植物育種表型篩選技術(shù)方案

    表型篩選是在植物育種過程中將植物表現(xiàn)的優(yōu)良性狀篩選出來，并最終能夠固定在植株上，從而培育出優(yōu)良的品種。標(biāo)準(zhǔn)的生化檢測技術(shù)，如分光光度法或高效液相色譜，已被用于植物育種過程中的表型篩選。這些方法結(jié)果準(zhǔn)確，但它們具有破壞性、耗時(shí)、勞動(dòng)密集且繁瑣、成本高，并且不能滿足大規(guī)模篩選程序的需要。

    植物育種過程需要一種快速簡便的工具來評(píng)估表型，從而可以對(duì)大量植物進(jìn)行非破壞性篩選，使得盡可能在篩選過程的早期識(shí)別出所需的個(gè)體。北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司為廣大植物育種工作者提供了方便快捷的、非破壞性的表型篩選技術(shù)方案。

    本技術(shù)方案主要包括高光譜成像分析、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治觥?/span>

高光譜成像分析

    高光譜成像（HSI）分析集成了光譜學(xué)和成像技術(shù)，并已被用作非侵入性成像技術(shù)，用于評(píng)估由葉片和冠層水平的非生物或生物脅迫引起的定量和定性變化。高光譜可選配不同波段范圍：400-1000nm、950-1700nm、1000-2500nm等，包括了可見光、近紅外、短波紅外等區(qū)域波段，可以對(duì)光合色素、葉片含水量和葉肉細(xì)胞等進(jìn)行觀察和研究。該技術(shù)已經(jīng)成功的用于植物高通量表型分析，以評(píng)估植物育種各個(gè)性狀。

FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治?/span>

    葉綠素?zé)晒?/span>（ChlF）已被廣泛和成功的用作預(yù)測植物對(duì)非生物和生物脅迫的生理反應(yīng)的工具，通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治隹梢苑从持参锏墓夂仙磉^程、表型性狀的潛力，進(jìn)而篩選出感興趣的單個(gè)植株。

應(yīng)用案例

    浙江大學(xué)、浙江農(nóng)科院、農(nóng)業(yè)部光譜學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員2018年4月共同發(fā)表在《Frontiers in Plant Science》雜志的文章中，應(yīng)用非破壞性的Specim高光譜成像技術(shù)、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)來評(píng)估轉(zhuǎn)基因（TG）玉米與其親本野生型（WT）之間草甘膦耐受性的差異，并建立表型檢測模型。

    轉(zhuǎn)基因草甘膦耐受（TG）玉米和相應(yīng)的野生型（WT）在達(dá)到3葉期（第二葉完全膨脹，第三葉出現(xiàn)）時(shí)，用水或草甘膦噴灑植物。處理后第2、4、6和8天評(píng)估草甘膦處理效果，記錄RGB成像、高光譜成像和葉綠素?zé)晒獬上駭?shù)據(jù)。

圖1 玉米R(shí)GB成像圖

    TG玉米對(duì)草甘膦具有高度耐受性，并且在噴灑草甘膦8天后未顯示出明顯的損傷，但是草甘膦處理8天后，WT的葉子出現(xiàn)褪綠和壞死。

圖2 玉米高光譜光譜曲線圖

    基因型（TG與WT）和處理（水與草甘膦）之間存在明顯的平均光譜反射值差異。在400-780nm的可見光區(qū)域中，用草甘膦處理的WT植物在6天后具有比草甘膦處理的TG植物和WT對(duì)照植物更高的光譜反射值；在NIR區(qū)域（780-950nm），草甘膦處理的WT植物在6天后具有比草甘膦處理的TG和WT對(duì)照植物更低的反射值。

圖3 玉米高光譜成像圖

    高光譜圖像隨草甘膦處理時(shí)間不同呈現(xiàn)不同變化，草甘膦處理早期TG和WT之間沒有明顯的形態(tài)變化（RGB成像），然而，對(duì)于高光譜成像，WT和TG植物之間的差異是顯而易見的，從藍(lán)色到紅色顯示草甘膦脅迫程度逐漸增加。

圖4 玉米葉綠素?zé)晒鈪?shù)（A：WT；B：TG）

圖5 玉米葉綠素?zé)晒獬上駡D

    草甘膦處理影響WT玉米的PS II光化學(xué)效率，反映在顯著降低的Fv / Fm，qL，Qp和QY（圖4A）。對(duì)于TG玉米，草甘膦處理與WT對(duì)照相似（圖4B）。在WT和TG玉米之間觀察到Fv / Fm的局部變化（圖5）。在WT玉米對(duì)草甘膦的響應(yīng)過程中Fv / Fm降低，在草甘膦施用于WT玉米6天后第一次檢測到癥狀。

表1 玉米草甘膦耐受表型檢測模型

    表1顯示了校準(zhǔn)和預(yù)測集獲得的識(shí)別精度。葉綠素?zé)晒庠诓莞熟⑻幚?天后，校準(zhǔn)組準(zhǔn)確值為97.78％，預(yù)測值為93.33％。高光譜的預(yù)測能力也是可接受的，校準(zhǔn)集準(zhǔn)確值為91.11％。建立在高光譜信息和葉綠素?zé)晒鈪?shù)上的檢測模型在施用草甘膦8天時(shí)獲得相同的識(shí)別結(jié)果。結(jié)果表明耐草甘膦的轉(zhuǎn)基因玉米可能是在草甘膦處理后6天鑒定。

    高光譜成像和葉綠素?zé)晒獬上窬捎糜诤Y選和鑒定表型，以促進(jìn)植物育種。今后，應(yīng)進(jìn)一步研究更多植物，建立更精確、更穩(wěn)健的檢測模型，并將其應(yīng)用于植物育種工作中。此外，大量的表型以及分類（易感與抗性）預(yù)測的有效性應(yīng)當(dāng)被研究以證明基于高光譜和葉綠素?zé)晒獬上竦暮Y選的潛力。

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注：FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)多種版本可供選擇，便攜式、封閉式、開放式、大型版、多光譜、樣帶掃描式等。