Plant Phenomics | 北京市農(nóng)林科學(xué)院基于玉米3D葉形的特征提取與分析

玉米葉片在品種、環(huán)境和栽培管理等多種因素影響下呈現(xiàn)出顯著的3D形態(tài)差異。如葉片褶皺、葉片平滑、葉面夾角等一些特征的定性描述，缺乏具體指標(biāo)和方法來(lái)定量刻畫(huà)葉片在3D空間的形態(tài)結(jié)構(gòu)差異，且造成這種差異的原因仍不明確。

2024年8月，Plant Phenomics 在線(xiàn)發(fā)表了北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心、數(shù)字植物北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)展的題為3D morphological feature quantification and analysis of corn leaves 的研究論文。

該研究獲取了478個(gè)玉米自交系灌漿期穗位葉的3D數(shù)字化數(shù)據(jù)（這種數(shù)據(jù)每個(gè)點(diǎn)都有明確的語(yǔ)義信息，例如根據(jù)其序號(hào)明確其是葉尖、葉脈、葉緣點(diǎn)等），創(chuàng)新性地提出了一套包含葉長(zhǎng)、3D葉面積、葉傾角、葉面夾角、葉面自扭率、葉面平整度和葉緣振幅等共13個(gè)3D葉形指標(biāo)的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片整體和葉面局部變化的3D葉形特征的定量描述。

圖1 典型OBIA（葉面夾角）和OBST（葉片自扭率）葉片的可視化和參數(shù)分布

圖2 典型BP（葉面平整度）和MA（葉緣振幅）葉片的可視化和參數(shù)分布

圖3 各葉型指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果

圖4 各指標(biāo)廣義遺傳力分析結(jié)果

結(jié)果表明，3D葉形特征可有效表征葉片間的形態(tài)差異，并發(fā)現(xiàn)葉片的3D形態(tài)受到基因遺傳效應(yīng)和環(huán)境的共同作用。遺傳力分析表明，84.62%的穗位葉3D表型性狀的遺傳力超過(guò)0.3，證實(shí)遺傳因素對(duì)玉米穗位葉的3D形態(tài)形成具有重要影響。然而，由于葉片呈薄片狀并充分暴露于環(huán)境中，多數(shù)3D葉形指標(biāo)較大程度地受環(huán)境影響。

玉米3D葉形的定量化研究不僅為篩選控制玉米葉片形態(tài)的基因提供了理論基礎(chǔ)，也為指導(dǎo)株型和葉型育種以及深入探索作物基因-表型-環(huán)境關(guān)系提供了新的視角。

北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心、數(shù)字植物北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫維亮副研究員與王璟璐博士為并列第一作者，實(shí)驗(yàn)室郭新宇研究員為通訊作者，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米所趙衍鑫副研究員與段民孝副研究員、實(shí)驗(yàn)室王傳宇副研究員、研究生劉凱、陳博、王源橋參與了研究工作。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、北京市農(nóng)林科學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心、數(shù)字植物北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的系列化作物多生境、多尺度、高通量表型平臺(tái)，常年招收碩博士研究生到實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展客座研究。

論文鏈接：
https://doi/10.34133/‍plantphenomics.0225‍

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說(shuō)明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
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特邀作者：溫維亮
排版：許怡瑤（上海交通大學(xué)）
審核：孔敏、王平