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高光譜表型監(jiān)測平臺監(jiān)測實時作物病害

更新時間:2019-11-26點擊次數(shù):2452

說到育種不得不提到“表型”的概念,在生物學和遺傳育種領域,特別是作物育種領域,表型是指基因型和環(huán)境決定的形狀、結構、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,還應更加關注植株所表現(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束,科研人員越來越認識到植物表型研究的重要性,并將其提到的“組學”的高度。植物表型組學是研究植物的生長、表現(xiàn)和組成的科學,它的研究可以從小至核苷酸序列細胞,大至組織、器官種屬群體的表型來研究分析,并且可以進一步整合到基因組學研究中;而從系統(tǒng)生物學角度來看,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,植物表型組學的研究將是涉及植物各個方面的研究領域。

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,形態(tài)學或生物化學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,并設計了對照實驗,接種前后分別利用以高光譜成像儀Specim V10E進行觀測,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

 

 研究結果表明,盡管在冠層尺度上進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)詳細評估疾病的嚴重程度和發(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果準確率達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用價值。

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