易科(ke)泰表型成像技術在小麥(mai)育(yu)種與(yu)栽培中(zhong)的(de)創新應(ying)用(yong)

小麥育種的(de)核心(xin)目標是“高(gao)產(chan)、優(you)質(zhi)、抗逆(ni)"。傳(chuan)統表型鑒定依(yi)賴(lai)人(ren)工(gong)取(qu)樣和化學(xue)分(fen)析，周期長(chang)、通量(liang)低、破壞性強(qiang)。高(gao)光譜(pu)成(cheng)像技術憑借“圖譜合(he)壹"的優(you)勢，正(zheng)在將傳(chuan)統“經(jing)驗育種"推(tui)向“數據育(yu)種"與(yu)“精準(zhun)栽培"，在單(dan)籽粒(li)、植株、冠層(ceng)乃至(zhi)根(gen)系尺(chi)度的(de)表型研究中(zhong)都(dou)發揮(hui)了巨(ju)大(da)作(zuo)用(yong)，為(wei)小(xiao)麥(mai)栽培科(ke)學(xue)提供了全新工具。

壹、高(gao)光譜(pu)成(cheng)像：小麥(mai)精準育種的(de)新引擎(qing)

案(an)例(li)1：單(dan)籽粒(li)蛋(dan)白高(gao)通量(liang)分(fen)選——把“高(gao)蛋(dan)白"挑(tiao)出(chu)來(lai)

英(ying)國諾(nuo)丁漢大(da)學(xue)&Campden BRI利用(yong)1000–2500nm推(tui)掃式(shi)高(gao)光譜(pu)成(cheng)像技術對2100余粒(li)多(duo)品種、多(duo)年份(fen)的小麥單(dan)籽粒(li)進(jin)行(xing)蛋(dan)白質(zhi)預測，結(jie)果(guo)表明(ming)，蛋(dan)白質(zhi)含(han)量在6.2%–19.8%之(zhi)間(jian)分(fen)布(bu)廣泛(fan)，硬(ying)麥均(jun)值(zhi)高(gao)於軟麥，籽(zi)粒(li)間及(ji)籽粒(li)內均(jun)存在顯(xian)著(zhu)差異；創建的(de)預測模型性能(neng)驗證(zheng)精(jing)度R²=0.79、RMSEP=0.94%。研究還(hai)直(zhi)觀展(zhan)示了蛋(dan)白質(zhi)在小麥(mai)籽(zi)粒(li)內的(de)空(kong)間分(fen)布(bu)，發現(xian)籽(zi)粒(li)兩(liang)端（尤其(qi)胚(pei)部）含(han)量較(jiao)高(gao)。該(gai)技術可替(ti)代(dai)傳(chuan)統破壞性檢測，為(wei)育(yu)種篩(shai)選、品(pin)質分(fen)級及(ji)貿(mao)易定(ding)級提供高(gao)效、可視化的(de)單(dan)粒(li)分(fen)析手段(duan)。

案(an)例(li)2：氮-水(shui)分(fen)布(bu)動態監測——讓(rang)“看不(bu)見"的(de)營養“看得(de)見"

澳(ao)大(da)利亞(ya)植物(wu)表型組學中(zhong)心(xin)（Bruning et al.,Frontiers in Plant Science,2019）對九種土(tu)壤養分(fen)條(tiao)件和兩(liang)種水(shui)處(chu)理(li)條(tiao)件下的(de)四(si)個基因型盆栽小麥(mai)進(jin)行(xing)VNIR-SWIR（400–2500nm）成像，結合(he)PLSR建立(li)氮(dan)-水(shui)預測模(mo)型，驗證(zheng)R²分(fen)別達(da)0.66與0.69，並生成植株氮(dan)-水(shui)分(fen)布(bu)圖。生成的“水(shui)分(fen)/氮素分(fen)布(bu)圖"可直(zhi)觀展(zhan)示葉(ye)基到(dao)葉尖的(de)梯(ti)度差(cha)異，為(wei)精(jing)準(zhun)施(shi)肥(fei)與灌溉提供空(kong)間決(jue)策(ce)依(yi)據(ju)。

