大豆地上部和地下部的表型研究
表型是指在特定条件下(如各类环境和生长阶段等)所表现出的可观察的形态特征（植物形状、结构、大小、颜色等生物体的外在性状），由基因型和环境共同决定的。表型组是指某一生物的全部性状特征，不仅仅局限于农艺性状，还应更加关注植株所表现出来的生理状态。植物表型组学是研究植物的生长、表现和组成的科学，它的研究可以从小至核苷酸序列细胞，大至组织、器官种属群体的表型来研究分析，并且可以进一步整合到基因组学研究中;而从系统生物学角度来看，从基因组到转录组、蛋白质组、代谢组以及表型组，表型组是各种组的表现形式。因此，植物表型组学的研究将是涉及植物各个方面的研究领域。表型组学也是突破未来作物学研究和应用的关键研究领域, 通过表型分析来描述关键性状可以为育种、栽培和农业实践提供基于大数据的决策支持。
随着高通量测序技术和植物功能基因组学快速发展，传统的作物表型检测手段已成为植物基础生物学研究和遗存育种研究的主要限制因素。高通量表型组学的兴起改变了传统的作物表型检测方式，与高通量测序技术一起对现代育种方式产生深刻的影响。
大豆是人们日常生活中摄取脂肪和蛋白质的重要来源，国内学者对大豆表型的研究，主要集中于大豆株高、茎粗、主茎节数、节间长度、有效分枝始节、主茎分枝数、结荚高度、荚长、荚宽、荚色、籽粒色和单株荚数等性状。本文使用AgriPheno™平台的Scanalyzer 3D和Scanalyzer PL表型系统及X-射线根系扫描成像分析系统(RootViz FS)对大豆地上部和地下部的表型进行了分析研究。
Scanalyzer 3D和Scanalyzer PL对大豆地上部的表型分析
图1大豆某一时期3D可见光镜头下侧面0°、90°和顶部分析图
图2 大豆某一时期不同植株冠幅、外接多边形和最小外接矩形面积变化图
图3 大豆某一时期不同植株冠层紧密度和偏心率变化图
图4 大豆某一时期不同植株冠幅宽度、最小外接圆直径和株高变化图
图5 PL对四个不同进化类型大豆种子成像分析图
表1 PL对四个不同进化类型大豆种子成像分析数据
|
样品编号 |
籽粒数 |
籽粒长/mm |
偏心率 |
圆度 |
R值 |
G值 |
B值 |
|
野生品种 |
41 |
3.769 |
0.090 |
13.820 |
54 |
46 |
39 |
|
栽培品种 |
17 |
7.362 |
0.031 |
15.895 |
233 |
167 |
83 |
|
半栽培品种 |
25 |
5.523 |
0.085 |
14.892 |
91 |
63 |
41 |
|
半野生品种 |
30 |
6.084 |
0.057 |
16.111 |
147 |
117 |
65 |
☑ Scanalyzer 3D和Scanalyzer PL可获取的大豆地上部分表型参数：
• 批量获取的参数：冠层面积、冠层多边形面积、冠层最小外接矩形面积、冠幅宽度、冠层外接多边形周长、冠层最小外接圆直径、株高、冠层紧密度、冠层偏心率、荚长、荚宽、荚色（RGB值）、籽粒色（RGB值）和分析植株水分相对含量等，并可以提供成像原图和分析图；
• 单张分析获取的参数：茎粗和结荚高度。
RootViz FS对大豆地下部的表型分析
图6 四种不同类型大豆在结夹期X-射线根系扫描成像图
图7 四种不同类型大豆品种在在结夹期根长和根投影面积变化图
图8 大豆在30cm深处截点数、直径和横截面积变化图
图9 半栽培大豆5种不同尺寸根系变化图
图10 玉米和大豆种植现场
☑ X-射线根系扫描成像分析系统可批量获取的根系参数：
• 根据客户需要，可提供根系在基质里原位生长的根系结构合成图、分析图和分析数据；
• 可分析得到的参数有根总长、根投影面积、不同基质深度截点数、截点面积和截点直径等参数；
• 将原图按分辨率降低程度进行切割，可获取5种不同尺寸根系根总长、根投影面积、不同基质深度截点数、截点面积和截点直径等参数。
