用于对种子进行成像和定向的系统以及使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种系统和方法，用于对种子进行自动或半自动成像和定向，以制备用于转化和转基因工程的种子。本发明专利技术公开了一种用于对种子进行自动制备的方法和设备。根据一个方面，所述方法包括将种子设置在一个表面或容器上，将种子与自动工具接合，将种子定向为进行切割或形成创伤，以及当种子被定向时，切割种子或使种子形成创伤。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求于2014年5月6日提交的美国临时专利申请61/989266的优先权，该申请通过引用明确地并入本文。对相关美国申请的交叉引用对下述申请进行交叉引用：由DonaldL.McCarty，II等人于2014年5月6日提交的题为“SYSTEMFORSEEDPREPARATIONANDMETHODOFUSE”的美国临时专利申请61/989275，以及由DonaldL.McCarty,II等人于2014年5月6日提交的题为“SYSTEMFORCUTTINGANDPREPARINGSEEDSANDMETHODOFUSE”的美国临时专利申请61/989276，这两个申请均通过引用并入本文。
本专利技术总体上涉及用于制备用于植物育种的种子的装置，更具体地说，涉及用于制备基因转化和转基因工程所用种子和种子外植体的装置。
技术介绍
大豆(Glycinemax)是最重要的农作物之一，年作物产量超过2亿吨，并且全世界的估计值超过400亿美元。大豆占全球所有油籽产品的97％以上。因此，用于改进这种珍贵作物的质量和产量的可靠且有效的方法，是非常有意义的。用于改良大豆的传统育种方法受到限制，因为大多数大豆品种仅来自少数亲本品系，导致用于育种的窄种质基因。参见Christou等人，TIBTECH8:145-151(1990)。现代研究的努力集中在植物基因工程技术，以改进大豆生产。转基因方法设计为将期望的基因引入作物植物的可遗传种系中以产生优良植物系。该方法已经成功地增加了几种其它作物植物对疾病、昆虫和除草剂的抗性，同时提高了营养价值。已经开发了用于将基因转移到植物组织中的几种方法，包括高速微投射、微注射、电穿孔和直接DNA摄取。农杆菌介导的基因转化最近已被用于将有关基因引入大豆。然而，大豆已被证明是一个对转基因工程具有挑战性的系统。大豆外植体的有效转化和再生是难以实现的，并且经常难以重复。根癌农杆菌是一种致病的土壤栖细菌，其具有将其称为T-DNA的DNA转移到宿主植物细胞中并诱导宿主细胞产生对细菌营养有用的代谢物的固有能力。使用重组技术，可以用相关的一种或多种基因替换一些或全部T-DNA，产生用于转化宿主植物的细菌载体。农杆菌介导的基因转移通常针对组织培养物中的未分化细胞，但也可以针对取自植物的叶或茎的分化细胞。已经开发了许多用于农杆菌介导的大豆转化的程序，其可以基于经受转化的外植体组织而被宽松地分类。Olhoft等人的美国专利7,696,408公开了用于转化单子叶植物和双子叶植物的子叶节点法。“子叶节点”方法包括：通过就在子叶节点下面切割，从5-7天龄的大豆幼苗中除去下胚轴；切开并分离其余的下胚轴段与子叶；以及从子叶中除去上胚轴。子叶外植体在腋芽和/或子叶节的区域形成创伤，并在黑暗中用根癌农杆菌培养5天。该方法需要种子的体外萌发，并且形成创伤步骤引入显著的变异性。Martinelli等人的美国专利6,384,301公开了将农杆菌介导的基因传送到从大豆种子切下的大豆胚胎中的活的分生组织中，然后用选择剂和激素来培养分生组织外植体以诱导芽形成。类似于“子叶节点”法，优选在感染之前使分生组织外植体形成创伤。Paz等人的美国专利7,473,822公开了称为“半种子外植体”法的、修改的子叶节点法。成熟的大豆种子被吸收、被表面灭菌并沿着种脐被切开。