在大(da)田栽培階段(duan)，通(tong)過無人(ren)機(ji)或田間植物(wu)表型系統(tong)，可實(shi)時診斷氮(dan)虧/水(shui)缺(que)區域(yu)，實(shi)現差(cha)異化(hua)施(shi)肥(fei)與節(jie)水(shui)灌溉，氮肥(fei)利用(yong)率提高(gao)10%以上(shang)。

案(an)例(li)3：品質形(xing)成(cheng)與調(tiao)控(kong)——高(gao)效驗證(zheng)光(guang)合效率與(yu)產(chan)量性狀(zhuang)

魯東(dong)大(da)學(xue)煙臺作(zuo)物高(gao)產(chan)抗逆(ni)分(fen)子(zi)育種與(yu)高(gao)效栽培重(zhong)點實(shi)驗室的(de)研究人(ren)員(yuan)發表了小麥育種最新研究成(cheng)果(guo)，揭示了TaHAL3-7A基因對(dui)小(xiao)麥光合(he)作(zuo)用(yong)和產(chan)量性狀(zhuang)的(de)影(ying)響(xiang)。研究鑒(jian)定(ding)出TaHAL3基因在小麥(mai)所(suo)有組織(zhi)中均(jun)有表達(da)，其中(zhong)莖稈(gan)和籽粒(li)中的(de)表達(da)水(shui)平(ping)較(jiao)高(gao)。在小麥(mai)和水(shui)稻(dao)中過表達(da)TaHAL3-7A能(neng)顯(xian)著(zhu)提高(gao)色素(su)含(han)量，增加(jia)單(dan)穗粒(li)數和單(dan)株產(chan)量，增強小(xiao)麥和水(shui)稻(dao)幼苗(miao)的(de)耐鹽(yan)性(xing)（鹽脅(xie)迫(po)下(xia)存活率顯(xian)著(zhu)提高(gao)）。團(tuan)隊(dui)使用(yong)易科(ke)泰提供的(de)FluorCam葉綠素熒(ying)光成像(xiang)系統(tong)，在灌漿期（Z60）測定(ding)對(dui)照(zhao)組Fielder和轉基因小(xiao)麥(mai)Fielder-OE旗(qi)葉(ye)的(de) Fv/Fm_lss（光適(shi)應(ying)穩態下的(de)PSII最大(da)光(guang)化學效率）。

案(an)例(li)4：早期條(tiao)銹(xiu)病(bing)監(jian)測——提前(qian)3天發現(xian)“隱(yin)形(xing)病(bing)斑"

西(xi)北農(nong)林(lin)科(ke)技大(da)學(xue)（Yao et al.,Sensors,2019）利用(yong)450–900nm可見-近(jin)紅(hong)外HSI系統(tong)與手持(chi)SPAD儀(yi)結(jie)合(he)，通(tong)過PCA-BPNN模型成功在小麥(mai)條(tiao)銹(xiu)病(bing)潛(qian)育期第(di)6天識(shi)別病(bing)斑采集小麥(mai)葉片(pian)，比(bi)肉眼(yan)可見癥狀提前(qian)3天，模型RPD=3.36。

該(gai)成果(guo)可與(yu)無(wu)人(ren)機(ji)高(gao)光譜(pu)平(ping)臺(tai)結(jie)合(he)，在拔節(jie)-孕(yun)穗(sui)期完成(cheng)百(bai)畝(mu)級(ji)條(tiao)銹(xiu)病(bing)早(zao)期普(pu)查，降低噴(pen)藥(yao)量20%–30%，綠色高(gao)效。

