高光谱表型监测平台实时监测作物病害

说到育种不得不提到“表型”的概念，在生物学和遗传育种领域，特别是作物育种领域，表型是指基因型和环境决定的形状、结构、大小、颜色等生物体的外在性状。表型组又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。随着多数代表植物全基因组测序的结束，科研人员越来越认识到植物表型研究的重要性，并将其提到的“组学”的高度。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。

        高光谱成像传感器是近几年研究用于监测不同环境中农作物和植被的有效工具。植物的生理学，形态学或生物化学信息可以通过非接触的方式以及不同尺度下评估。例如，利用高光谱传感器用于植物表型分析或精准农业中的生理胁迫研究。

图1  表型温室（a：室内，b：室外）

       图1 为波恩大学Jan Behmann利用小型mini地块研究不同大麦品种的试验田。不同的大麦品种分别接种了白粉病，并设计了对照实验，接种前后分别利用以高光谱成像仪Specim V10E进行观测，观察不同发病期不同大麦品种的光谱变化。

图2  植株健康组织和白粉病发病组织的光谱特征和丰度图

        研究结果表明，尽管在冠层尺度上进行测量存在固有的困难，但该系统依然能够在早期阶段检测出**症状，并可以在较长时期内详细评估**的严重程度和发病过程。与人工评估相比，系统能更早的检测出发病症状且自动评估结果准确率达94.83％。

表1  试验过程中大麦品种病情发展的人工分级

图3  冠层的光谱特征

（距离传感器和照明系统不同高度）

图4  试验过程中不同大麦品种病情的严重程度

图5  通过SVM分类的白粉病侵染空间分布

（绿色为健康组织、红色为白粉病侵染组织、蓝色为背景）

图6  对照植株和接种植物的Mini-Plots上坏死病变的空间分布及像素比柱状图

        本研究所提出的高光谱测量系统提高了表型分析的效率，在未来的植物抗性育种研究中具有很高的应用价值。