在感染之前，胚轴和芽完全去除，但没有发生其它创伤。农杆菌介导的转化继续进行，选择潜在的转化体，并且在选择培养基上再生外植体。使用这些方法的转化效率一直较低，对于“子叶节点”法为约0.3％至2.8％的量级，对于“分生组织外植体”法为约1.2至4.7％的量级，以及对于“半种子外植体”法为3.2％和8.7％之间(总体上4.9％)的量级。在本领域中近似3％的转化效率是典型的。改进的“切开种子”转基因方案可以加速转基因大豆产品的未来生产和发育。用于将转基因稳定整合到大豆组织中的高效且高产的方法将有助于育种计划并且具有增加作物产量的潜力。
技术实现思路
本专利技术公开了一种用于自动进行种子制备的方法和设备。根据一个方面，所述方法包括将种子布置在表面或容器上，将种子与自动化工具接合，将种子定向为用于进行切割或形成创伤，以及在种子被定向时切割种子或对种子形成创伤。该方法还可以包括部分切割种子的胚轴。在一些实施例中，用外源DNA来转化切割或形成创伤后的种子。本专利技术的范围不限于所使用的具体结构或具体术语。例如，术语“机械臂”可以用术语“自动化工具”代替。另外，术语“表面”或“容器”可以替代术语“托盘”，术语“切割单元”可以替换为术语“切割表面”、“支撑单元”或“单元”。该自动进行种子制备的方法可以包括：拍摄包括至少一个种子的托盘的图像，基于拍摄的图像确定种子在表面或容器(例如，托盘)上的位置，用自动化工具(例如，机械臂)抓取种子，在切割表面(例如，切割单元)上对种子进行定向，以用于进行种子剖分，并且当种子定向在切割表面上时将种子剖分。在一些实施例中，该方法还可以包括部分切割种子的胚轴。在一些实施例中，确定种子的位置可包括确定种子在放有多个种子的托盘上的位置。在一些实施例中，该方法还可以包括：操作机械臂以将种子从托盘移动到分开的位置，在该分开的位置处拍摄种子的多个图像，以及基于多个拍摄图像确定剖分所用的种子的正确方向。在一些实施例中，该多个图像可以由一个相机拍摄，该相机从一个以上视角拍摄图像集。在其它实施例中，拍摄该多个图像可以包括：操作第一相机以从第一视角拍摄种子的第一图像集，以及操作第二相机以从不同于第一视角的第二视角拍摄种子的第二图像集。本文所使用的“图像集”可以包括一个图像或多个图像。另外，在一些实施例中，确定种子的该正确方向可以包括确定种子的种脐的中心和种子的纵向轴线的位置。在一些实施例中，在切割表面(例如，切割单元)上对种子进行定向以用于进行种子剖分，可包括使种子与切割装置的切割刀片沿着由种子的种脐的中心和种子的纵向轴线限定的假想平面对准。在一些实施例中，该方法还可包括当种子位于切割表面上时修剪种子的胚轴。在一些实施例中，基于所述多个拍摄图像确定剖分所用的种子的正确方向，还可以包括确定修剪胚轴所用的种子的正确方向。修剪种子的胚轴可以包括将切割刀片设置成垂直于种子的纵向轴线。在一些实施例中，在切割表面上剖分种子可包括在修剪种子的胚轴之后剖分种子。另外，在一些实施例中，在切割表面上剖分种子可以包括切割穿过少于整个种子。在一些实施例中，该方法可以进一步包括将剖分的种子移至根癌农杆菌溶液。在一些实施例中，该方法可以包括：在抓取种子之前，对自动化工具(例如，机械臂)的抓取器进行消毒。该方法可以包括：操作自动化工具或机械臂以选择切割刀片，并且将切割刀片设置在切割装置上。该方法还可以包括：在种子定向在切割单元上时，通过将切割刀片插入种子中而剖分种子。在一些实施例中，该方法可以包括：在剖分种子之后用相同或不同的自动化工具抓取切割刀片，并且操作自动化工具以用切割装置上的第二切割刀片替换该切割刀片。