案(an)例(li)5：大(da)田表型研究——冬小麥(mai)氮素(su)和水(shui)分(fen)狀況(kuang)評(ping)估

西(xi)班(ban)牙(ya)馬(ma)德(de)裏(li)政治(zhi)大(da)學(xue)J.L.Pancorbo等人使用(yong)機載可見光(guang)-近(jin)紅(hong)外高(gao)光譜(pu)和熱(re)成像(xiang)遙感監(jian)測氮(dan)素(su)和水(shui)分(fen)狀況(kuang)，評(ping)估該(gai)方(fang)法(fa)用(yong)於降低混(hun)雜(za)效應(ying)的潛(qian)力(li)。研究人(ren)員(yuan)在西(xi)班(ban)牙(ya)中部進(jin)行(xing)了為(wei)期兩(liang)年的(de)冬小麥(mai)大(da)田實(shi)驗，並設置(zhi)了在4種施(shi)氮梯(ti)度和2種灌溉水(shui)平(ping)。分(fen)別在開花期采用(yong)葉片(pian)氣孔計(ji)測定(ding)作(zuo)物水(shui)分(fen)狀況(kuang)，在拔節(jie)中(zhong)期、後(hou)期以(yi)及開(kai)花期測定(ding)植株氮(dan)素營養指(zhi)數(NNI)。同時(shi)使用(yong)無人機(ji)搭(da)載覆(fu)蓋(gai)可見光(guang)-近(jin)紅(hong)外區域(yu)(400-850nm)和部分(fen)短(duan)波紅外(wai)(950-1750nm)的高(gao)光譜(pu)成(cheng)像和熱(re)成像(xiang)相機(ji)，在300m高(gao)度獲取實(shi)驗樣地的(de)光譜圖像。實(shi)驗結果(guo)表明(ming)，高(gao)光譜(pu)和熱(re)成像(xiang)數據的(de)結(jie)合可以(yi)有(you)效反(fan)映(ying)植被氮(dan)素(su)和水(shui)分(fen)水(shui)平(ping)，降(jiang)低混(hun)雜(za)效應(ying)的影(ying)響(xiang)，可用(yong)於指導施(shi)肥(fei)和灌溉並做(zuo)出及(ji)時、準(zhun)確(que)的調(tiao)整(zheng)，以滿足(zu)作(zuo)物對氮(dan)素(su)和水(shui)分(fen)的需(xu)求(qiu)。

從單(dan)籽粒(li)到(dao)冠層(ceng)再(zai)到(dao)根系，表型成像技術已貫穿(chuan)小麥(mai)育種與(yu)栽培的(de)全(quan)生育期、全(quan)器官(guan)類型。隨著無(wu)人(ren)機/地面(mian)機器人(ren)表型平(ping)臺(tai)、實(shi)時在線(xian)分(fen)析及AI算法(fa)的(de)融合(he)，易科(ke)泰依(yi)托(tuo)多(duo)年光(guang)譜成像與表型技術研發與(yu)集成經(jing)驗，可為(wei)科(ke)研院(yuan)所及(ji)種業企(qi)業提供“硬(ying)件-軟件-服務"壹站式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，共(gong)同推(tui)進(jin)我(wo)國(guo)小麥栽培科(ke)學(xue)進(jin)入(ru)“高(gao)通量(liang)-數字(zi)化-智能(neng)化(hua)"時代(dai)。

二、易科(ke)泰解(jie)決(jue)方(fang)案(an)

1.實(shi)驗室級(ji)：①Fluortron^®多(duo)功能(neng)高(gao)光譜(pu)成(cheng)像系統(tong)，支持(chi)單(dan)籽粒(li)、葉片(pian)及(ji)幼苗(miao)期表型成像，可同步(bu)測量(liang)反(fan)射(she)高(gao)光譜(pu)及(ji)UV-MCF紫(zi)外光(guang)激(ji)發生物熒(ying)光高(gao)光譜(pu)成(cheng)像；②PhenoTron^®-PTS植物(wu)表型成像系統(tong)，集成高(gao)光譜(pu)成(cheng)像、葉綠(lv)素熒(ying)光成像(xiang)以及(ji)Thermo-RGB融合熱(re)成像(xiang)，從(cong)光(guang)譜到(dao)葉綠素(su)熒(ying)光再(zai)到(dao)輻(fu)射溫度，全(quan)面解(jie)析植物(wu)表型性狀；③RhizoTron^®植物(wu)根系高(gao)光譜(pu)成(cheng)像系統(tong)，可對(dui)生長於RhizoBox根盒（帶根(gen)窗）的(de)作(zuo)物根系進(jin)行(xing)表型成像分(fen)析，為(wei)根(gen)系多(duo)角(jiao)度研究提供非(fei)接觸、非(fei)損(sun)傷(shang)、數字(zi)化、可視化解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

