基于無(wú)人機(jī)的時(shí)序光譜指數(shù)解析小麥持綠在育種進(jìn)程中的選擇

Plant Phenomics | 西北農(nóng)林科技大學(xué)基于無(wú)人機(jī)的時(shí)序光譜指數(shù)解析小麥持綠在育種進(jìn)程中的選擇

小麥功能持綠（Stay-green, SG）是提高產(chǎn)量和增強(qiáng)抗逆性的有益性狀，育種家常習(xí)慣用“落黃”好壞來(lái)定性持綠，在定量持綠上，傳統(tǒng)的表型鑒定方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且缺乏科學(xué)性。基于無(wú)人機(jī)的光譜指數(shù)（Spectral indices, SIs）是評(píng)估作物衰老過(guò)程的有效工具，可以有效地跟蹤、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)小麥冠層尺度的衰老或持綠特征。然而，由于不同小麥種質(zhì)材料生育期有差別，之前大部分工作都集中于生育期相近或少數(shù)幾個(gè)品種的差異研究，很少有針對(duì)田間大規(guī)模的不同生育期的小麥種質(zhì)的持綠研究。

2024年3月，Plant Phenomics在線發(fā)表了西北農(nóng)林科技大學(xué)小麥抗病遺傳與分子育種團(tuán)隊(duì)研究論文Using UAV-based temporal spectral indices to dissect changes in the stay green trait in wheat。

基于此，西北農(nóng)林科技大學(xué)小麥抗病遺傳與分子育種團(tuán)隊(duì)首先利用基于無(wú)人機(jī)多光譜對(duì)來(lái)自全世界范圍內(nèi)的565份多樣性小麥種質(zhì)進(jìn)行全生育期的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)追蹤，獲得12000多個(gè)SIs數(shù)據(jù)集，選擇揚(yáng)花后籽粒形成的4個(gè)關(guān)鍵時(shí)期（乳熟期（FS 11.1）、乳熟期與面團(tuán)期的過(guò)渡期（FS 11.1 to 11.2）、面團(tuán)期（FS 11.2）與蠟熟期）并引入這4個(gè)關(guān)鍵時(shí)期的積溫以處理種質(zhì)生育期不一致問(wèn)題，選取與冠層活力和綠度變化密切相關(guān)的4個(gè)SIs（NDVI、GNDVI、NDRE與OSAVI），計(jì)算相對(duì)持綠分?jǐn)?shù)（Relative stay green score, RSGS）作為量化持綠表型的指標(biāo)（圖1），這些指標(biāo)和產(chǎn)量具有較好的相關(guān)性（圖2），此方法首次實(shí)現(xiàn)了在大規(guī)模多樣化小麥群體中檢測(cè)小麥持綠表型并作為遺傳分析的表型輸入數(shù)據(jù)。之后結(jié)合GWAS共定位到47個(gè)SG相關(guān)QTL，QTL內(nèi)候選基因富集顯示主要和衰老相關(guān)的生物過(guò)程有關(guān)。
 

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
 

圖2 四個(gè)持綠指標(biāo)在四個(gè)時(shí)期與產(chǎn)量的相關(guān)性 (A)2020-2021季度；(B)2021-2022季度

在所有QTL內(nèi)，基于注釋和同源基因比對(duì)，優(yōu)先篩選出三個(gè)候選基因，其中編碼D-2-hydroxyglutarate dehydrogenase的基因TraesCS2A03G1081100 和擬南芥持綠基因AT4G36400（D2HGDH）有較高的同源度，在其編碼序列發(fā)現(xiàn)兩個(gè)錯(cuò)義突變，構(gòu)成兩種單倍型：?jiǎn)伪缎?與單倍型2（圖3）。擁有單倍型1的種質(zhì)比擁有單倍型2的種質(zhì)有較高的持綠表型且千粒重和產(chǎn)量較高，但粗蛋白含量沒(méi)有差異�？v觀單倍型在中國(guó)育種中的時(shí)空分布，發(fā)現(xiàn)單倍型1在中國(guó)現(xiàn)代種和高代系中的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于農(nóng)家種，同時(shí)在引進(jìn)種質(zhì)中也高于農(nóng)家種，且隨著育種年限單倍型1的頻率逐漸增加，尤其在1950年后到1970年，猜測(cè)和“綠色革命”后我國(guó)引入外國(guó)優(yōu)良種質(zhì)進(jìn)行改良有關(guān)。在Ⅰ和Ⅱ麥區(qū)單倍型1的頻率利用高，可能和當(dāng)?shù)氐挠�種家選擇有關(guān)。介于單倍型1在高代系中的利用頻率并不是很高，在后期的遺傳改良中可開(kāi)發(fā)利用。
 

圖3 TraesCS2A03G1081100基因的單倍型變化

本研究構(gòu)建檢測(cè)持綠的方法可以為具有相似衰老模式的作物以及復(fù)雜性狀的評(píng)估與遺傳研究提供參考。
 

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院在讀博士生蔚睿與機(jī)械與電子學(xué)院已畢業(yè)博士生曹曉峰為論文的共同第一作者，西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院吳建輝副教授，韓德俊教授和植保學(xué)院曾慶東副研究員為論文的共同通訊作者，機(jī)械與電子學(xué)院蘇寶峰教授、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)前沿交叉研究院劉守陽(yáng)教授對(duì)該研究提供了指導(dǎo)與幫助。
 

團(tuán)隊(duì)介紹

本研究來(lái)自于西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，作物抗逆與高效生產(chǎn)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室小麥抗病遺傳與分子育種團(tuán)隊(duì)，本團(tuán)隊(duì)致力于小麥抗逆基因資源發(fā)掘與利用；小麥基因組-表型組-環(huán)境組大數(shù)據(jù)平臺(tái)建立；小麥田間生物學(xué)性狀表型的高通量精準(zhǔn)鑒定，基因組與表型組關(guān)聯(lián)分析（GPWAS）及關(guān)鍵功能基因挖掘；小麥分子設(shè)計(jì)育種理論和方法探索等研究。近五年在Molecular Plant、Genome Biology、Plant Biotechnology Journal、Theoretical and Applied Genetics、The Crop Journal等農(nóng)業(yè)科學(xué)TOP期刊發(fā)表 SCI收錄論文40余篇；育成國(guó)審小麥品種3個(gè)，省審小麥品種7個(gè)。

論文鏈接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/plantphenomics.0171

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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(guó)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(kāi)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(kù)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(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目。

說(shuō)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)。
特邀作者：蔚睿
排版：張婕（上海交通大學(xué)）
審核：孔敏、王平