高 璐,李曉鋒,奚丹丹,朱玉英,朱紅芳

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所∕上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201106)

1997年,Schork首次提出表型組學(xué)這一概念[1]。已有研究表明,植物表型受基因型和環(huán)境共同作用,可通過(guò)測(cè)量植株長(zhǎng)、寬、高以及緊密度和開(kāi)展面積度、葉形態(tài)(如葉片長(zhǎng)度、葉片寬度、葉片數(shù)量等)來(lái)衡量[2]。傳統(tǒng)的植物表型信息采集方法存在樣本量小、效率低、誤差大等缺點(diǎn),無(wú)法適應(yīng)大批量、快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的表型測(cè)量要求,已成為制約植物生物學(xué)研究的重要因素[3]。

近幾年,高通量測(cè)序技術(shù)快速發(fā)展,加速了對(duì)植物重要性狀基因的挖掘。隨著科研需求的增長(zhǎng)及成像傳感器技術(shù)的發(fā)展,高通量、高效率、高精度、低誤差的自動(dòng)表型信息采集技術(shù)已逐步應(yīng)用到各個(gè)作物中[4]。AgriPhenoTM開(kāi)放式科研平臺(tái)由上海澤泉科技股份有限公司在上海浦東孫橋現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)投資建設(shè),是國(guó)內(nèi)第一家為植物科研和育種提供高通量植物表型分析、植物基因型分析、以及植物表型-基因型聯(lián)合分析服務(wù)的平臺(tái)[2],該平臺(tái)引進(jìn)了目前全球先進(jìn)的與表型植物育種相關(guān)的設(shè)施和設(shè)備,如全自動(dòng)高通量植物3D成像系統(tǒng)Scanalyzer 3D,能全自動(dòng)、高通量對(duì)植物等小型樣品進(jìn)行可見(jiàn)光成像、近紅外成像,通過(guò)可見(jiàn)光成像可以測(cè)量植物的寬度、密度、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉顏色、種子顏色等50多個(gè)參數(shù),通過(guò)近紅外成像可以分析植物的水分分布狀態(tài)、水力學(xué)研究、脅迫生理學(xué)研究等。植物多酚-葉綠素測(cè)量計(jì)Dualex Scientific+,可實(shí)時(shí)非破壞測(cè)量植物葉片多酚和葉綠素含量、葉片表層類(lèi)黃酮和花青素含量等。

不結(jié)球白菜(Brassica campestrisssp.chinensis Makino),為十字花科蕓薹屬白菜亞種,俗稱青菜、小白菜,原產(chǎn)中國(guó),占長(zhǎng)江中下游各大、中城市蔬菜總復(fù)種面積的30%—40%,深受消費(fèi)者喜愛(ài),具有營(yíng)養(yǎng)豐富、生長(zhǎng)快速、適應(yīng)性廣、成本低等特點(diǎn)[5]。目前,通過(guò)高通量平臺(tái)研究不結(jié)球白菜的表型特征方面的研究很少,本試驗(yàn)借助上海澤泉科技股份有限公司的AgriPhenoTM開(kāi)放式科研平臺(tái)分析不同植物在不同生長(zhǎng)時(shí)期的生長(zhǎng)指標(biāo)和農(nóng)藝性狀,旨在為蔬菜栽培和育種提供更多表型數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年6—7月在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院和上海澤泉科技股份有限公司進(jìn)行,供試材料為上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所提供的不結(jié)球白菜品種‘海青2號(hào)’、‘新夏青5號(hào)’、‘紫衣’、‘華王’和‘植潤(rùn)988’,其中‘華王’和‘植潤(rùn)988’為對(duì)照材料。2020年6月1日進(jìn)行播種,采用穴盤(pán)育苗,6月17日,選擇兩葉一心、生長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽到22 cm的白色花盆中,栽培基質(zhì)為2∶1∶1(體積比)的草炭、蛭石和珍珠巖的混合物。每個(gè)品種選取3株進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

1.2 測(cè)定方法

使用德國(guó)LemneTec公司Scanalyzer 3D對(duì)正常培養(yǎng)的不結(jié)球白菜進(jìn)行無(wú)損成像,分別獲得1張植株頂部、1張植株側(cè)面的RGB圖像。分別在6月24日(播種后第24天)、7月1日(播種后第31天)、7月8日(播種后第38天)進(jìn)行拍攝計(jì)算植株的長(zhǎng)、寬、株高、緊密度、開(kāi)展面積以及植株相對(duì)含水量等指標(biāo)。

