин волн, эмитируемого от множества дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек образца, спектрограф, предназначенный для разложения эмитируемого излучения смешанных длин волн для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки с получением соответствующего спектрального изображения, содержащего множеством спектральных компонент с индивидуальными длинами волн, фотометрическое устройство, позволяющее для каждой дискретно расположенной в пространстве анализируемой точки выявлять в соответствующем спектральном изображении длины волн отдельных спектральных компонент, и процессор, предназначенный для определения наличия у образца определенного свойства в каждой из дискретно расположенных в пространстве анализируемых точек на основании спектральных компонент с индивидуальными длинами волн в соответствующем спектральном изображении.

На прилагаемых к описанию чертежах показано:

на фиг.1 - схематичное изображение одного из возможных вариантов выполнения источника излучения, пробоотборника и фотометрического устройства,

на фиг.1а - схематичное изображение одного из возможных вариантов выполнения фотометрического устройства, представляющего собой в данном варианте обычный спектрометр,

на фиг.1б - схематичное изображение одного из возможных вариантов выполнения источника излучения,

на фиг.1в - схематичное изображение одного из возможных вариантов выполнения пробоотборника,

на фиг.2 - схематичное изображение одного из возможных вариантов выполнения формирующего изображение прямоосного спектрографа с оптической системой типа призма-дифракционная решетка-призма,

на фиг.3 - схематичное изображение набора данных,

на фиг.4 - изображение образца (пробы) семян (зерен кукурузы),

на фиг.5 - схематичное изображение одного из возможных вариантов выполнения автоматического устройства, предназначенного для приготовления, анализа и сортировки большого количества семян,

на фиг.6 - один из возможных вариантов выполнения показанной в виде схемы электронной системы управления, которую можно на практике использовать в устройстве, показанном на фиг.5,

на фиг.7 - пример полученного при длине волны 1100 нм увеличенного полутонового изображения образца, состоящего из большого количества семян,

на фиг.8 - схематичное изображение другого варианта выполнения предлагаемого в изобретении устройства, выполненного в виде системы для формирования спектральных изображений с диффузным пропусканием излучения,

на фиг.9 - схематичное изображение одного из возможных вариантов выполнения предлагаемого в настоящем изобретении устройства, предназначенного для анализа одного семени,

на фиг.10 - изображение подноса с 24 зернами кукурузы,

на фиг.11 - график зависимости коэффициента отражения от длины волны для усредненного спектра 96 образцов, состоящих из большого количества зерен,

на фиг.12 - график зависимости коэффициента отражения для четырех усредненных спектров, показанных на фиг.11, от длины волны,

на фиг.13 - график зависимости полной объясняемой дисперсии (%) достоверности данных от номера основной компоненты для образцов с большим количеством зерен,

на фиг.14 - график зависимости предсказанного содержания масла от эталонного содержания масла для образцов с большим количеством зерен,

на фиг.15 - график зависимости предсказанного содержания белка от эталонного содержания белка для образцов с большим количеством зерен,

на фиг.16 - график зависимости предсказанного содержания крахмала от эталонного содержания крахмала для образцов с большим количеством зерен,

на фиг.17 - график зависимости предсказанного содержания влаги от эталонного содержания влаги для образцов с большим количеством зерен,

на фиг.18 - суммарные характеристики полученной методом частичных наименьших квадратов (ЧНК) модели типа 2, полная перекрестная проверка достоверности результатов анализа содержания масла, белка, крахмала и влаги,

на фиг.19 - график зависимости коэффициента отражения от длины волны для 288 образцов в виде отдельных зерен кукурузы,

на фиг.20 - графики зависимости коэффициента отражения от длины волны для 6 отдельных зерен кукурузы, выбранные из графиков, показанных на фиг.19,

на фиг.21 - график зависимости полной объясняемой дисперсии (%) достоверности данных от номера основной компоненты для образцов в виде отдельных зерен кукурузы и

на фиг.22 - график зависимости предсказанного содержания масла от эталонного для 265 отдельных зерен кукурузы.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Аналитические методы

