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        田間表型組學(xué):它能促進(jìn)作物改良嗎?

        2022/8/24
        持續(xù)培育高產(chǎn)抗逆品種是未來幾年農(nóng)業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。盡管基因篩選方法的發(fā)展極大地幫助了育種過程,但在對(duì)所得種質(zhì)進(jìn)行同樣快速的表型工具的開發(fā)和應(yīng)用方面,仍然存在廣泛公認(rèn)的差距。多年來,植物育種家和研究人員一直對(duì)選擇具有特定生理和農(nóng)藝性狀的品系增的強(qiáng)方法感興趣,這些性狀有助于提高抗逆性和最終產(chǎn)量,但是用于定量研究的傳統(tǒng)測(cè)量方法往往是勞動(dòng)密集型的,尤其是在田間不容易擴(kuò)大規(guī)模以允許篩選大量不同的品系。傳統(tǒng)的表現(xiàn)型,即植物性狀的視覺評(píng)估,是植物育種的支柱,但被廣泛認(rèn)為是主觀且費(fèi)力的。


        對(duì)自花授粉植物育種計(jì)劃中品種演化的各個(gè)階段的初步總結(jié)。早期幾代所使用的種植形式的描述表明存在各種育種策略,其中種植方式會(huì)有所不同。在育種計(jì)劃的早期階段,通過間接選擇獲取表型組學(xué)的機(jī)會(huì)特別大,此時(shí)植物為隔離生長(zhǎng)狀態(tài),無法獲得可靠的產(chǎn)量估算;這些階段的評(píng)估在很大程度上是主觀的。為了討論和強(qiáng)調(diào)所需的評(píng)估規(guī)模,指出了評(píng)估中的基因型數(shù)量的范圍。

        早在21世紀(jì)初,隨著基因分型技術(shù)的快速發(fā)展,表型組學(xué)這個(gè)通用術(shù)語被廣泛用于自動(dòng)化植物篩選工作(盡管表型和基因型這兩個(gè)術(shù)語起源于一個(gè)多世紀(jì)前)。在過去十年中,機(jī)器人技術(shù)、先進(jìn)成像和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展為高通量測(cè)量開辟了新的途徑,但必要設(shè)施的成本導(dǎo)致在全球范圍內(nèi)建立了少數(shù)專業(yè)中心,其中澳大利亞植物表型設(shè)施(位于堪培拉和阿德萊德)是首批中心之一。此外,建立實(shí)踐和深度表型組學(xué)團(tuán)體的倡議已經(jīng)被確立,包括各個(gè)國(guó)家和國(guó)際學(xué)會(huì),包括本雜志《Plant Phenomics》。在發(fā)展植物表型方面,國(guó)際上做出了大量努力,開展了許多區(qū)域或國(guó)家級(jí)活動(dòng),如英國(guó)國(guó)家植物表型學(xué)會(huì)、德國(guó)植物表型學(xué)會(huì)、歐洲植物表型學(xué)會(huì)和北美植物表型學(xué)會(huì)。作為表型活動(dòng)論壇的國(guó)際植物表型鑒定學(xué)會(huì)(IPPN)最近對(duì)成員進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查,強(qiáng)調(diào)“田間表型”是表型的首要任務(wù),其次是“非生物脅迫”和“數(shù)據(jù)管理”。強(qiáng)調(diào)田間表型的發(fā)展尤為重要,這不僅是因?yàn)樗鼘?duì)植物育種的應(yīng)用至關(guān)重要,也因?yàn)樗匀槐葘?shí)驗(yàn)室或溫室表型更具挑戰(zhàn)性且不那么先進(jìn)。


        僅獲取感興趣的葉片/冠層熱數(shù)據(jù)的重要性在于,最左側(cè)顯示的實(shí)際葉子溫度與最右側(cè)圖像的所得平均CT之間存在 4°C 的差異。最右側(cè)的圖像包括感興趣的區(qū)域中的所有像素,其平均CT值為38°C;平均CT明顯受土壤像素的影響。中間圖像包含的像素要少得多,平均CT為36°C,比僅包含葉像素的最左邊圖像高2°C。由于早期世代每個(gè)基因型的種子有限,在缺水環(huán)境和育種者在苗圃里使用的種植配置的影響下,普遍存在的不完全地面覆蓋影響 CT 測(cè)量的更可能發(fā)生。需要開展進(jìn)一步的工作,以開發(fā)閾值化背景土壤溫度和僅從感興趣的植物材料中提取熱數(shù)據(jù)的常規(guī)方法。使用配備 13.1 mm 鏡頭的 FLIR® A655sc 熱紅外相機(jī)獲取熱圖像。

        近年來,許多綜述性出版物強(qiáng)調(diào)了表型組學(xué)作為作物改良和植物育種的有力研究工具的重要性,并報(bào)道了許多令人鼓舞的結(jié)果。因此,對(duì)表型組學(xué)作為通過研究和育種進(jìn)行作物改良的有利工具的應(yīng)用前景進(jìn)行綜述是及時(shí)的。由于表型組學(xué)是一個(gè)很大的領(lǐng)域,有許多研究人員積極參與,因此本綜述僅限于成像方法、地上表型以及它們?cè)诠任锉硇椭械膽?yīng)用。

        來源:Plant Phenomics.Field Phenomics: Will It Enable Crop Improvement?David M. Deery and Hamlyn G. Jones
        https://spj.sciencemag.org/journals/plantphenomics/2021/9871989/
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