植物育種(zhong)表(biao)型篩選技(ji)術方(fang)案(an)

    表型篩選是在(zai)植物育種(zhong)過(guo)程(cheng)中將(jiang)植物表現(xian)的優良(liang)性(xing)狀(zhuang)篩選出來，並(bing)終能夠固(gu)定在(zai)植株(zhu)上，從而(er)培(pei)育(yu)出優良(liang)的品(pin)種(zhong)。標(biao)準的生(sheng)化檢測(ce)技(ji)術，如分光光度法或液(ye)相(xiang)色譜，已被用於(yu)植物育種(zhong)過(guo)程(cheng)中的表型篩選。這(zhe)些方(fang)法結果準確，但(dan)它們(men)具(ju)有(you)破壞性、耗(hao)時、勞動(dong)密(mi)集且繁(fan)瑣(suo)、成本(ben)高(gao)，並(bing)且不(bu)能(neng)滿(man)足大規(gui)模(mo)篩選程(cheng)序(xu)的需(xu)要。

    植物育種(zhong)過(guo)程(cheng)需(xu)要壹種(zhong)快速簡(jian)便的工具(ju)來評(ping)估(gu)表(biao)型，從而(er)可(ke)以(yi)對(dui)大量植物進行(xing)非破壞性篩選，使(shi)得(de)盡(jin)可(ke)能(neng)在(zai)篩選過程(cheng)的早期(qi)識別出所需(xu)的個體(ti)。北京易科(ke)泰生(sheng)態(tai)技(ji)術有限公司為廣大植物育種(zhong)工(gong)作(zuo)者(zhe)提(ti)供了方(fang)便快捷(jie)的、非破壞性的表型篩選技(ji)術方(fang)案(an)。

    本技(ji)術方(fang)案(an)主(zhu)要包(bao)括(kuo)高(gao)光譜成像分析、FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)分析。

高(gao)光譜成像分析

    高(gao)光譜成像（HSI）分析集成了光譜學和成像技(ji)術，並(bing)已被用作(zuo)非侵入(ru)性成(cheng)像技(ji)術，用於評(ping)估(gu)由(you)葉(ye)片(pian)和冠層(ceng)水(shui)平(ping)的非生(sheng)物或生(sheng)物脅(xie)迫引起的定量(liang)和定性(xing)變化。高(gao)光譜可選配不同(tong)波段範(fan)圍：400-1000nm、950-1700nm、1000-2500nm等，包(bao)括(kuo)了可見(jian)光、近紅外、短波紅外等區域波段，可以(yi)對光合色素、葉(ye)片(pian)含(han)水量(liang)和葉(ye)肉(rou)細胞等進行(xing)觀(guan)察和研究。該技(ji)術已經(jing)成功的用於(yu)植物高(gao)通量(liang)表型分析，以(yi)評(ping)估(gu)植物育種(zhong)各(ge)個(ge)性(xing)狀。

FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)分析

    葉(ye)綠(lv)素(su)熒光（ChlF）已被廣泛(fan)和成功的用作(zuo)預測(ce)植物對非生(sheng)物和生(sheng)物脅(xie)迫的生(sheng)理(li)反應(ying)的工具(ju)，通過(guo)FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)分析可以(yi)反映(ying)植物的光合生(sheng)理(li)過(guo)程(cheng)、表型性狀(zhuang)的潛(qian)力(li)，進而篩選出感(gan)興趣的單個(ge)植株(zhu)。

應(ying)用案(an)例

    浙江大學、浙(zhe)江農科院、農(nong)業(ye)部光譜學重(zhong)點(dian)實驗室的研究(jiu)人(ren)員2018年(nian)4月共(gong)同(tong)發表在《Frontiers in Plant Science》雜誌的文章(zhang)中，應(ying)用非破壞性的Specim高(gao)光譜成像技(ji)術、FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)技(ji)術來評(ping)估(gu)轉(zhuan)基(ji)因(yin)（TG）玉米(mi)與(yu)其(qi)親(qin)本野(ye)生(sheng)型（WT）之間草甘(gan)膦(lin)耐(nai)受(shou)性的差異，並(bing)建立(li)表型檢測(ce)模型。

    轉(zhuan)基(ji)因(yin)草甘(gan)膦(lin)耐(nai)受(shou)（TG）玉米(mi)和相(xiang)應(ying)的野(ye)生(sheng)型（WT）在達(da)到3葉(ye)期(qi)（第二(er)葉(ye)*膨(peng)脹(zhang)，第三葉(ye)出現(xian)）時(shi)，用(yong)水(shui)或草甘(gan)膦(lin)噴灑植物。處理(li)後第2、4、6和8天評(ping)估(gu)草甘(gan)膦(lin)處理(li)效果，記錄(lu)RGB成像、高(gao)光譜成像和葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)數(shu)據。

圖1 玉米(mi)RGB成(cheng)像(xiang)圖(tu)

    TG玉米(mi)對(dui)草甘(gan)膦(lin)具(ju)有(you)高(gao)度耐(nai)受(shou)性，並(bing)且在(zai)噴灑草甘(gan)膦(lin)8天後未顯(xian)示(shi)出明顯(xian)的損(sun)傷(shang)，但(dan)是草甘(gan)膦(lin)處理(li)8天(tian)後，WT的葉(ye)子(zi)出現(xian)褪(tui)綠(lv)和壞死(si)。