利用植物多酚-葉綠素測(cè)量計(jì)Dualex Scientific+,對(duì)植株進(jìn)行實(shí)時(shí)非破壞性測(cè)量,獲得植物葉片葉綠素(Chl)、葉片表層類(lèi)黃酮(Flav)和花青素(Anth)指數(shù),并通過(guò)葉綠素和類(lèi)黃酮的比值評(píng)估植物氮的狀態(tài),即氮平衡指數(shù)(NBI=Chl∕Flav)[6]。數(shù)據(jù)測(cè)定的時(shí)間和次數(shù)同表型測(cè)定一致。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),用Duncan’s新復(fù)極差法(LSR,P=0.05)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示,通過(guò)Microsoft Excel 2010和ORGIN 2018進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不結(jié)球白菜表型及分析圖的獲得

不結(jié)球白菜生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中植株表型的變化通過(guò)高通量表型平臺(tái)進(jìn)行圖片采集及分析?？梢?jiàn)光和近紅外進(jìn)行表型成像后,獲得植株側(cè)面1張及其可見(jiàn)光分析圖、頂部1張及其可見(jiàn)光分析圖,以及頂部紅外分析圖(圖1)。

圖1 5種不結(jié)球白菜頂部和側(cè)面表型及分析圖Fig.1 The top and side phenotype graphics of 5 non-heading Chinese cabbage varieties

2.2 植株表型特征分析

由表1、2、3可知,在不結(jié)球白菜生長(zhǎng)周期內(nèi),5個(gè)品種植株的長(zhǎng)、寬、株高以及緊密度和開(kāi)展面積逐漸增大。播種后第24天,‘新夏青5號(hào)’的面積最大,比‘華王’和‘植潤(rùn)988’分別大88.32%、11.89%;緊密度最大的為‘海青2號(hào)’,比‘華王’和‘植潤(rùn)988’分別大28.57%、7.46%;長(zhǎng)度最大的為‘新夏青5號(hào)’,比‘華王’和‘植潤(rùn)988’分別大20.00%、15.67%;‘紫衣’的長(zhǎng)和寬比‘華王’分別大31.30%、61.09%、比‘植潤(rùn)988’分別大6.61%、16.16%。

表1 播種后第24天時(shí)5種不結(jié)球白菜的植株表型特征分析Table 1 Plant phenotypic characteristics of 5 non-heading Chinese cabbage varieties at the 24th day after sowing

播種后第31天,‘新夏青5號(hào)’的面積比‘華王’大82.90%,與‘植潤(rùn)988’無(wú)明顯差異,‘新夏青5號(hào)’的長(zhǎng)和寬最大,其中,長(zhǎng)和對(duì)照并無(wú)明顯差異,寬比‘華王’大42.84%,與‘植潤(rùn)988’無(wú)明顯差異;緊密度最大的為‘海青2號(hào)’,比‘華王’和‘植潤(rùn)988’分別大31.03%、13.43%;‘紫衣’的株高最大,但與對(duì)照無(wú)明顯差異。

表2 播種后第31天時(shí)5種不結(jié)球白菜的植株表型特征分析Table 2 Plant phenotypic characteristics of 5 non-heading Chinese cabbage varieties at the 31st day after sowing

播種后第38天,‘紫衣’的面積比‘華王’大47.31%,與‘植潤(rùn)988’無(wú)明顯差異,‘紫衣’的長(zhǎng)和寬最大,其中長(zhǎng)和對(duì)照并無(wú)明顯差異,寬比‘華王’大17.24%,與‘植潤(rùn)988’無(wú)明顯差異;緊密度最大的為‘海青2號(hào)’,比‘華王’和‘植潤(rùn)988’分別大16.90%、9.21%。

表3 播種后第38天時(shí)5種不結(jié)球白菜的植株表型特征分析Table 3 Plant phenotypic characteristics of 5 non-heading Chinese cabbage varieties at the 38th day after sowing

2.3 不結(jié)球白菜的相對(duì)含水量分析

植株相對(duì)含水量主要是通過(guò)近紅外成像獲得,級(jí)數(shù)越小,灰度值越小,對(duì)應(yīng)的含水量越高[7]。植株頂部近紅外成像共分為10級(jí),灰度值介于100—220。從圖2可知,播種后第24天,5份材料的相對(duì)含水量均主要集中在2—3級(jí),占比約90%。其中,相對(duì)含水量為2級(jí)材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘海青2號(hào)’(58.94%)＞‘紫衣’(33.50%)＞‘華王’(28.44%)＞‘植潤(rùn)988’(2.34%)＞‘新夏青5號(hào)’(21.92%);相對(duì)含水量為3級(jí)的材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘新夏青5號(hào)’(75.87%)＞‘植潤(rùn)988’(73.05%)＞‘華王’(70.10%)＞‘紫衣’(65.71%)＞‘海青2號(hào)’(40.55%)。播種后第31天,5份材料的相對(duì)含水量主要集中在3—5級(jí),占比約90%,4級(jí)相對(duì)含水量材料最多,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘植潤(rùn)988’(73.35%)＞‘海青2號(hào)’(71.86%)＞‘新夏青5號(hào)’(70.56%)＞‘華王’(67.66%)＞‘紫衣’(66.12%)。播種后第38天,5份材料的相對(duì)含水量主要集中在2—3級(jí),占比約90%。在3級(jí)相對(duì)含水量材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘海青2號(hào)’(70.00%)＞‘紫衣’(67.63%)＞‘華王’(67.08%),‘植潤(rùn)988’(48.87%)＞‘新夏青5號(hào)’(48.32%)。

