利用高通量3D模型分析葉片伸長的遺傳控制

​谷物是世界大多數(shù)人口的主食，僅在2016年，水稻、小麥和大麥的總產(chǎn)量就達16億噸（http://www.fao.org/faostat/）。為滿足人口增長導(dǎo)致的糧食需求，目前谷物產(chǎn)量增長率必須超過35%（Tester和Langridge，2010年）。未來谷物產(chǎn)量穩(wěn)定性和產(chǎn)量潛力的提高將依賴于資源利用效率的提高和幼苗生長的優(yōu)化（ Sheehy和Mitchell，2015）。為了優(yōu)化谷物的幼苗生長和結(jié)構(gòu)，我們需要了解相關(guān)的生理過程、環(huán)境影響和潛在的遺傳控制。雖然使用二維成像高通量測量幼苗的生長已經(jīng)取得了進展，但大規(guī)模谷物幼苗三維結(jié)構(gòu)的重構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性。

本文中，Ward B提出了一種利用少量圖像測量谷物（如小麥、大麥）單葉的方法。為了證明該方法在高通量研究中的適用性，Ward B等對一個作圖群體的大麥幼苗進行了結(jié)構(gòu)分析，以測量葉片隨時間的萌生和伸長。此外，Ward B等還研究了鹽脅迫對幼苗生長和葉片伸長影響的遺傳機制。本研究中，RGB圖像捕獲由LemnaTec 3D Scanalyzer表型系統(tǒng)完成，二維圖像分析由LemnaGrid軟件執(zhí)行。
 

幼苗三維建模的圖像處理步驟

二維成像與三維建模特征比較

試驗結(jié)果表明，對于小麥和大麥，葉長的手動和數(shù)字測量之間高度相關(guān)（R2在0.97和0.99之間）。此外，Ward B等還檢測到了特定于葉片伸長的QTL位點，而不是幼苗生長的QTL位點。尤其重要的是，在3H染色體上檢測到一個特定于葉片伸長對鹽脅迫早期反應(yīng)的QTL位點，這是一個使用本研究開發(fā)的計算機視覺工具才檢測到的位點。
 

鹽脅迫對幼苗生長的影響

鹽脅迫單葉萌生和葉片伸長的影響

二維和三維成像特征QTL圖譜
綠色代表對照條件下檢測到的QTL位點，紅色代表鹽脅迫下檢測到的QTL位點

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Ward B, Brien C, Oakey H, et al. High‐throughput 3D modelling to dissect the genetic control of leaf elongation in barley (Hordeum vulgare). The Plant Journal, 2019, 98(3): 555-570.