Plant Phenomics | 北京市農(nóng)林科學(xué)院基于玉米3D葉形的特征提取與分析

玉米葉片在品種、環(huán)境和栽培管理等多種因素影響下呈現(xiàn)出顯著的3D形態(tài)差異。如葉片褶皺、葉片平滑、葉面夾角等一些特征的定性描述，缺乏具體指標和方法來定量刻畫葉片在3D空間的形態(tài)結(jié)構(gòu)差異，且造成這種差異的原因仍不明確。

2024年8月，Plant Phenomics 在線發(fā)表了北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心、數(shù)字植物北京市重點實驗室聯(lián)合開展的題為3D morphological feature quantification and analysis of corn leaves 的研究論文。

該研究獲取了478個玉米自交系灌漿期穗位葉的3D數(shù)字化數(shù)據(jù)（這種數(shù)據(jù)每個點都有明確的語義信息，例如根據(jù)其序號明確其是葉尖、葉脈、葉緣點等），創(chuàng)新性地提出了一套包含葉長、3D葉面積、葉傾角、葉面夾角、葉面自扭率、葉面平整度和葉緣振幅等共13個3D葉形指標的計算方法，實現(xiàn)了對葉片整體和葉面局部變化的3D葉形特征的定量描述。

圖1 典型OBIA（葉面夾角）和OBST（葉片自扭率）葉片的可視化和參數(shù)分布

圖2 典型BP（葉面平整度）和MA（葉緣振幅）葉片的可視化和參數(shù)分布

圖3 各葉型指標相關(guān)性分析結(jié)果

圖4 各指標廣義遺傳力分析結(jié)果

結(jié)果表明，3D葉形特征可有效表征葉片間的形態(tài)差異，并發(fā)現(xiàn)葉片的3D形態(tài)受到基因遺傳效應(yīng)和環(huán)境的共同作用。遺傳力分析表明，84.62%的穗位葉3D表型性狀的遺傳力超過0.3，證實遺傳因素對玉米穗位葉的3D形態(tài)形成具有重要影響。然而，由于葉片呈薄片狀并充分暴露于環(huán)境中，多數(shù)3D葉形指標較大程度地受環(huán)境影響。

玉米3D葉形的定量化研究不僅為篩選控制玉米葉片形態(tài)的基因提供了理論基礎(chǔ)，也為指導(dǎo)株型和葉型育種以及深入探索作物基因-表型-環(huán)境關(guān)系提供了新的視角。

北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心、數(shù)字植物北京市重點實驗室溫維亮副研究員與王璟璐博士為并列第一作者，實驗室郭新宇研究員為通訊作者，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米所趙衍鑫副研究員與段民孝副研究員、實驗室王傳宇副研究員、研究生劉凱、陳博、王源橋參與了研究工作。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目、北京市農(nóng)林科學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)和國家自然科學(xué)基金等項目資助。

北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心、數(shù)字植物北京市重點實驗室擁有先進的系列化作物多生境、多尺度、高通量表型平臺，常年招收碩博士研究生到實驗室開展客座研究。

論文鏈接：
https://doi/10.34133/‍plantphenomics.0225‍

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說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負責組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準。
特邀作者：溫維亮
排版：許怡瑤（上海交通大學(xué)）
審核：孔敏、王平