根据另一方面，种子制备设备包括：第一相机，其被构造为拍摄放置在表面或托盘上的种子的第一图像集；机械臂，其可进行操作以抓取种子并将种子从表面或托盘移动到光亮腔室；第二相机，其被构造为拍摄光亮腔室内的种子的第二图像集；和切本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对种子成像的方法，所述方法包括：使用机械臂将包括种脐的种子定位在光亮区域内，将种子投影到垂直于所述光亮区域的中心轴线延伸的第一平面上，旋转种子以将种子定向为平行于位于所述第一平面中的第一假想水平线，将种子投影到垂直于所述第一平面延伸的第二平面上，将种子定向为平行于位于所述第二平面中的第二假想水平线，识别在种子的种脐与所述第二假想水平线之间的距离，基于所识别的距离，对种子进行定向以将种脐定位在所述第二假想水平线上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.06 US 61/989,2661.一种用于对种子成像的方法，所述方法包括：使用机械臂将包括种脐的种子定位在光亮区域内，将种子投影到垂直于所述光亮区域的中心轴线延伸的第一平面上，旋转种子以将种子定向为平行于位于所述第一平面中的第一假想水平线，将种子投影到垂直于所述第一平面延伸的第二平面上，将种子定向为平行于位于所述第二平面中的第二假想水平线，识别在种子的种脐与所述第二假想水平线之间的距离，基于所识别的距离，对种子进行定向以将种脐定位在所述第二假想水平线上。2.根据权利要求1所述的方法，其中，对种子进行定向以将种脐定位在所述第二假想水平线上，包括对种子进行定向以将种脐的中心定位在所述第二假想水平线上。3.根据权利要求2所述的方法，其中，对种子进行定向以将种脐的中心定位在所述第二假想水平线上，包括对种子进行定向，使得种脐的质心与种子的质心重合。4.根据权利要求1所述的方法，还包括：识别种子的胚胎的位置，识别种脐最靠近所识别位置的边缘和种子沿所述第二假想水平线的外边缘，识别种脐的边缘和种子的外边缘之间要对种子的胚轴进行修剪的点。5.根据权利要求4所述的方法，其中，识别胚胎的位置包括使用特征匹配来分析种子在所述第二平面上的一个以上投影。6.根据权利要求1所述的方法，其中：将种子投影到所述第一平面上包括用第一相机拍摄第一图像，将种子投影到所述第二平面上包括用第二相机拍摄第二图像。7.根据权利要求6所述的方法，其中：所述第一相机的光轴与所述第二相机的光轴平行，用所述第一相机拍摄第一图像包括拍摄从相对于所述第一相机的光轴以45度角延伸的反射镜反射的光。8.根据权利要求1所述的方法，其中：旋转种子以将种子定向为平行于所述第一假想水平线，包括响应于确定种子未被定向为平行于所述第一假想水平线而旋转种子，将种子定向为平行于所述第二假想水平线，包括响应于确定种子未被定向为平行于所述第二假想水平线而对种子进行定向，以及对种子进行定向以将种脐定位在所述第二假想水平线上，包括响应于确定种脐未定位在所述第二假想水平线上而对种子进行定向。9.根据权利要求1所述的方法，还包括：分析与种子在所述第一平面上的投影相对应的第一图像，以确定种子相对于所述第一假想水平线的方向，以及分析与种子在所述第二平面上的投影相对应的第二图像，以确定种子相对于所述第二假想水平线的方向。10.根据权利要求9所述的方法，其中：分析所述第二图像包括：(i)识别种子的第一纵向端和第二纵向端，(ii)识别种子在所述第一纵向端处的左矩形竖向横截面，(iii)识别种子在所述第二纵向端处的右矩形竖向横截面，(iv)确定所述左矩形竖向横截面和所述右矩形横截面中的每一个的质心，以及(v)将所述左矩形竖向横截面的质心和所述右矩形竖向横截面的质心用假想线段互相连接起来，将种子定向为平行于所述第二假想水平线，包括对种子进行定向，使得所述线段平行于所述第二假想水平线。11.根据权利要求10...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·L·麦卡蒂二世，S·R·切纳里迪，T·齐察克，R·萨里亚，D·T·吉莱斯皮，
申请(专利权)人：美国陶氏益农公司，
类型：发明
国别省市：美国;US