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、勞動密集且繁瑣、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估表型，從而可以對大量植物進(jìn)行非破壞性篩選，使得盡可能在篩選過程的早期識別出所需的個體。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，以評估植物育種各個性狀。

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)重點實驗室的研究人員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*膨脹，第三葉出現(xiàn)）時，用水或草甘膦噴灑植物。處理后第2、4、6和8天評估草甘膦處理效果，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RGB成像圖

    TG玉米對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）。對于TG玉米，草甘膦處理與WT對照相似（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天時獲得相同的識別結(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、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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