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使用生理性状、多光谱成像和机器学习方法对小麦群体进行抗热胁迫表型分析
发布时间:
2025-02-24
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高温胁迫是严重影响作物生产力的关键环境因素。随着热浪和极端天气事件的频率和强度增加,高温胁迫已成为小麦生产面临的一大挑战。小麦是最重要的谷类作物之一,为了在高温胁迫条件下维持小麦生产,迫切需要开发高产且耐热的小麦品种。为此,这就需要确定高温耐受性的遗传和生理机制,并开发高效的表型分析方法,以在高温胁迫的田间条件下评估大量的小麦基因型。
图1 2019年天气数据
(A) 2019年1月至12月实验田间站的月最低温度平均值、月最高温度平均值以及月总降雨量。(B) TOS1和TOS2在不同播种天数(DAS)后经历的高温胁迫强度和持续小时数。TOS1的基因型在10月23日左右抽穗,TOS2的基因型在10月31日左右抽穗。TOS1和TOS2分别于12月14日和12月17日收获
图2 监督分类模型的工作流程
图 3不同播种时间的生理特性分布
(A)抽穗天数 (B) 灌浆天数 (C) 籽粒产量 (D) 植株高度
TOS1 和 TOS2 之间,抽穗天数(DTH)、籽粒灌浆天数(DoGF)、产量和株高的分布表现出显著差异,与 TOS1 相比,小麦基因型在 TOS2 的抽穗天数较短。TOS1 的小麦基因型在 DoGF 上的范围较宽,而 TOS2 较窄。产量方面存在显著差异,TOS1 的平均产量比 TOS2 高约 1000 克。株高的变化趋势相似,TOS1 基因型的平均株高为 115 厘米,而 TOS2 为 95 厘米
图4 在四个生长阶段(即中期分蘖期、拔节期、开花期和开花后期)不同播种时间的植被指数分布,(A)NDVI (B) NDRE (C) CCCI (D) EVI (E) CVI (F) 作物体积
植被指数(VI)的整体分布表明,在分蘖中期,TOS1 的 NDVI、NDRE、EVI 和作物体积均高于 TOS2。TOS1 的 NDVI 在开花期达到峰值(超过 0.9),随后在开花后略有下降。然而,TOS2 的 NDVI 峰值出现在拔节期,NDRE 和 EVI 表现出类似的趋势
。在拔节期,TOS2 的 CCCI 平均值高于 TOS1,TOS1 的 CCCI 值在开花后阶段持续上升,而 TOS2 的 CCCI 值在拔节期达到峰值,随后下降。相比之下,CVI 在 TOS1 的开花后阶段和 TOS2 的开花期分别达到峰值,TOS1 的作物体积在开花后阶段略有减少
图5 四个植被指数(CCCI、NDVI、NDRE、EVI)在不同播种时间(TOS1和TOS2)中各生长阶段的变化,BERKUT_HS52 和 85(绿色)是耐热性最强的基因型,而 PBI09C021-BC-DH8 和 PBI09C021-BC-DH16(红色)是最易感的基因型
在 TOS1 的所有生长阶段,无论是耐受基因型还是易感基因型,EVI、NDVI 和 NDRE 的变化均较小。然而,在拔节期之后,耐受与易感基因型之间的 CCCI 差异开始略有增加。
值得注意的是,在 TOS2 中,易感基因型在开花期和开花后阶段的 VIs 减少幅度大于耐受基因型。这些结果表明基因型对高温胁迫的响应存在显著差异。在 TOS1 中,耐受基因型在各生长阶段的 VIs 稳定性更高,而易感基因型在晚播条件下的 VIs 下降更加显著,显示出对高温胁迫的更高敏感性。尤其是易感基因型在拔节至开花阶段的 EVI 显著下降,进一步强调了其对高温胁迫的敏感性
图6 表型阶段、植被指数和产量的相关矩阵
(A)播种时间1(TOS1),(B) 播种时间2(TOS2),表型阶段由DTH(抽穗天数)和DoGF(灌浆天数)表示,植被指数包括:NDVI、NDRE、EVI、CI_RE、CCCI;各植被指数后缀表示生长阶段,分别为MT(中期分蘖期)、B(拔节期)、A(开花期)、PA(开花后期)
与 TOS2 相比,TOS1 中研究性状与产量之间的相关性较弱。这表明在 TOS1 期间,这些性状与产量的关系不够显著。然而,在 TOS2 中,产量与 NDRE 和 CCCI 这两个植被指数在开花期表现出较强的相关性,这表明 NDRE 和 CCCI 可能是高温胁迫耐受性的潜在指标
Neelesh Sharma, Manu Kumar, Hans D Daetwyler, Richard M Trethowan, Matthew Hayden, Surya Kant,Phenotyping for heat stress tolerance in wheat population using physiological traits, multispectral imagery, and machine learning approaches,Plant Stress,2024,100593,ISSN 2667-064X,
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