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在WIWAM高通量表型平臺(tái)中分析用于檢測(cè)玉米植株干旱脅迫

更新時(shí)間:2022-05-20 點(diǎn)擊量:1029

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研究作物缺水條件下的生理過程對(duì)于耐旱基因型的選擇和相關(guān)基因的功能分析至關(guān)重要。近距離高光譜成像(HSI)是一種很有前途的非侵入性植物性狀分析技術(shù),它在早期檢測(cè)植物對(duì)水分脅迫的反應(yīng)方面具有巨大潛力。在這項(xiàng)工作中描述了一種數(shù)據(jù)分析方法,與植被指數(shù)不同,本方法在具有高分辨信息的選定波段上應(yīng)用光譜相似性,同時(shí)需要仔細(xì)處理非信息性照明效應(yīng)。后一個(gè)問題是通過標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量 (SNV) 歸一化來解決的,該歸一化消除了線性效應(yīng),以及一種監(jiān)督聚類方法來消除表現(xiàn)出非線性多重散射效應(yīng)的像素。在剩余的像素上,與脅迫相關(guān)的動(dòng)態(tài)通過光譜分析程序量化,該程序涉及受監(jiān)督的波段選擇程序和針對(duì)澆水良好的對(duì)照植物的光譜相似性度量。通過在高通量植物表型平臺(tái)中對(duì)玉米植物的水分脅迫和恢復(fù)進(jìn)行大規(guī)模研究,驗(yàn)證了所提出的方法。結(jié)果表明,該分析方法可以早期檢測(cè)干旱脅迫反應(yīng),并在重新澆水后不久恢復(fù)檢測(cè)效果。

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圖1.應(yīng)用于玉米植株的六種不同灌溉策略,顯示了整個(gè)營(yíng)養(yǎng)發(fā)育期在不同V階段的土壤含水量水平,表明了植物葉片發(fā)育的數(shù)量和達(dá)到特定V階段的天數(shù)

所有圖像均通過減去暗框進(jìn)行輻射校準(zhǔn),并計(jì)算相對(duì)于白板的反射率。圖2顯示了來自植物像素的反射光譜的集合。使用廣義交叉驗(yàn)證(GCV)評(píng)分對(duì)光譜中存在的高斯噪聲水平進(jìn)行量化。由于500nm以下和850nm以上的高噪聲水平,圖像被限制在500-850nm范圍內(nèi)的111個(gè)光譜帶,以便進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。然后利用歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)從背景中分割出植物像素。圖3顯示了NDVI若干閾值的分段植物。選擇了0.3的閾值。

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圖2.植物像素集合的反射光譜,覆蓋400nm至1000nm的光譜區(qū)域


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圖3.基于NDVI閾值的植物像素分割

圖4表示獲得的簇映射示例,其中根據(jù)像素的簇編號(hào)使用假彩色表示來映射像素。基于這些聚類圖,對(duì)信息量較小的聚類進(jìn)行注釋,并丟棄這些聚類中的像素。最后,通過平均屬于保留簇的所有像素的歸一化光譜獲得一個(gè)SNV光譜來表征每個(gè)植物。然后將每種植物的整個(gè)發(fā)育期表示為一個(gè)光譜時(shí)間序列。

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圖4.V13生長(zhǎng)階段玉米植株的 RGB 圖像和聚類圖

用充分澆水控制和缺水脅迫處理來監(jiān)測(cè)來自六個(gè)不同澆水處理組的植物的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài),并分析對(duì)干旱的響應(yīng)和再澆水后的恢復(fù)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中(53 天)澆水充足的組作為對(duì)照組。圖5顯示了五個(gè)不同脅迫程度組的圖,每次都與WW對(duì)照組的圖進(jìn)行比較。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是該組所有植物的平均值;也給出了標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖5(a) 顯示了 PD-RW1組與WW對(duì)照組的結(jié)果,在整個(gè)脅迫澆水恢復(fù)期間,與對(duì)照組的差異從逐漸增加到澆水后逐漸減小再到增加的過程;圖5(b) 顯示了 PD-RW2 組與對(duì)照組的結(jié)果,與PD-RW1的過程近似,從第 40 天開始觀察到與 PD-RW1 組的顯著差異,似乎PD-RW2 組已從干旱脅迫中*恢復(fù);圖 5(c) 顯示了 SD 組與對(duì)照組的結(jié)果。SD從觀察的第一天起就可以看到干旱脅迫的影響。直到第10天干旱植物正在適應(yīng)水分脅迫環(huán)境。植物在第35天之前似乎表現(xiàn)得像 WW 對(duì)照植物,之后植物開始重新經(jīng)歷干旱脅迫。SD組的植物發(fā)育受到非常嚴(yán)重的損害;對(duì)于SD-RW1 和 SD-RW2,目標(biāo)是評(píng)估植物在重新澆水時(shí)從嚴(yán)重干旱脅迫中恢復(fù)的能力的程度。 SD-RW1 組在嚴(yán)重干旱誘導(dǎo)后在早期營(yíng)養(yǎng)狀態(tài) (V7) 中*重新澆水,而 SD-RW2 在發(fā)育后期 (V12) 時(shí)*重新澆水。圖 5(d)和(e) 顯示了這些組與對(duì)照組的結(jié)果,對(duì)于SD-RW1組,在重新澆水后不久(在T4點(diǎn))植物健康狀況穩(wěn)定,并且在營(yíng)養(yǎng)發(fā)育階段結(jié)束之前與對(duì)照組保持不變。這表明這些植物能夠*恢復(fù)并恢復(fù)其最佳生長(zhǎng)和功能模式。然而,這不是SD-RW2組實(shí)現(xiàn)的,它在后期再澆水期(T5)后偏離了對(duì)照組。這表明在后期發(fā)育階段再澆水不允許植物從嚴(yán)重的干旱脅迫中*恢復(fù)。

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圖5.六個(gè)不同澆水處理組的植物的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)