高通量评估作物性状:地面及航空作物表型研究综述 (PlantExplorer)


发布时间:

2020-07-03

来源:

植物表型资讯

作者:

PhenoTrait

面对全球人口不断增加和全球气候变化的问题,如何保持作物产量的可持续增加,是保证全球粮食安全的核心问题。

 

田间条件下不同传感器针对不同作物表型性状的应用潜力

 

近年来,利用基因组学辅助育种的方法已成为新品种培育和作物提质增产的重要手段,如何更好的将作物表型组和基因组数据进行关联分析,快速准确地筛选目标性状和基因,对于提高育种效率,保证全球粮食安全具有重要意义。

 

不同作物表型传感器的典型成像结果:(a) RGB相机, (b) 多光谱相机, (c) 高光谱相机, (d) 热成像相机, (e) 冠层光合仪, (f) PlantExplorer叶绿素荧光成像系统, (g) 双目成像, (h) 激光雷达

 

目前高通量的基因测序和分析技术已经比较成熟,但高通量作物表型精准鉴定能力仍有待提升。高通量表型鉴定技术利用新型传感器、先进的自动化平台和图像处理系统,可以在温室、大田等不同条件下快速、准确筛选出目标性状突出的优异资源和材料。此外,随着生物信息技术的发展,新型生物信息技术平台的数据计算与分析能力也将会进一步提升,为作物表型组学技术的发展提供了基础支撑。

 

不同作物表型性状鉴定光学传感器在玉米育种关键生育期的综合应用:VE:出苗期;V1:一叶期;V3:三叶期;V6:六叶期;V9:九叶期;VT:抽雄期;R1:吐丝期;R3:成熟期

 

作物表型分析是理解作物基因功能及环境效应的关键环节,表型组学技术的应用使种质资源和育种材料的重要表型性状的鉴定和对应基因的筛选更加高效和精准,同时,也将有助于优质高产新品种的培育。

 

不同尺度的地面作物表型平台和航空作物表型平台

 

本长篇综述联合全球多位作物表型领域国际知名专家(包括墨尔本大学的Pablo J. Zarco-Tejada教授, 慕尼黑工业大学Urs Schmidhalter教授, 国际玉米小麦改良中心Matthew P. Reynolds教授, 洛桑实验站Malcolm J. Hawkesford教授, 国际半干旱热带作物研究所Rajeev K. Varshney教授)历时三年对当前作物表型鉴定的起源、定义、当前作物表型鉴定所用传感器类型以及对应的表型性状鉴定进行整理和总结,讨论了不同传感器的优点、缺点及其应用潜力,并指出地面和航空作物表型鉴定平台是将来的重要发展方向,最后,讨论了未来作物表型鉴定研究的机遇和发展趋势

 

作者介绍:

 

金秀良博士,2019年作为中国农业科学院作物科学研究所青年英才A类引进,研究员,当前为作物表型创新研究组组长,曾经获得过德国洪堡学者的资助,主要从事作物表型鉴定与精准农业研究。自2011年以来,在国内外期刊以第一作者或通讯作者共发表SCI论文26篇,合作发表论文50余篇,涵盖了农业和遥感领域的主要期刊,包括IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine、Remote Sensing of Environment、ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing、Agricultural and Forest Meteorology和European Journal of Agronomy等,其中入选ESI高被引论文3篇。当前GoogleScholar总引用1437次,H指数23。担任Agronomy Journal、The Journal of Agricultural Science、Scientific Reports和作物杂志编委或副主编,Remote Sensing-专刊客座编辑和奥地利科学基金(FWF)评审专家。此外,还担任中国仿真学会第一届农业建模与仿真专业委员会委员、中国农业机械学会青年工作委员会常务委员和2019年IEEE国际计算智能在遥感领域的应用会议的组委会委员。

 

Pablo J. Zarco-Tejada教授,国际知名的精准农业和植被遥感科学家,主要从事无人机、微型光学传感器和人工智能等技术在农艺、植物保护育种和作物表型等领域的创新性研究。Pablo J. Zarco-Tejada教授先后主持过欧盟、欧洲航天局多个重大科研项目,发表150余篇科技论文,目前担任遥感领域顶级期刊—环境遥感(Remote Sensing of Environment)的副主编,入选 Web of Science高被引科学家,当前GoogleScholar总引用18398次,H指数61,是无人机作物表型研究领域的世界顶尖级科学家。

 

Urs Schmidhalter 教授,国际知名的精准农业和植物营养科学家,主要从事作物田间精细化管理研究。Urs Schmidhalter 教授先后主持或参与过国际和德国多个重大科研项目,发表150多篇科技论文,目前担任European Journal of Agronomy的副主编,当前GoogleScholar总引用9232次,H指数49。

 

Matthew Reynolds教授,国际知名的小麦生理育种科学家,主要从事小麦生理育种与作物表型研究。Matthew Reynolds教授先后主持或参与过国际多个重大科研项目,发表200多篇科技论文,当前GoogleScholar总引用27111次,H指数85。

 

Malcolm J. Hawkesford教授,国际知名的植物营养与分子机制调控科学家,主要从事小麦田间营养管理与作物表型研究,Malcolm J. Hawkesford教授先后主持或参与过国际和英国多个重大科研项目,发表200多篇科技论文,当前Researchgate总引用11399次,H指数57。

 

Rajeev K. Varshney教授,国际知名的分子育种与作物改良科学家,主要从事作物分子育种、基因组测序、作物基因组、作物表型研究,Rajeev K. Varshney教授先后主持或参与过国际和印度多个重大科研项目,发表400多篇科技论文,当前GoogleScholar总引用36941次,H指数96。

 

中国农业科学院作物科学研究所-作物表型创新研究组成立于2019年,目前课题组有成员15人,主要从事作物表型鉴定与分析研究,研究领域包括:作物表型光学传感器的集成与研发;无人机表型平台数据获取与自动化分析;作物多源影像数据的处理和分析算法研发;田间可移动作物表型平台的研发与应用;表型组与基因组关联分析及关键功能基因挖掘;作物长势、产量、品质的遥感监测与评估研究。作物表型课题组招生硕士和博士研究生及客座研究生,计算机、遥感、农学、农业信息化领域均可,并长期招聘博士后和事业编制人员。邮箱:jinxiuliang@caas.cn;电话:15611669703;微信号:small_snail_001。

 

来源:

Jin, X. L.,* Zarco-Tejada, P. J., Schmidhalter, U., Reynolds, M. P., Hawkesford, M. J., Varshney, R. K., Yang, T., Nie, C. W., Li, Z. H., Ming, B., Xiao, Y. G., Xie, Y. D., Li, S. K.* (2020): High-Throughput Estimation of Crop Traits: A review of ground and aerial phenotyping platforms. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine,DOI: 10.1109/MGRS.2020.2998816.

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