高通量植物表型在草坪草育种中的应用


发布时间:

2022-03-08

来源:

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作者:

PhenoTrait

  草坪草在世界范围内被广泛使用,开发具有改进的非生物和生物耐受性的草坪草品种有着坚定的需求,这些品种在有限的管理投入下将表现良好。现代育种计划将DNA测序和高通量表型等先进育种策略与传统育种策略相结合,以识别和选择感兴趣的种质和基因。近年来分子生物学方法和DNA测序技术的迅速发展,使得植物表型鉴定成为目前推进育种进程的瓶颈。近年来,遥感技术的发展提供了改进的、非破坏性的植物表型分析方法,如可见光成像、光谱成像、红外热成像、距离传感和荧光成像。目前正在开发综合的移动和高效时间平台,将遥感与机器人和无人机系统技术相结合,以实现跨大领域空间的高通量植物表型应用,如图1。现代草坪育种计划将继续研究、开发和实施遥感技术,以评估更多的基因型和鉴定优质种质。综上所述,这些努力将提高品种开发效率,并帮助植物育种家培育改良的草坪草品种,以满足草坪草产业当前和未来的需求。

 

  本文综述了地面和空中植物表型平台的研究进展,重点介绍了其在草坪草育种实践中的应用,例如,有不同类型的地面平台带有各种传感器和摄像机,可用于田间表型分析(图2)。同样,本文还讨论了在各种植物育种项目中使用的成像技术,都是基于植物与电磁波波谱中波长的光之间的相互作用(图3),各种光学传感器捕获的沿电磁波谱的光波长如图4,其中多光谱成像与高光谱成像的比较如图5,并指出了这些技术如何应用于草坪草育种项目。

 

  可见光成像是目前应用最广泛的遥感方法。这是一个相对便宜的表型解决方案,以评估植物性状,如地被物和冠层结构。植物表型应用的可见光成像未来的研究工作应强调,需要改进分析方法,以解释遮荫问题和光照变化,以及缓解与区分土壤和植物组织有关的困难。

 

  光谱成像技术近年来得到了发展,并在植物科学研究中越来越普遍。这项技术有望继续扩展到更多的植物表型应用。草坪草育种者已经开始试验这项技术,到目前为止已经发现了有希望的结果。随着技术的进步,预计与购买设备有关的最初费用将会减少;这将使更多的植物育种项目利用这项技术。研究工作应继续发展改进的数据处理和处理选项,以更好地适应使用这种成像技术生成的大型数据集。

 

  热成像和荧光成像是两种同样适用于现场应用的技术。虽然这些技术目前还不适合室内育种应用,但研究人员正在试验这些技术,以确定它们在监测植物健康和生长特征方面的有效性。随着这些技术的不断发展,预计它们将更容易用于草坪草的育种应用。此外,激光雷达等距离传感器将进一步开发,用于草坪草育种项目中评估叶片纹理、叶宽和株高等形态特征。

 

  图1 现代草坪草育种高通量表型工具综述。1: UAS用于刈割草坪小区试验的遥感数据采集; 2:用于草坪修剪小区试验中近端遥感数据采集的地面机器人; 3:草坪育种者的视觉评估和监督各种数据收集实践刈割草坪小区试验; 4:近端遥感数据采集地面车辆,用于草坪修剪小区试验; 5:草坪草苗圃试验近端遥感数据采集地面车辆; 6:草坪草育种者目视评估和监督草坪草苗圃试验的各种数据收集实践; 7:草坪草苗圃试验近端遥感数据采集地面机器人; 8: UAS用于草坪草苗圃试验的遥感数据采集; 9:气象站进行环境数据采集。所有数据都通过云计算服务进行存储和处理。

 

  图2 草坪草育种和研究中使用的地面表型装置的例子。左:带多光谱传感器的手推车;中间:灯箱配数码相机;右:手持NDVI仪。

 

  图3 植物在300 ~ 2500 nm波长范围内的光反射率曲线。叶绿素吸收,红边,海绵状叶肉反射,和吸水区

 

  图4 由各种光学传感器捕获的沿电磁波谱的光波长。可见光成像传感器用于400 nm至700 nm,光谱成像传感器用于400 nm至2500 nm,红外热成像传感器用于7500 nm至13000 nm

 

  图5多光谱成像与高光谱成像的比较。离散光反射率数据由多光谱传感器生成,连续光反射率数据由高光谱传感器生成。

 

  来源:Vines PL, Zhang J. 2022. High-throughput plant phenotyping for improved turfgrass breeding applications. Grass Research 2: 1 https://doi.org/10.48130/GR-2022-0001

 

  编辑:王春颖

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