大豆地上部和地下部的表型研究

表型是指在特定條件下(如各類環境和生長階段等)所表現出的可觀察的形態特征（植物形狀、結構、大小、顏色等生物體的外在性狀），由基因型和環境共同決定的。表型組是指某一生物的全部性狀特征，不僅僅局限于農藝性狀，還應更加關注植株所表現出來的生理狀態。植物表型組學是研究植物的生長、表現和組成的科學，它的研究可以從小至核苷酸序列細胞，大至組織、器官種屬群體的表型來研究分析，并且可以進一步整合到基因組學研究中;而從系統生物學角度來看，從基因組到轉錄組、蛋白質組、代謝組以及表型組，表型組是各種組的表現形式。因此，植物表型組學的研究將是涉及植物各個方面的研究領域。表型組學也是突破未來作物學研究和應用的關鍵研究領域, 通過表型分析來描述關鍵性狀可以為育種、栽培和農業實踐提供基于大數據的決策支持。

隨著高通量測序技術和植物功能基因組學快速發展，傳統的作物表型檢測手段已成為植物基礎生物學研究和遺存育種研究的主要限制因素。高通量表型組學的興起改變了傳統的作物表型檢測方式，與高通量測序技術一起對現代育種方式產生深刻的影響。

大豆是人們日常生活中攝取脂肪和蛋白質的重要來源，國內學者對大豆表型的研究，主要集中于大豆株高、莖粗、主莖節數、節間長度、有效分枝始節、主莖分枝數、結莢高度、莢長、莢寬、莢色、籽粒色和單株莢數等性狀。本文使用AgriPheno?平臺的Scanalyzer 3D和Scanalyzer PL表型系統及X-射線根系掃描成像分析系統(RootViz FS)對大豆地上部和地下部的表型進行了分析研究。

Scanalyzer 3D和Scanalyzer PL對大豆地上部的表型分析
 

圖1大豆某一時期3D可見光鏡頭下側面0°、90°和頂部分析圖

圖2 大豆某一時期不同植株冠幅、外接多邊形和最小外接矩形面積變化圖

圖3 大豆某一時期不同植株冠層緊密度和偏心率變化圖

圖4 大豆某一時期不同植株冠幅寬度、最小外接圓直徑和株高變化圖

圖5  PL對四個不同進化類型大豆種子成像分析圖

表1  PL對四個不同進化類型大豆種子成像分析數據

? Scanalyzer 3D和Scanalyzer PL可獲取的大豆地上部分表型參數：

? 批量獲取的參數：冠層面積、冠層多邊形面積、冠層最小外接矩形面積、冠幅寬度、冠層外接多邊形周長、冠層最小外接圓直徑、株高、冠層緊密度、冠層偏心率、莢長、莢寬、莢色（RGB值）、籽粒色（RGB值）和分析植株水分相對含量等，并可以提供成像原圖和分析圖；

? 單張分析獲取的參數：莖粗和結莢高度。

RootViz FS對大豆地下部的表型分析

圖6 四種不同類型大豆在結夾期X-射線根系掃描成像圖

圖7 四種不同類型大豆品種在在結夾期根長和根投影面積變化圖

圖8 大豆在30cm深處截點數、直徑和橫截面積變化圖

圖9 半栽培大豆5種不同尺寸根系變化圖

圖10 玉米和大豆種植現場

? X-射線根系掃描成像分析系統可批量獲取的根系參數：

? 根據客戶需要，可提供根系在基質里原位生長的根系結構合成圖、分析圖和分析數據；

? 可分析得到的參數有根總長、根投影面積、不同基質深度截點數、截點面積和截點直徑等參數；

? 將原圖按分辨率降低程度進行切割，可獲取5種不同尺寸根系根總長、根投影面積、不同基質深度截點數、截點面積和截點直徑等參數。