高光譜表型監(jiān)測平臺監(jiān)測實時作物病害

說到育種不得不提到“表型”的概念，在生物學(xué)和遺傳育種領(lǐng)域，特別是作物育種領(lǐng)域，表型是指基因型和環(huán)境決定的形狀、結(jié)構(gòu)、大小、顏色等生物體的外在性狀。表型組又是指某一生物的全部性狀特征，不僅僅局限于農(nóng)藝性狀，還應(yīng)更加關(guān)注植株所表現(xiàn)出來的生理狀態(tài)。隨著多數(shù)代表植物全基因組測序的結(jié)束，科研人員越來越認(rèn)識到植物表型研究的重要性，并將其提到的“組學(xué)”的高度。植物表型組學(xué)是研究植物的生長、表現(xiàn)和組成的科學(xué)，它的研究可以從小至核苷酸序列細(xì)胞，大至組織、器官種屬群體的表型來研究分析，并且可以進(jìn)一步整合到基因組學(xué)研究中；而從系統(tǒng)生物學(xué)角度來看，從基因組到轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組以及表型組，表型組是各種組的表現(xiàn)形式。因此，植物表型組學(xué)的研究將是涉及植物各個方面的研究領(lǐng)域。

高光譜成像傳感器是近幾年研究用于監(jiān)測不同環(huán)境中農(nóng)作物和植被的有效工具。植物的生理學(xué)，形態(tài)學(xué)或生物化學(xué)信息可以通過非接觸的方式以及不同尺度下評估。例如，利用高光譜傳感器用于植物表型分析或精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的生理脅迫研究。

圖1  表型溫室（a：室內(nèi)，b：室外）

圖1 為波恩大學(xué)Jan Behmann利用小型mini地塊研究不同大麥品種的試驗田。不同的大麥品種分別接種了白粉病，并設(shè)計了對照實驗，接種前后分別利用以高光譜成像儀Specim V10E進(jìn)行觀測，觀察不同發(fā)病期不同大麥品種的光譜變化。

圖2  植株健康組織和白粉病發(fā)病組織的光譜特征和豐度圖

 研究結(jié)果表明，盡管在冠層尺度上進(jìn)行測量存在固有的困難，但該系統(tǒng)依然能夠在早期階段檢測出疾病癥狀，并可以在較長時期內(nèi)詳細(xì)評估疾病的嚴(yán)重程度和發(fā)病過程。與人工評估相比，系統(tǒng)能更早的檢測出發(fā)病癥狀且自動評估結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)94.83％。

表1  試驗過程中大麥品種病情發(fā)展的人工分級 

圖3  冠層的光譜特征（距離傳感器和照明系統(tǒng)不同高度）

圖4  試驗過程中不同大麥品種病情的嚴(yán)重程度

圖5  通過SVM分類的白粉病侵染空間分布（綠色為健康組織、紅色為白粉病侵染組織、藍(lán)色為背景）

圖6  對照植株和接種植物的Mini-Plots上壞死病變的空間分布及像素比柱狀圖

本研究所提出的高光譜測量系統(tǒng)提高了表型分析的效率，在未來的植物抗性育種研究中具有很高的應(yīng)用價值。