绿豆虫害快速检测与抗性品种筛选
在高通量、规模化的植物/作物表型平台中，各种无损的表型成像分析技术是必不可少的。叶绿素荧光、多光谱荧光、红外热成像、高光谱成像等成像分析技术已经是目前最先进也最重要的无损植物表型检测与分析技术，尤其适用于植物各种生物与非生物胁迫的检测、预报与响应机理研究。
同时，这些技术也可以直接用于种子本身的病虫害检测与抗性品种筛选。
江苏农科院与易科泰生态技术公司Ecolab生态实验室合作，利用相关技术进行了绿豆豆象虫害的快速检测，并对不同品系绿豆的病虫害抗性进行定量鉴定。
在被豆象或病害侵染后，由于侵染植物或植物种子与未侵染植物或植物种子的光谱响应差异，可据此研究分析植物的病虫害感染生理生态过程与防治，并实现病虫害侵染的快速检测鉴定。在实验中，我们通过WIC植物红外热成像仪发现，由于豆象本身生理代谢以及绿豆被侵染后代谢紊乱，造成绿豆样品间的温度差异变化，由此可作为绿豆受侵染程度的检测依据。
绿豆红外热成像分析，根据不同光照条件下的热响应，研究分析绿豆豆象侵染的早期检测
不同品系绿豆的病虫害抗性鉴定实验主要通过FluorCam多光谱荧光成像系统完成。这一系统是目前唯一有能力实现了一台仪器上同时完成叶绿素荧光、多光谱荧光、NDVI归一化植被指数以及GFP、YFP、BFP、RFP、CFP、DAPI等荧光蛋白与荧光染料的成像分析功能。同时也可以加装RGB真彩成像和热成像模块。如果在搭配上高光谱成像模块，其成像分析功能已经几乎可与PlantScreen高通量植物表型分析系统的成像单元相媲美。多光谱荧光成像技术非常适用于研究各种胁迫造成植物次生代谢与叶绿素含量变化。这一系统已经广泛应用于植物病害、干旱、氮素缺乏等胁迫响应研究。
左：FluorCam多光谱荧光成像系统；右：感染白粉病的西葫芦叶片：（a）RGB成像；（b）热成像；（c）多光谱荧光F440成像；（d）多光谱荧光F520/F680成像
由于豆象侵染激活了绿豆本身的防御机制，同时正常的生化过程被打乱，从而合成了大量的次生代谢物。多光谱荧光成像正是无损定量检测次生代谢水平的最佳工具。下图中为间隔排列的不同品系绿豆对照组与豆象侵染的处理组，最左侧一列为一种绿豆突变体，绿豆表面的白点为豆象虫卵。通过右侧的多光谱荧光成像图可以明显的看到豆象侵染显著提高了绿豆次生代谢水平，而不同品系绿豆之间的本底次生代谢水平和抗性都有明显差异。
下图中左侧柱状图为F440，反映绿豆的次生代谢总体水平；右侧为F690，反映叶绿素相对浓度。每个品系处理左侧为对照组，右侧为豆象侵染的处理组。诱变处理左侧为野生型对照，右侧为诱变后的突变体。由图中可见，品系3在豆象侵染前后的次生代谢水平都是最低的，同时豆象侵染几乎没有影响其叶绿素浓度。这可能表明其对豆象侵染的抗性最强。而诱变处理的绿豆无论是次生代谢水平还是叶绿素浓度都远低于野生型对照，其具体功能还需进一步研究。
后续我们还准备使用Specim IQ智能高光谱成像仪测量提取绿豆虫害发生时的特征光谱曲线与定量参数，为绿豆虫害快速检测与抗性品种筛选提供理论依据。最终通过综合分析各种表型数据，研究建立绿豆的快速表型鉴定体系，以指导优良品种育种与生产实践。
左：Specim IQ智能高光谱成像仪；右：通过Specim高光谱成像技术鉴定绿豆正常种子与硬种子
参考文献：
Pineda M, et al. 2017. Use of multicolour fluorescence imaging for diagnosis of bacterial and fungal infection on zucchini by implementing machine learning. Functional Plant Biology, https://doi.org/10.1071/FP16164
Phuangsombut K, , et al. 2018. Near-infrared hyperspectral imaging for classification of mung bean seeds, International Journal of Food Properties, 21(1): 799-807
