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專(zhuān)注光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)
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說(shuō)到育種不得不提到“表型”的概念，在生物學(xué)和遺傳育種領(lǐng)域，特別是作物育種領(lǐng)域，表型是指基因型和環(huán)境決定的形狀、結(jié)構(gòu)、大小、顏色等生物體的外在性狀。表型組又是指某一生物的全部性狀特征，不僅僅局限于農(nóng)藝性狀，還應(yīng)更加關(guān)注植株所表現(xiàn)出來(lái)的生理狀態(tài)。隨著多數(shù)代表植物全基因組測(cè)序的結(jié)束，科研人員越來(lái)越認(rèn)識(shí)到植物表型研究的重要性，并將其提到的“組學(xué)”的高度。植物表型組學(xué)是研究植物的生長(zhǎng)、表現(xiàn)和組成的科學(xué)，它的研究可以從小至核苷酸序列細(xì)胞，大至組織、器官種屬群體的表型來(lái)研究分析，并且可以進(jìn)一步整合到基因組學(xué)研究中；而從系統(tǒng)生物學(xué)角度來(lái)看，從基因組到轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組以及表型組，表型組是各種組的表現(xiàn)形式。因此，植物表型組學(xué)的研究將是涉及植物各個(gè)方面的研究領(lǐng)域。
高光譜成像傳感器是近幾年研究用于監(jiān)測(cè)不同環(huán)境中農(nóng)作物和植被的有效工具。植物的生理學(xué)，形態(tài)學(xué)或生物化學(xué)信息可以通過(guò)非接觸的方式以及不同尺度下評(píng)估。例如，利用高光譜傳感器用于植物表型分析或農(nóng)業(yè)中的生理脅迫研究。
圖1 表型溫室（a：室內(nèi)，b：室外）
圖1 為波恩大學(xué)Jan Behmann利用小型mini地塊研究不同大麥品種的試驗(yàn)田。不同的大麥品種分別接種了白粉病，并設(shè)計(jì)了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，接種前后分別利用以高光譜成像儀進(jìn)行觀(guān)測(cè)，觀(guān)察不同發(fā)病期不同大麥品種的光譜變化。
圖2 植株健康組織和白粉病發(fā)病組織的光譜特征和豐度圖
研究結(jié)果表明，盡管在冠層尺度上進(jìn)行測(cè)量存在固有的困難，但該系統(tǒng)依然能夠在早期階段檢測(cè)出疾病癥狀，并可以在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)詳細(xì)評(píng)估疾病的嚴(yán)重程度和發(fā)病過(guò)程。與人工評(píng)估相比，系統(tǒng)能更早的檢測(cè)出發(fā)病癥狀且自動(dòng)評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)94.83％。
表1 試驗(yàn)過(guò)程中大麥品種病情發(fā)展的人工分級(jí)
圖3 冠層的光譜特征（距離傳感器和照明系統(tǒng)不同高度）
圖4 試驗(yàn)過(guò)程中不同大麥品種病情的嚴(yán)重程度
圖5 通過(guò)SVM分類(lèi)的白粉病侵染空間分布（綠色為健康組織、紅色為白粉病侵染組織、藍(lán)色為背景）
圖6 對(duì)照植株和接種植物的Mini-Plots上壞死病變的空間分布及像素比柱狀圖
本研究所提出的高光譜測(cè)量系統(tǒng)提高了表型分析的效率，在未來(lái)的植物抗性育種研究中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
