En niobladig majsväxt i kruk sitter på en tallrik i storleken frisbee. Tandemen börjar rotera som mittpunkten ovanpå en gigantisk speldosa, tre grader per sekund, och efter två minuter har växten piruetterat till sin ursprungliga position.

Ännu en minut går, och på en närliggande skärm visas en digital 3D-bild i paletten av Dr Seuss:magenta och kricka och gul, varje blad återges i en annan nyans men nästan identisk med sin faktiska motsvarighet i form, storlek och vinkel.

Den återgivningen och tillhörande data kommer med tillstånd av LiDAR, en teknik som avfyrar pulsat laserljus mot en yta och mäter den tid det tar för dessa pulser att reflektera tillbaka – ju större fördröjning, desto större avstånd. Genom att skanna en växt under hela dess rotation, denna 360-graders LiDAR-teknik kan samla in miljontals 3D-koordinater som en sofistikerad algoritm sedan samlar ihop och digitalt formar in i växtens komponenter:löv, stjälkar, öron.

University of Nebraska-Lincolns Yufeng Ge, Suresh Thapa och deras kollegor har utarbetat tillvägagångssättet som ett sätt att automatiskt och effektivt samla in data om en växts fenotyp:de fysiska egenskaper som framkommer från dess genetiska kod. Ju snabbare och mer exakt fenotypisk data kan samlas in, desto lättare kan forskarna jämföra grödor som har avlats eller genetiskt modifierade för specifika egenskaper – helst de som bidrar till att producera mer mat.

Att påskynda den ansträngningen är särskilt viktigt, forskarna sa, för att möta matbehovet hos en global befolkning som förväntas växa från cirka 7,5 miljarder människor idag till nästan 10 miljarder år 2050.

"Vi kan redan göra DNA-sekvensering och genomforskning mycket snabbt, sa Ge, biträdande professor i biologisk systemteknik. "För att använda den informationen mer effektivt, du måste para ihop den med fenotypdata. Det gör att du kan gå tillbaka och undersöka den genetiska informationen närmare. Men det är nu (når) en flaskhals, eftersom vi inte kan göra det så snabbt som vi vill till en låg kostnad."

Vid tre minuter per planta, teamets upplägg fungerar betydligt snabbare än de flesta andra fenotypningstekniker, sa Ge. Men hastighet spelar liten roll utan noggrannhet, så teamet använde också systemet för att uppskatta fyra egenskaper hos majs- och sorghumväxter. De två första egenskaperna – ytarean på enskilda blad och alla blad på en växt – hjälper till att bestämma hur mycket energiproducerande fotosyntes växten kan utföra. De andra två - vinkeln med vilken löv sticker ut från en stjälk och hur mycket dessa vinklar varierar inom en växt - påverkar både fotosyntesen och hur tätt en gröda kan planteras på ett fält.

Att jämföra systemets uppskattningar med noggranna mätningar av majs- och sorghumplantorna visade lovande resultat:91 procent överensstämmelse om ytan av enskilda blad och 95 procent om total bladarea. Noggrannheten för vinkeluppskattningar var generellt sett lägre men varierade fortfarande från 72 procent till 90 procent, beroende på variabel och typ av växt.

Kameraskygg

Hittills, den vanligaste formen av 3-D-fenotypning har förlitat sig på stereovision:två kameror som samtidigt tar bilder av en växt och slår samman deras perspektiv till en approximation av 3-D genom att identifiera samma punkter från båda bilderna.

Även om bildbehandling har revolutionerat fenotypning på många sätt, den har brister. Den kortaste, Ge sa, är en oundviklig förlust av rumslig information under översättningen från 3-D till 2-D, speciellt när en del av en växt blockerar kamerans sikte på en annan del.

"Det har varit särskilt utmanande för egenskaper som bladyta och bladvinkel, eftersom bilden inte bevarar dessa egenskaper särskilt bra, " sa Ge.

360-graders LiDAR-metoden brottas med färre av dessa problem, forskarna sa, och kräver färre beräkningsresurser när man konstruerar en 3D-bild från dess data.

"LiDAR är fördelaktigt när det gäller genomströmning och hastighet och när det gäller noggrannhet och upplösning, sa Thapa, doktorand i biologisk systemteknik. "Och det blir mer ekonomiskt (än tidigare)."

Går framåt, teamet vill introducera lasrar i olika färger till sin LiDAR-uppsättning. Sättet som en växt reflekterar de extra lasrarna kommer att hjälpa till att indikera hur den tar upp vatten och kväve - det väsentliga för växttillväxt - och producerar det klorofyll som behövs för fotosyntes.

"Om vi ​​kan ta itu med dessa tre (variabler) på den kemiska sidan och dessa andra fyra (variabler) på den morfologiska sidan, och sedan kombinera dem, vi kommer att ha sju egenskaper som vi kan mäta samtidigt, Ge sa. "Då blir jag riktigt glad."

Forskarna rapporterade sin nya metod i tidskriften Sensorer . Ge och Thapa skrev studien med Hongfeng Yu, docent i datavetenskap och teknik; Feiyu Zhu, doktorand i datavetenskap och teknik; och Harkamal Walia, docent i agronomi och trädgårdsodling.