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WIWAM高通量植物表型平台—玉米生理日变化研究
发表时间：2021-11-12 09:44:49点击：970
WIWAM植物表型成像系统由比利时SMO公司与Ghent大学VIB研究所研制生产，整合了LED植物智能培养、自动 化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、植物多光谱分 析、植物CT断层扫描分析、自动条码识别管理、RGB真彩3D成像等多项先进技术，以较优化的方式实现大量植物样 品——从拟南芥、玉米到各种其它植物的生理生态与形态结构成像分析，用于高通量植物表型成像分析测量、植 物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。
高光谱成像是一种用于植物生理性状的非破坏性表型分析的有前途的工具，已从远程传感应用转移到近端传感应用，从手动实验室设置转移到自动植物表型分析平台。由于近端传感的分辨率更高，光照变化和植物几何形状会导致植物光谱中的非生物变化增加，从而可能掩盖细微的生物差异。在这里，在具有高光谱成像设置的温室表型平台中种植的玉米的干旱案例研究中，获得了对近端传感的光谱测量及其在研究干旱、发育和昼夜响应中的应用的更好理解。证明了使用亮度分类来减少光照引起的非生物变化，并允许检测玉米反射率和生理学的昼夜、发育和早期干旱引起的变化。蒸腾速率和蒸气压不足的昼夜变化与红色和红色边缘反射率显着相关。分别使用偏最小二乘回归和新开发的水势指数 2 准确预测了干旱引起的有效量子产率和水势的变化。只要生理特征和反射率之间存在强相关性，高光谱指数和偏最小二乘回归的预测精度相似。这表明当前的高光谱处理方法可用于自动化植物表型平台，以高时间分辨率监测生理特征。
图1. 植物内光照变化对VNIR和SWIR光谱中干旱检测能力的混杂影响
在近端成像设置中收集的反射数据显示植物内的高变异性（图1A），这归因于整个植物表面的照度（每单位面积的总光通量）的变化以及由传感器检测到的反射光量。相机传感器。两个因素决定了照度：光源强度和植物表面几何形状。由于近端高光谱成像的高分辨率，几何的影响非常突出，如玉米植物的顶视图亮度图像（图1B）所示，其中叶间叶组织导致叶片之间和内部的亮度变化。这些变化归因于叶子与光源之间的距离、阴影以及光到达叶子表面的角度（入射角）的差异。这对高光谱数据的解释产生了严重的后果。RGRI值的整体高植物内变异性（图1C）是监测花青素-叶绿素比率的常用指标，与观察到的亮度高变化相对应（图 1B），表明变化是由光照差异引起的，并表明它可以掩盖干旱对反射率的潜在影响。极低和低光类主要包含阴影叶像素，而较高光类包含照明植物像素（图1D）。边缘像素在极低和极高的光级中都被观察到，而静脉像素主要存在于极高的光级中。为了研究像素组成如何影响干旱可探测性，选择了 11 个波长，并评估了每个光类的干旱影响-波长组合。该分析表明，包含阴影叶部分（极低和极低）的类别接收和反射的光较少，与较高的光类别（8-4 个波长，P < 0.05）相比，处理之间的相对反射率差异较小（8- 11 个波长，P < 0.01，图 1E)。在 V5-V7 干旱期（图1F，第 0-5 天），阴影和照明植物部分的数量发生了变化。随着植物长出更多的叶子，高光和极高光像素数减少，而低光和中光像素数增加。在整个实验过程中，中间光类具有最高的相对像素数，因此是最具代表性的级别（图 1F）。
图2.658处相对反射率的昼夜变化
光照效应的减少主要提高了电磁光谱可见、红边和短波红外区域检测干旱的能力，而近红外区域仍然表现出很高的可变性（图1E）。图 1E 中第 6 天从上午 8 点到下午 3 点的单个植物成像时间影响了 NIR 反射，因为 NIR（976 nm）、红边（708 和 721 nm）和 SWIR相对反射率 (P < 0.001) 在这段时间内观察到（图 2）。在可见光区域（523、551 和 658 nm）中也发现了时间效应，随着时间的推移观察到相对反射率增加（P < 0.001）（图 2）。在 WW 和 WD 处理中都观察到了这些时间效应，并且在红边 (721 nm)、NIR (976 nm) 和一种 SWIR 波长 (1,694 nm) 的处理之间存在显着差异。 WD 处理显示出比 WW 处理更强的负斜率，导致下午的干旱效应更明显（P < 0.05）（图 2）。昼夜变化不仅限于特定波长，也可以在槽的深度观察到，这对应于反射率突然下降的区域。在 VNIR 和 SWIR 区域的五个低谷中，它们的倾角为 979；1,232；1,445；1,825；和1,955 nm（图1E），三个（979；1,445；和 1,955 nm）显示出 WW 和 WD 植物的显着负日变化趋势（图 2）。仅在 1,955 nm 波谷处观察到处理差异 (P < 0.01)（图 2）。
图3.658 nm 处的相对反射率和生理特征对环境条件和干旱的昼夜变化的响应
观察到的昼夜变化对光谱解释具有重要意义，并且与生理特征变化和环境条件的变化相吻合（图3）。8PS2在中午左右显示最小值，对应于温室中的PAR最大值（图 3C、G）。叶9在白天下降，在下午/晚上的最低值，当E和VPD已经超过它们的峰值时（图 3B、D、F）。在721nm (相关系数 r, rWW = –0.80, rWD = –0.79, P < 0.05), 658 nm (rWW = 0.74, rWD = 0.77, P < 0.05), 523 处观察到与 VPD 的显着强相关性nm（rWW = 0.74，rWD = 0.67，P < 0.05）和 979 nm 波谷（rWW = –0.80，rWD = –0.78，P < 0.05）。 这些波长依次与 E 和 9 显着相关。658 nm 处的反射率显示出与 E 相似的昼夜模式，最大在下午（图 3A）。
图4.相对反射率与生理性状的关系
干旱对测量的生理性状有负面影响，E、gs、Fv0/Fm0、WC和9较早观察到，A、8PS2 和 8CO2 较晚。除 2,321 nm 组外，所有波长组都与这些特征中的一个或多个显着相关（图4）。在红色反射率（658 nm）和具有负斜率的 9、8PS2 或 Fv0/Fm0 之间观察到最有希望的反射率-生理学关系（图 4A-C）。除了与 9 的关系外，WW 和 WD 处理之间与红色反射的关系显著不同。这表明昼夜、发育和干旱的潜在关系相同-诱发的变化。在 976 nm 和 8CO2或A之间观察到其他与治疗无关的正关系（图 4E、H）。在 523 nm 与 gs、976 nm 与WC的关系中存在显着的处理效果，并且对于976 nm和E非常显着，因为相关性仅存在于 WW 处理中（图 4D-G）。WD处理中缺乏相关性可能与气孔闭合增加导致的 E 值范围有限有关。
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