西北農(nóng)林科技大學(xué)基于數(shù)字圖像的多維性狀評(píng)價(jià)小麥種質(zhì)遺傳變異的途徑

種質(zhì)資源是作物育種的重要基礎(chǔ)，作物種質(zhì)遺傳變異的評(píng)估一直是農(nóng)業(yè)研究的重要課題。作物種質(zhì)的遺傳變異是由自然遺傳漂變和人類主導(dǎo)的選擇共同決定的，賦予作物適應(yīng)不同環(huán)境條件的能力。
 

2023年11月，Plant Phenomics 在線發(fā)表了由西北農(nóng)林科技大學(xué)聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)合作完成的題為 A Pathway to Assess Genetic Variation of Wheat Germplasm by Multidimensional Traits with Digital Images 的研究論文。本文提出了一種新的途徑，通過數(shù)字圖像生成的小麥種子多維性狀來評(píng)估種質(zhì)遺傳變異。
 

本研究首先建立了機(jī)器視覺平臺(tái)，從小麥種子的全方位圖像序列中重建小麥種質(zhì)3D模型。然后，利用小麥種質(zhì)3D模型進(jìn)行多維性狀分析，包括種子長(zhǎng)度、寬度、厚度、表面積、體積、最大投影面積、圓度，以及2個(gè)新性狀，分別為心形衍生面積和調(diào)整指數(shù)（J指數(shù)）。為評(píng)估小麥種質(zhì)的遺傳變異，采用提取的15份小麥種質(zhì)的形態(tài)學(xué)性狀，進(jìn)行了表型變異系數(shù)（PCVs）技術(shù)、方差分析（ANOVA）、聚類和定義的遺傳變異因子（GVF）計(jì)算。三維重建模型的相關(guān)系數(shù)（R）和均方根誤差（RMSE）證明了測(cè)量精度。PCVs在所有性狀中表現(xiàn)出多維性狀的重要性，如種子體積（22.4%）、心形衍生面積（16.97%）和最大投影面積（14.67%）。方差分析顯示所有種質(zhì)之間存在高度顯著差異。GVF的結(jié)果反映了從親本到子代的基因型變異和表型性狀之間的聯(lián)系。
 

研究結(jié)果證實(shí)了基于圖像的重建方法在測(cè)量小麥種子多維性狀和評(píng)估遺傳變異的可行性。未來的研究可以將基于圖像的三維重建算法應(yīng)用于其他作物和性狀的遺傳變異分析，并將其與基因分型研究相結(jié)合，以更好地服務(wù)農(nóng)業(yè)育種。
 

圖1 三維重建流程圖。
 

圖2 機(jī)器視覺平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)由5個(gè)部分組成：（1）吸取機(jī)構(gòu)，（2）樣品，（3）CCD相機(jī)，（4）環(huán)形燈和（5）真空泵。吸收機(jī)構(gòu)由4部分組成：（6）步進(jìn)電機(jī)，（7）連接軸，（8）空氣管，（9）吸嘴。
 

圖3 遺傳變異評(píng)估圖。

論文鏈接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/plantphenomics.0119

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About Plant Phenomics

《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫收錄�？祁Ｎò睯CR2021影響因子為6.5，位于農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)、遙感一區(qū)。2023年中科院期刊分區(qū)位于農(nóng)林科學(xué)大類一區(qū)。2020年入選中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目。

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
撰稿：張帆航（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
排版：趙倩瑩（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
審核：孔敏、王平