В настоящем изобретении предлагаются аналитические методы анализа семян, обладающих необходимыми свойствами. Предлагаемые в настоящем изобретении аналитические методы позволяют анализировать отдельные части или атрибуты одиночных семян. Эти методы, кроме того, позволяют на основе анализа отдельных семян из партии семян или большого количества семян определить распределение свойств семян во всей партии.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в нем предлагается способ определения наличия у семени определенного свойства, заключающийся в том, что (А) семя помещают в пробоотборник, (Б) на семя направляют излучение от источника излучения с получением отраженного излучения, (В) отраженное излучение пропускают через спектрограф с получением разложенного излучения, (Г) принимают разложенное излучение фотометрическим устройством, в котором имеется массив или матрица из множества точек сбора данных, (Д) для каждой из множества точек сбора данных выводят сигнал из фотометрического устройства и (Е) определяют на основе этих сигналов наличие у семени определенного свойства.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения в нем предлагается способ определения наличия у семени определенного свойства, заключающийся в том, что (А) семя помещают в пробоотборник, (Б) на семя направляют излучение от источника излучения с получением проходящего излучения, (В) проходящее излучение пропускают через спектрограф с получением разложенного излучения, (Г) принимают разложенное излучение фотометрическим устройством, в котором имеется массив или матрица из множества точек сбора данных, (Д) для каждой из множества точек сбора данных выводят сигнал из фотометрического устройства и (Е) определяют на основе этих сигналов наличие у семени определенного свойства.

Предлагаемые в настоящем изобретении способы можно использовать для определения любого свойства семян, которое может быть измерено методами спектроскопии в ближней инфракрасной (БИК) области. В одном из предпочтительных вариантов определяют наличие у семян определенного биохимического свойства. В настоящем описании под биохимическим свойством подразумевается любое свойство, от которого зависит химический состав исследуемого семени (ткани) сельскохозяйственного растения. В предпочтительном варианте такое биохимическое свойство выбирается из группы, включающей содержание в анализируемом образце масла, белка, углевода, крахмала, клетчатки и влаги. При этом предполагается, что содержание этих компонентов относится к их количеству, составляющему, например, 5 мг белка на семя или 5 мг белка на 10 г сухой массы ткани. В другом из предпочтительных вариантов определяемое в процессе анализа биохимическое свойство выбирают из группы, включающей состав содержащегося в анализируемом образце масла, белка, углевода и клетчатки. При этом предполагается, что состав того или иного компонента относится к биохимической структуре анализируемого образца, например к отношению белков с высокой молекулярной массой к белкам с низкой молекулярной массой или отношению насыщенных масел к ненасыщенным.

Так, например, в одном из вариантов предлагаемые в изобретении способы используются для выявления образцов, составом крахмала в которых определяется требуемый фенотип. Крахмал из нормальной зубовидной или твердой кукурузы состоит приблизительно на 73% из амилопектина (фракция крахмала с молекулами с разветвленными цепями) и на 27% из амилозы (фракция с молекулами с линейными цепями). Восковидная кукуруза (имеющая ген wx) впервые была обнаружена в Китае, однако восковидные мутации также были обнаружены в штаммах американской зубовидной кукурузы. Крахмал из этого мутанта на 100% состоит из амилопектина. Мутантный ген-усилитель амилозы (ген ае, amylose-extender) увеличивает амилозную фракцию крахмала в эндосперме более чем на 50%. Зерно такой кукурузы имеет тусклый, полупрозрачный цвет и кажется незрелым. Некоторые другие мутантные гены, отдельно или в комбинации с другими, изменяют в крахмале соотношение между амилозой и амилопектином. Свойства получаемого из обычной кукурузы характерного твердого непрозрачного крахмального геля определяются по существу амилозной фракцией крахмала. Свойства крахмала восковидной кукурузы зависят от образующихся амилопектиновых золей, имеющих характерную мягкую полупрозрачную клейкую форму. Такие различия в свойствах натурального крахмального геля обусловлены модификацией крахмала и могут оказаться полезными. Предлагаемые в настоящем изобретении способы анализа позволяют легко дифференцировать различные мутантные типы и могут использоваться для их селекции высокопроизводительным, неразрушающим методом.

В других вариантах осуществления изобретения предлагаемые в нем способы используются, например, для идентификации образцов с определенным эндоспермом. Предлагаемым в изобретении способом были, например, идентифицированы несколько мутантов эндосперма с измененным балансом аминокислот. При этом было показано, что мутантные линии opaque-2 (o2), floury-2 (fl2) и opaque-7 (o7) имели в эндосперме пониженное содержание зеинов (белок в зерне, в котором недостает незаменимых аминокислот, таких как лизин и триптофан) и повышенное содержание лизина. Зерна с геном opaque-2 характеризуются мягким, мертвенно-белым, непрозрачным цветом и содержат очень мало твердого стекловидного эндосперма. Предлагаемые в настоящем изобретении способы позволяют легко дифференцировать характеризующиеся различными мутантными типами и уровнями лизина зерна кукурузы и, следовательно, могут быть использованы в качес