成像光谱技术在植物非生物胁迫表型高通量分析中的研究进展

成像光谱技术在植物非生物胁迫表型高通量分析中的研究进展

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名词：

• 表型：是指植物基因型与环境交互的宏观（结 构）和 微观（生理生化）性状的总和；
• 植物表型分析：是指获取评估植物复杂性状的过程；

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高通量表型平台加速作物改良基本流程

• 首先采用红外（IR）、可见（VIS）、荧光（FLUO）等传感器获取植物高通量表型数据（HTP）；
• 然后结合植物高通量基因数据（HTG）开展全基因组关联分析（GWAS）定位数量性状基因座（QTL）等潜在基因；
• 最后再利用标记辅助育种（marker assisted breeding）、基因工程(genetic engineering) 等现代育种技术进行基因修饰实现作物改良。

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成像光谱高通量分析植物表型:

• 光谱成像技术既能利用基于植物因不同状态、成分等与电磁波表现出的不同交互作用（反射、透射、吸收、发射等）的光谱来「定性定量分析分析植物表型」，同时也能以图像呈现「交互强度的空间分布」实现对植物表型空间信息的评估;
• 图像处理和光谱分析是高通量分析的重要步骤

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成像光谱技术及其应用特点：

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成像光谱技术高通量分析植物非生物胁迫表型的进展：

图二利用叶绿素／多光谱荧光成像监测野生型（WT）和突变体（oscal）拟南芥干旱胁迫，分析得到与生理表型相关的特征荧光参数并建立了不同干旱程度的SVM分类模型，胁迫３天和７天的分类准确率分别为93.3%和99.1%，并利用荧光参数图像分析了干旱对光合和代谢响应的空间分布，实现了叶片和冠层的表型的可视化。

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以上研究表明成像光谱可以分析植物多种胁迫下的多样化表型，在一定程度上可以为胁迫监测提供解决方案。

成像光谱技术高通量分析抗逆植物品种高通量筛选鉴定:

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图3是用高光谱／叶绿素荧光成像研究了转基因（ＴＧ）和野生型（ＷＴ）玉米除草剂的耐受性，从高光谱中选择特征波长建立了预测莽草酸（SA）浓度的 PLSR模型，并结合图像处理实现了SA浓度可视化。

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高通量表型辅助遗传分析:

• 高通量基因测序的发展使得获取高通量基因数据不再受限，但解析基因的功能和定位基因区域需要大量的表型数据，成像光谱技术快速准确地测量高通量表型数据，可「为遗传功能解析和基因定位（GWAS定位QTL等」）提供大数据支持;
• 成像光谱技术「无损可重复测量表型」的优点能帮助揭示植物逆境的遗传变异和增加对植物响应胁迫过程的理解，有助于最终「确定潜在的关键遗传因素」。

未来研究方向：

• 研发低成本、易推广的高通量表型平台；
• 开发有效的表型大数据挖掘算法和高通量分析框架。

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