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跨越表现型和基因型之间的桥梁:先进成像技术在森林表型上的应用综述

跨越表现型和基因型之间的桥梁:先进成像技术在森林表型上的应用综述

  • 分类:学术中心
  • 作者:PhenoTrait
  • 来源:本站
  • 发布时间:2022-06-15 06:10
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【概要描述】林木遗传改良是在群体水平上提高目标性状的平均值,并保持育种群体具有一定的多样性,以适应未来高世代多目标育种。林木常规育种方法是基于多地点多年份的表型选择最佳的基因型。

跨越表现型和基因型之间的桥梁:先进成像技术在森林表型上的应用综述

【概要描述】林木遗传改良是在群体水平上提高目标性状的平均值,并保持育种群体具有一定的多样性,以适应未来高世代多目标育种。林木常规育种方法是基于多地点多年份的表型选择最佳的基因型。

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  森林是陆地上分布面积最大、组成结构最复杂、生物多样性最为丰富的生态系统。由于对木材和木纤维需求的持续增加,培育速生优质抗逆的林木良种势在必行。近年来,基因组技术的进展极大加速了基础植物科学和应用育种研究的进程,而大规模、高精度、自动化的表型采集及解析表型与基因、环境的生物学关联规律是当前的主要瓶颈。本文综述了先进成像技术在森林表型上的应用。

 

  林木表型性状的传统人工测量方法成本高、精度低、主观性强,部分性状需要破坏性的取样。缺乏有效的表型采集与分析能力已成为林木设计育种与精确管理的瓶颈。现代表型技术利用各种成像传感器自动收集大量数据,评估林木在不同维度、不同生境的属性,因此,高效的表型获取技术有可能引发一场新的绿色革命。

 

  林木遗传改良是在群体水平上提高目标性状的平均值,并保持育种群体具有一定的多样性,以适应未来高世代多目标育种。林木常规育种方法是基于多地点多年份的表型选择最佳的基因型。林木表型包括形态、生理、生化和材性特征。树木形态特征对森林物候学的研究非常重要,包括树木属性(树高、树形、胸径)、叶片性状(叶面积指数、叶色、分布和角度)和冠层特征(体积、覆盖度、结构、物候);生理特征包括光合质量、冠层温度或叶温、病虫害发生情况等;生化特征包括而叶绿素含量、木质素含量和水分利用率等;材性特征包括生物量和产量等。

 

  传感器获取的图像光谱可以利用时间(整个树木生长周期)和空间(在细胞/组织、器官、单株植物、林分)的模式变化解析林木生长发育的驱动因素。对林木成像不仅仅是“拍摄照片”,成像传感器可以提取温室大棚或自然环境下的林木生长发育状况,特别是不能直接用肉眼观测到的表型特征,从而更易进行优株筛选、实时监测和精确管理。配备了成像传感器的自动化高通量表型平台可以在群体水平上对林木表型信息进行提取,不仅扩大了监测范围,而且也提高了采集精度,可以全面高效地评估林木生长、发育和对胁迫的响应。林木表型平台的应用主要包括:种内和种间的性状变异鉴定、非生物胁迫下的树种适应性检测、林木病害和虫害的识别、林木物候期的测量等。

 

  Figure 1. The process of capturing, analyzing, and application of forest tree phenotyping traits

  图1 林木表型性状的采集、分析与应用过程

 

  Figure 2. Overflow workflow for processing image-based tree phenotypic data.

  图2 基于成像技术的林木表型数据处理过程

 

  Figure. 3 Schematic diagram shows the importance of phenotyping and genotyping as key players in gene discovery and stress-resistant breeding.

  图3林木表型和基因型在基因发现和抗逆育种中的重要作用

 

  作者:南京林业大学的张慧春教授团队长期从事植物表型平台和技术研究,与南京林业大学林木遗传育种系边黎明教授、美国内布拉斯加大学林肯分校生物系统工程系Ge Yufeng教授团队密切合作,开展了植物在生物胁迫与非生物胁迫下形态结构、生理生化特性的高通量表型研究,致力于将工程技术引入表型分析,从而推动智能育种和林业精确管理的发展。

 

  来源:Liming Bian, Huichun Zhang*, Yufeng Ge, Jaroslav Čepl, Jan Stejskal, Yousry A EL-Kassaby. Closing the Gap between Phenotyping and Genotyping: Review of Advanced, Image-based Phenotyping Technologies in Forestry. Annals of Forest Science. 2022,79:22

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