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

来源:

作者:

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。

 

在本研究中,我们使用了184个小麦基因型,在两个不同播种期(TOS)下种植,即最适播种期(TOS1)和晚播期(TOS2),其中TOS2在抽穗期和灌浆期面临较高的温度。我们结合了生理特性、基于航空影像的多光谱植被指数(VIs)以及机器学习方法,有效区分了小麦基因型的耐热性与易感性。通过压力敏感指数、百分比损失和耐受指数,我们将小麦基因型的高温胁迫响应分为易感、中度耐受和耐受类型。不同的VIs在两个TOS之间存在显著差异。在TOS2下,耐热基因型的VIs在开花期和开花后期的下降幅度较小,而易感基因型的下降幅度较大。
 
我们利用机器学习方法,通过VIs对胁迫严重程度和产量进行了分类。模型使用随机森林分类器(RFC)进行训练,以基于压力敏感指数对基因型进行分类,使用Python库构建。主成分分析(PCA)被用来降维,5个解释99%变异的主成分作为模型输入。RFC模型的准确率为64%,并在识别极端胁迫作物方面表现出色,易感类别的召回率为0.87,F1得分为0.77。模型的精确度指标分别为易感类别0.69、中度耐受类别0.42、耐受类别0.80。我们的结果表明,基于多光谱的表型特性可以帮助育种家选择和开发耐热的小麦品种。
  

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

 

来 源

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,

 

编辑

wrd

推荐新闻

石时之约|韩志国:透过表型数据,看见植物的喜怒哀乐!

本期石时之约,我们将对话慧诺瑞德(北京)科技有限公司总经理、国际植物表型学会(IPPN)执委会委员/工业分会副主席韩志国,一起从表型数据的科学角度,去读懂农作物的喜怒哀乐和前世今生。

慧科研、慧育种、慧种田——慧聚改变的力量

让我们“慧聚”在一起,为“慧科研、慧育种、慧种田”赋能。

高通量植物表型平台建设注意事项

育种,是在给定的环境条件下,选择各种表型指标(产量、品质、抗性)最优的基因型材料的过程(AI育种,从这里起步)。育种工作中大约70%的工作量来自表型观察测量和筛选,是最耗人力物力的过程。

作物生理表型测量基础原理

生理表型测量的核心在于“早、快”,要在肉眼可见之前就能测量并预判出变化趋势,才是这个技术的核心价值。叶绿素荧光成像,恰好满足了这个要求。