植物育种表型筛选技术方案与案例分享
表型筛选是在植物育种过程中将植物表现的优良性状筛选出来，并最终能够固定在植株上，从而培育出优良的品种。标准的生化检测技术，如分光光度法或高效液相色谱，已被用于植物育种过程中的表型筛选。这些方法结果准确，但它们具有破坏性、耗时、劳动密集且繁琐、成本高，并且不能满足大规模筛选程序的需要。
植物育种过程需要一种快速简便的工具来评估表型，从而可以对大量植物进行非破坏性筛选，使得尽可能在筛选过程的早期识别出所需的个体。北京易科泰生态技术有限公司为广大植物育种工作者提供了方便快捷的、非破坏性的表型筛选技术方案。
本技术方案主要包括高光谱成像分析、FluorCam叶绿素荧光成像分析。
高光谱成像分析
高光谱成像（HSI）分析集成了光谱学和成像技术，并已被用作非侵入性成像技术，用于评估由叶片和冠层水平的非生物或生物胁迫引起的定量和定性变化。高光谱可选配不同波段范围：400-1000nm、950-1700nm、1000-2500nm等，包括了可见光、近红外、短波红外等区域波段，可以对光合色素、叶片含水量和叶肉细胞等进行观察和研究。该技术已经成功的用于植物高通量表型分析，以评估植物育种各个性状。
FluorCam叶绿素荧光成像分析
叶绿素荧光（ChlF）已被广泛和成功的用作预测植物对非生物和生物胁迫的生理反应的工具，通过FluorCam叶绿素荧光成像分析可以反映植物的光合生理过程、表型性状的潜力，进而筛选出感兴趣的单个植株。
应用案例
浙江大学、浙江农科院、农业部光谱学重点实验室的研究人员2018年4月共同发表在《Frontiers in Plant
Science》杂志的文章中，应用非破坏性的Specim高光谱成像技术、FluorCam叶绿素荧光成像技术来评估转基因（TG）玉米与其亲本野生型（WT）之间草甘膦耐受性的差异，并建立表型检测模型。
转基因草甘膦耐受（TG）玉米和相应的野生型（WT）在达到3叶期（第二叶完全膨胀，第三叶出现）时，用水或草甘膦喷洒植物。处理后第2、4、6和8天评估草甘膦处理效果，记录RGB成像、高光谱成像和叶绿素荧光成像数据。
图1 玉米RGB成像图
TG玉米对草甘膦具有高度耐受性，并且在喷洒草甘膦8天后未显示出明显的损伤，但是草甘膦处理8天后，WT的叶子出现褪绿和坏死。
图2 玉米高光谱光谱曲线图
基因型（TG与WT）和处理（水与草甘膦）之间存在明显的平均光谱反射值差异。在400-780nm的可见光区域中，用草甘膦处理的WT植物在6天后具有比草甘膦处理的TG植物和WT对照植物更高的光谱反射值；在NIR区域（780-950nm），草甘膦处理的WT植物在6天后具有比草甘膦处理的TG和WT对照植物更低的反射值。
图3 玉米高光谱成像图
高光谱图像随草甘膦处理时间不同呈现不同变化，草甘膦处理早期TG和WT之间没有明显的形态变化（RGB成像），然而，对于高光谱成像，WT和TG植物之间的差异是显而易见的，从蓝色到红色显示草甘膦胁迫程度逐渐增加。
图4 玉米叶绿素荧光参数（A：WT；B：TG）
图5 玉米叶绿素荧光成像图
草甘膦处理影响WT玉米的PS II光化学效率，反映在显著降低的Fv / Fm，qL，Qp和QY（图4A）。对于TG玉米，草甘膦处理与WT对照相似（图4B）。在WT和TG玉米之间观察到Fv / Fm的局部变化（图5）。在WT玉米对草甘膦的响应过程中Fv / Fm降低，在草甘膦施用于WT玉米6天后第一次检测到症状。
表1 玉米草甘膦耐受表型检测模型
表1显示了校准和预测集获得的识别精度。叶绿素荧光在草甘膦处理6天后，校准组准确值为97.78％，预测值为93.33％。高光谱的预测能力也是可接受的，校准集准确值为91.11％。建立在高光谱信息和叶绿素荧光参数上的检测模型在施用草甘膦8天时获得相同的识别结果。结果表明耐草甘膦的转基因玉米可能是在草甘膦处理后6天鉴定。
高光谱成像和叶绿素荧光成像均可用于筛选和鉴定表型，以促进植物育种。今后，应进一步研究更多植物，建立更精确、更稳健的检测模型，并将其应用于植物育种工作中。此外，大量的表型以及分类（易感与抗性）预测的有效性应当被研究以证明基于高光谱和叶绿素荧光成像的筛选的潜力。
