田间条件下利用高光谱反射率对水稻进行高通量光合表型分析


发布时间:

2025-08-27

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准确且高通量的光合表型性状评估是推进作物育种和精准农业发展的主要瓶颈。本研究评估了利用叶片高光谱反射率估测水稻光合表型性状的可行性,目标性状包括叶片氮含量以及从田间条件下原位光响应曲线(LRCs)获得的四个关键参数:PNmax(最大净光合速率)、Isat(光饱和点)、Icomp(光补偿点)和Rd(暗呼吸速率)。我们构建了一个综合的偏最小二乘回归(PLSR)框架,整合了六种光谱预处理方法、两种数据分割方法以及重复双重交叉验证(rdCV)技术来优选PLS成分。结果显示,Savitzky-Golay(SG)预处理结合分层随机抽样能够获得最准确且稳定的模型性能,但对于Isat参数,变量排序归一化(VSN)与该分割方法的组合表现更优。模型预测精度表现为:氮含量效果最佳(R² = 0.89,RMSE = 0.25%),其次依次为Isat(R² = 0.85,RMSE = 128.2 (μmol (photon) m⁻²s⁻¹)、PNmax(R² = 0.68,RMSE = 2.95μmol(CO2)m⁻²s⁻¹)、Icomp(R² = 0.68,RMSE = 12.01 μmol (photon) m⁻²s⁻¹)和Rd(R² = 0.44,RMSE = 0.61μmol(CO2)m⁻²s⁻¹。值得注意的是,Isat模型的优异性能是在排除强光适应叶片样本后实现的,因为这些样本的实际测量值存在观测困难。研究结果证明了利用单片叶片高光谱反射率进行无损、高通量、同步估测光合光适应相关多性状的巨大潜力。
  

 图1 PLSR建模的整体工作流程。

 

 表1 水稻田间试验总结。

 

  图2 重复双重交叉验证选择最优PLS成分和PLSR模型校准验证流程图。

 

 图3 2015-2017年试验获得的光合表型性状(PNmax (a)、Isat (b)、Icomp (c)、Rd (d))和氮含量(e)的箱线图。散点按颜色代表三个叶位:红色为L1,绿色为L2,蓝色为L3。每个子图列进一步用四个氮水平进行区分(圆形为N0,三角形为N100,星形为N200,方形为N300)。

 

 图4 水稻叶片反射光谱的均值(±标准差)、最小值和最大值(a)以及光合表型性状(PNmax、Isat、Icomp、Rd和氮含量)与500-950 nm波长范围内相关系数的变化(b)。

 

表2 使用方法1(分层随机抽样的独立测试数据集)在不同光谱预处理方法下光合表型性状PLSR模型性能比较。

 

 表3 使用方法2(不同年份独立测试数据集)在不同光谱预处理方法下光合表型性状PLSR模型性能比较。

 

  图5 基于方法1数据划分,不同氮水平(N0-N3)和叶位(L1-L3)下五个光合表型性状的PLSR预测值与观测值对比。PNmax、Icomp、Rd和氮含量使用SG预处理光谱,Isat使用VSN预处理光谱。每行展示一个光合表型性状的训练(左,a, c, e, g, i)和测试(右,b, d, f, h, j)结果:(a, b) PNmax (μmol (CO2) m⁻² s⁻¹),13个PLS成分;(c, d) Isat (μmol (photon) m⁻² s⁻¹),14个PLS成分;(e, f) Icomp (μmol (photon) m⁻² s⁻¹),14个PLS成分;(g, h) Rd (μmol (CO2) m⁻²  s⁻¹),11个PLS成分;(i, j) 氮含量(%),14个PLS成分。

 

 图6 光合表型性状最优PLSR模型的VIP得分(a:PNmax、Isat和氮含量;b:Icomp、Rd和Isat)。多个性状共享的主要重要区域用点划线标出,性状特异性重要区域用虚线标出。

 
来 源

Yao, Xinfeng & Qian, Tingting & Sun, Huifeng & Zhou, Sheng & Wei, Wang & Li, Linyi. (2025). High-throughput Photosynthetic Phenotyping using Hyperspectral Reflectance in Paddy Rice (Oryza sativa L.) under Field Conditions. Smart Agricultural Technology. 12. 101251. 10.1016/j.atech.2025.101251. 

 

编辑

小安

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