2.溫室級(ji)：①PlantScreen智能(neng)表型成像系統(tong)：培養與(yu)自(zi)動化表型監測、數據自(zi)動分(fen)析、遠程(cheng)操(cao)控、環(huan)境(jing)監(jian)測、自(zi)動灌溉、聯(lian)動氣候(hou)室自(zi)動傳(chuan)送(song)等；②PhenoPlot®懸(xuan)浮(fu)軌(gui)道(dao)式(shi)表型成像分(fen)析系統(tong)，基於懸(xuan)浮(fu)雙軌(gui)表型成像掃(sao)描(miao)平(ping)臺(tai)技術，采用(yong)STP技術，可基於溫室結(jie)構(gou)定制(zhi)化(hua)搭(da)建，懸(xuan)浮(fu)安裝(zhuang)於溫室兩(liang)側，具(ju)備(bei)高(gao)光譜(pu)成(cheng)像、葉綠(lv)素熒(ying)光高(gao)光譜(pu)成(cheng)像、UV-MCF生物熒(ying)光高(gao)光譜(pu)成(cheng)像、紅外(wai)熱(re)成像(xiang)、可見光(guang)成(cheng)像(xiang)等多(duo)傳(chuan)感器(qi)成像(xiang)功能(neng)，內置(zhi)高(gao)性能(neng)主(zhu)機，數據采集、存儲(chu)集於壹體，有(you)效整(zheng)合多(duo)傳(chuan)感器(qi)表型大(da)數據。

3.田間級(ji)：①易科(ke)泰田間智能(neng)巡(xun)檢機器人(ren)表型分(fen)析平(ping)臺(tai)，采用(yong)易科(ke)泰研發的(de)FluorTronn®葉綠素熒(ying)光成像(xiang)技術（被評(ping)為(wei)“重(zhong)大(da)農(nong)業科(ke)技創新成果"）、多(duo)功能(neng)高(gao)光譜(pu)成(cheng)像技術、Thermo-RGB成像技術，可以(yi)全(quan)自(zi)動、非(fei)損(sun)傷(shang)、高(gao)通量(liang)、原(yuan)位(wei)全(quan)面(mian)采集分(fen)析植物(wu)形(xing)態、顏色(se)、生理(li)生化、光合生理(li)狀(zhuang)態、健康狀(zhuang)態、脅(xie)迫(po)與(yu)抗性(xing)等信息；②Phenoplot^®輕便型野外高(gao)光譜(pu)成(cheng)像分(fen)析系統(tong)，基於易科(ke)泰技術由(you)輕便型掃描(miao)臺(tai)架(jia)和成像(xiang)單(dan)元(yuan)組成，成像單(dan)元(yuan)沿(yan)臺架進(jin)行(xing)樣帶式(shi)掃(sao)描(miao)成像，模塊式(shi)快(kuai)速(su)拆(chai)裝結構(gou)，輕便可折(zhe)疊(die)，高(gao)度可調(tiao)，可用(yong)於野外原(yuan)位(wei)（in-situ）高(gao)光譜(pu)成(cheng)像測量(liang)分(fen)析應(ying)用(yong)；③Ecodrone^®壹體式(shi)多(duo)源(yuan)無人機遙感系統(tong)，以無人機(ji)遙感平(ping)臺(tai)為(wei)載(zai)體(ti)，搭(da)載(zai)多(duo)種傳(chuan)感器(qi)技術，可快(kuai)速(su)捕(bu)獲大(da)田植物(wu)表型信息，指(zhi)導(dao)作(zuo)物育種栽培、病(bing)害(hai)檢測與(yu)管(guan)理(li)、抗性(xing)研究與(yu)產(chan)量評估(gu)等。

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