高光譜成像系統(tǒng)：植物表型研究中的非侵入性成像技術

植物的表型指的是植物在外觀上展現(xiàn)出的形態(tài)特征，包括植物的大小、形狀、結構、顏色、花朵的形態(tài)等。這些特征通常受到遺傳因素、環(huán)境條件和生長發(fā)育過程的影響。植物的表型是其基因型與環(huán)境之間相互作用的結果，通過表型可以觀察到植物在適應環(huán)境、進行生長發(fā)育和繁殖過程中所表現(xiàn)出的各種特征。

01植物表型研究中的高光譜技術

1. 生長監(jiān)測：高光譜技術能夠實時監(jiān)測植物在不同生長階段的生長情況，包括葉片面積、葉綠素含量、植被指數(shù)等，從而評估植物的生長狀態(tài)。

2. 應激響應：植物在受到各種生物和非生物脅迫時會產生特定的生理和形態(tài)上的變化。高光譜技術可以捕捉到這些變化，幫助研究者了解植物對環(huán)境脅迫的應激響應機制。

3. 品種鑒別：不同植物品種在高光譜數(shù)據(jù)中的反射特征可能存在差異，這些差異可以用于植物品種的鑒別和分類。

4. 營養(yǎng)狀況評估：高光譜數(shù)據(jù)可以反映植物葉片中的氮、磷、鉀等元素的含量，從而評估植物的營養(yǎng)狀況。

5. 病蟲害監(jiān)測：病蟲害會導致植物葉片的形態(tài)、結構和生理狀態(tài)發(fā)生變化，高光譜技術可以檢測到這些變化，幫助早期發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測病蟲害。

02植物表型研究中的非侵入性成像技術

從400到2400 nm的非侵入性成像用于定義植物性狀，并將其與豐富的基因組數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。使用的方法類型取決于許多因素和成像方法可以結合起來，以跨越廣泛的規(guī)模。平臺大致按其對現(xiàn)場條件或室內環(huán)境的適應性進行分類。實地應用(包括附在衛(wèi)星、飛機、無人駕駛航空vehide、無人駕駛飛機或拖拉機上的空中和地面相機和傳感器)提供遙感，以估計作物產量并監(jiān)測大片地理區(qū)域的作物生長。溫室、受控環(huán)境室和實驗室內的室內應用主要使用固定系統(tǒng)和手持式設備來測量植物生長速率、估計生物量、檢測作物脅迫、測量生理和生化性狀、研究種子的生存能力以及表征單個植物的根系。

衛(wèi)星平臺的空間分辨率范圍從1000米到0.3米，適合于估計農田的作物面積和產量。航空成像技術適用于作物水分利用和綠葉指數(shù)的估算，而地面室外成像平臺則提供了植物形態(tài)和光譜特征的估計。室內平臺適用于生化成分，單一的植物形態(tài)和生長特性的評估。

植物表型研究與高光譜技術之間存在密切的關聯(lián)。高光譜技術是一種通過獲取植物在各個波段上的反射、輻射或發(fā)射數(shù)據(jù)，從而對植物的生理狀態(tài)、化學成分、生長情況以及環(huán)境適應性等進行非破壞性的定量和定性分析的技術手段。

03非侵入性成像技術的優(yōu)點與挑戰(zhàn)

非侵入性成像技術的優(yōu)點:

1.利用成像和基于傳感器的平臺結合時間序列實驗分析和評估植物的解剖、生理和生化特性。

2.非侵入性植物表型分析可以實現(xiàn)自動化和高通量的作物管理，并通過重復測量加速育種，降低評估性狀和表型變化的成本。

3.廣泛應用于實驗室、生長室、溫室或田間等各種環(huán)境中的單個或多組實驗。

4.高光譜成像提供了識別和檢索有關化學成分及其空間分布信息的能力。

非侵入性成像技術的挑戰(zhàn):

1.成像方法實驗設置、數(shù)據(jù)分析和ANC數(shù)據(jù)沉積的標準化、記錄和報告，以提高多研究比較和可重復性。

2.表型儀器的校準及誤差估計和校正的加標標準的建立。

3.大數(shù)據(jù)量和計算密集型數(shù)據(jù)分析方法(深度學習算法)抑制了植物生物學家和遺傳學家加速性狀發(fā)現(xiàn)的廣泛適應性。

4.跨物種的方法轉移，而不需要對單個參數(shù)進行廣泛的重新優(yōu)化，也不需要受可變環(huán)境因素的干擾。

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審核編輯 黃宇