通过非破坏性表型技术如高光谱成像改善小麦的籽粒品质


发布时间:

2023-10-15

来源:

本站

作者:

PhenoTrait

世界正面临着一个严重的问题,由于不可持续的农业耕作方式,每年损失1200万公顷的可耕地。这个问题影响着大约100个国家的近10亿人,并威胁着一场大规模的粮食危机。面对这样一场危机,维持粮食安全是一项艰巨的挑战。小麦在全球是大约20%人口的热量和蛋白质的主要来源,到2050年对小麦的需求将增加60%。在低收入缺粮国家,小麦出口和进口之间的差距在过去20年里显著增加,进口额近年来急剧上升(图1)。这导致许多发展中国家补贴小麦产品以稳定价格,进一步增加了供应和成本的压力。对小麦的需求也在增加,这是因为它的谷物蛋白质含量高,而且能适应各种环境。育种者和研究人员的长期目标是开发能够抵抗环境压力并获得高产的作物品种。然而,优先考虑产量通常会损害其他关键性状的改善,包括籽粒品质,由于经常涉及破坏性的表型分析方法,测量籽粒品质既繁琐又耗时。我们将讨论常用于研究籽粒品质的技术及其局限性,并介绍HSI作为一种新兴的高速非破坏性技术,可以量化单个谷物的差异,有助于区分优质谷物和劣质谷物;还可以提高植物育种能力,从而在保持产量增加的同时提高籽粒品质。这样做,我们的目的是提供一个独特的资源,改善我们对传统的谷物质量鉴定方法如何被非破坏性技术取代的理解,这种技术可以帮助改善小麦的谷物质量。本文综述了现代育种导致小麦品质性状遗传多样性降低的原因、影响品质的关键性状、研究品质的传统方法以及HSI在小麦品质性状研究中的应用及其在育种中的应用范围。我们对小麦驯化、籽粒品质性状和创新技术文献的评论介绍了有助于改善小麦籽粒品质的方法。

 

图1  1961年至2020年全球小麦统计。(a)鉴于收获面积没有变化,自1960年代以来,小麦单位面积产量显著增加。(b)亚洲和欧洲生产全球50%以上的小麦。(c)五大小麦生产国都是发达国家。(d)最大的小麦进口国大多是发展中国家,这进一步给它们的经济带来了负面压力。(e)在过去二十年中,低收入粮食赤字国家的小麦进口大幅增加,而其出口却没有变化。该图由粮农组织统计数据库的数据生成(粮农组织,2022年)。

 

图2  小麦籽粒品质性状。决定小麦籽粒品质的因素可分为形态特征、工艺特征和理化特征。该图展示了每个类别中涉及的不同参数,以及它们如何影响谷物的质量、碾磨性能、产量稳定性以及营养和健康特性。为简单起见,每一类的所有效应都放在一起,例如,长度、宽度、厚度和长宽比的效应都放在形态特征的类别下。它们的细节在文本中单独描述(用BioRe render . com创建)。

 

图3  小麦籽粒及其理化性质的图解。一粒成熟的谷物含有大约85%的碳水化合物和大约10-15%的蛋白质。碳水化合物的大部分是淀粉,蛋白质的大部分是面筋。高蛋白小麦通常伴随着低淀粉的交换。谷物胚芽部分的脂质含量非常少(1–3%)(由BioRe nder.com创建)。

 

 

图4  高光谱成像和数据分析示意图。一个典型的室内高光谱系统由一个可移动的样品放置台、一个均匀散射的光源、一个近红外摄像机、一个连接放置台和摄像机以及计算机接口来收集数据。数据产生为3D超立方体,使用化学计量学对其进行处理以提取所需信息。参考材料用于构建校准,以便仅使用超光谱数据(通过BioRe nder.com创建)对未来样本的性状数据进行量化。

 
来 源

Safdar, L. B., Dugina, K., Saeidan, A., Yoshicawa, G. V., Caporaso, N., Gapare, B., Umer, M. J., Bhosale, R. A., Searle, I. R., Foulkes, M. J., Boden, S. A., & Fisk, I. D. (2023). Reviving grain quality in wheat through non-destructive phenotyping techniques like hyperspectral imaging. Food and Energy Security, 00, e498. https://doi.org/10.1002/fes3.498

 

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