圖2 玉米(mi)高(gao)光譜光譜曲線(xian)圖(tu)

    基(ji)因(yin)型（TG與WT）和處理(li)（水(shui)與草甘(gan)膦(lin)）之間存在(zai)明(ming)顯(xian)的平(ping)均(jun)光譜反射(she)值(zhi)差異。在(zai)400-780nm的可見(jian)光區域(yu)中，用(yong)草甘(gan)膦(lin)處理(li)的WT植物在6天(tian)後具(ju)有(you)比草甘(gan)膦(lin)處理(li)的TG植物和WT對照植物更高(gao)的光譜反射(she)值(zhi)；在(zai)NIR區域(yu)（780-950nm），草甘(gan)膦(lin)處理(li)的WT植物在6天(tian)後具(ju)有(you)比草甘(gan)膦(lin)處理(li)的TG和WT對照植物更低(di)的反射(she)值(zhi)。

圖3 玉米(mi)高(gao)光譜成像圖(tu)

    高(gao)光譜圖像隨(sui)草甘(gan)膦(lin)處理(li)時(shi)間不同(tong)呈(cheng)現(xian)不(bu)同(tong)變化，草甘(gan)膦(lin)處理(li)早期(qi)TG和WT之間沒有(you)明(ming)顯(xian)的形(xing)態(tai)變化（RGB成像），然而，對(dui)於高(gao)光譜成像，WT和TG植物之間的差異是顯(xian)而(er)易(yi)見(jian)的，從藍(lan)色到紅色顯(xian)示(shi)草甘(gan)膦(lin)脅(xie)迫程(cheng)度逐漸(jian)增(zeng)加。

圖4 玉米(mi)葉(ye)綠(lv)素(su)熒光參(can)數(shu)（A：WT；B：TG）

圖5 玉米(mi)葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)圖

    草甘(gan)膦(lin)處理(li)影響(xiang)WT玉米(mi)的PS II光化學效率(lv)，反映(ying)在(zai)顯(xian)著降低(di)的Fv / Fm，qL，Qp和QY（圖4A）。對於TG玉(yu)米(mi)，草甘(gan)膦(lin)處理(li)與(yu)WT對照(zhao)相(xiang)似（圖(tu)4B）。在WT和TG玉米(mi)之(zhi)間觀(guan)察到Fv / Fm的局(ju)部變化（圖5）。在WT玉米(mi)對(dui)草甘(gan)膦(lin)的響(xiang)應(ying)過程(cheng)中Fv / Fm降(jiang)低(di)，在草甘(gan)膦(lin)施(shi)用於WT玉(yu)米(mi)6天(tian)後次檢測(ce)到癥狀。

表1 玉米(mi)草甘(gan)膦(lin)耐(nai)受(shou)表型檢測(ce)模型

    表1顯(xian)示(shi)了校準和預測(ce)集獲得(de)的識別精(jing)度。葉(ye)綠(lv)素(su)熒光在草甘(gan)膦(lin)處理(li)6天(tian)後，校準組(zu)準確值(zhi)為97.78％，預測(ce)值為93.33％。高(gao)光譜的預測(ce)能力(li)也(ye)是可(ke)接(jie)受(shou)的，校準集準確值(zhi)為91.11％。建立(li)在(zai)高(gao)光譜信(xin)息和葉(ye)綠(lv)素(su)熒光參(can)數(shu)上的檢測(ce)模型在施(shi)用草甘(gan)膦(lin)8天時(shi)獲得(de)相(xiang)同的識別結(jie)果(guo)。結(jie)果表明(ming)耐(nai)草甘(gan)膦(lin)的轉(zhuan)基(ji)因(yin)玉米(mi)可(ke)能(neng)是在(zai)草甘(gan)膦(lin)處理(li)後6天(tian)鑒定。

    高(gao)光譜成像和葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)均(jun)可用於(yu)篩選和鑒定表(biao)型，以(yi)促(cu)進植物育種(zhong)。今(jin)後，應(ying)進壹步(bu)研究(jiu)更多植物，建立(li)更(geng)、更穩健的檢測(ce)模型，並(bing)將(jiang)其(qi)應(ying)用於(yu)植物育種(zhong)工(gong)作(zuo)中(zhong)。此(ci)外，大量的表型以(yi)及(ji)分類（易(yi)感(gan)與(yu)抗(kang)性）預測(ce)的有效(xiao)性(xing)應(ying)當被研究(jiu)以(yi)證(zheng)明(ming)基(ji)於(yu)高(gao)光譜和葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)的篩選的潛(qian)力(li)。

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1 Specim IQ 手持(chi)式高(gao)光譜成像儀(yi)+FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)系(xi)統

2 Specim FX10/FX17輕(qing)便型高(gao)光譜成像儀(yi)+FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)系(xi)統

3 Specim AisaIBIS高(gao)光譜成像儀(yi)+FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)系(xi)統

4 sisuCHEMA高(gao)光譜成像分析系(xi)統+FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)系(xi)統

5 SpectraScan高(gao)光譜成像分析系(xi)統+FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)系(xi)統

註：FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光成像(xiang)系(xi)統多種(zhong)版本(ben)可(ke)供選(xuan)擇，便攜(xie)式、封(feng)閉(bi)式、開放(fang)式、大型版、多光譜、樣(yang)帶掃(sao)描(miao)式等。