圖2 不結(jié)球白菜頂部相對(duì)含水量分析Fig.2 Relative water content on top of non-heading Chinese cabbage varieties

植株側(cè)面近紅外成像共分為10級(jí),灰度值介于30—230。從圖3可知,播種后第24天,5份材料的相對(duì)含水量主要集中在3—5級(jí),占比約90%。在3級(jí)相對(duì)含水量材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘植潤(rùn)988’(40.26%)＞‘新夏青5號(hào)’(38.68%)＞‘海青2號(hào)’(30.03%)＞‘華王’(29.21%)＞‘紫衣’(20.27%);在4級(jí)相對(duì)含水量材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘華王’(52.58%)＞‘海青2號(hào)’(46.88%)＞‘紫衣’(44.60%)＞‘新夏青5’(34.45%)＞‘植潤(rùn)988’(22.45%)。播種后第31天,5份材料的相對(duì)含水量均主要集中在6—8級(jí),占比約90%。在6級(jí)相對(duì)含水量中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘紫衣’(48.17%)＞‘海青2號(hào)’(39.65%)＞‘新夏青5號(hào)’(38.40%)＞‘華王’(29.60%)＞‘植潤(rùn)988’(26.97%);在7級(jí)相對(duì)含水量材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘植潤(rùn)988’(46.08%)＞‘華王’(45.59%)＞‘新夏青5號(hào)’(40.89%)＞‘海青2號(hào)’(38.48%)＞‘紫衣’(18.47%)。播種后第38天,‘海青2號(hào)’、‘新夏青5號(hào)’、‘華王’相對(duì)含水量均主要集中在5—7級(jí),占比約90%,‘紫衣’、‘植潤(rùn)988’相對(duì)含水量均主要集中在4—8級(jí),占比約90%。在6級(jí)相對(duì)含水量材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘華王’(52.06%)＞‘海青2號(hào)’(49.82%)＞‘新夏青5號(hào)’(29.71%)＞‘植潤(rùn)988’(28.48%)＞‘紫衣’(24.37%)。

圖3 不結(jié)球白菜側(cè)面相對(duì)含水量分析Fig.3 Relative water content on the side of non-heading Chinese cabbage varieties

葉片頂部近紅外成像共分為10級(jí),灰度值介于100—220。從圖4可知,播種后第24天,5份材料的相對(duì)含水量均主要集中在2—3級(jí),占比90%以上。在2級(jí)相對(duì)含水量材料中,‘海青2號(hào)’最大,為69.62%。在4級(jí)相對(duì)含水量材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘華王’(74.24%)＞‘新夏青5號(hào)’(72.42%)＞‘紫衣’(70.90%)＞‘植潤(rùn)988’(68.26%)＞‘海青2號(hào)’(29.92%)。播種后第31天,5份材料的相對(duì)含水量均主要集中在3—5級(jí),占比95%以上。在4級(jí)相對(duì)含水量材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘新夏青5號(hào)’(78.21%)＞‘植潤(rùn)988’(78.15%)＞‘海青2號(hào)’(77.39%)＞‘紫衣’(75.18%)＞‘華王’(59.18%)。在5級(jí)相對(duì)含水量材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘華王’(32.61%)＞‘紫衣’(20.32%)＞‘植潤(rùn)988’(16.07%)＞‘新夏青5號(hào)’(13.88%)＞‘海青2號(hào)’(8.60%)。播種后第38天時(shí),‘海青2號(hào)’、‘新夏青5號(hào)’、‘華王’相對(duì)含水量均主要集中在2—3級(jí),占比90%以上,在2級(jí)相對(duì)含水量中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘新夏青5號(hào)’(46.67%)＞‘植潤(rùn)988’(30.76%)＞‘紫衣’(23.41%)＞‘華王’(17.36%)＞‘海青2號(hào)’(16.03%)。在3級(jí)相對(duì)含水量材料中,按照相對(duì)含水量高低,依次為‘海青2號(hào)’(81.28%)＞‘華王’(77.57%)＞‘紫衣’(71.47%)＞‘植潤(rùn)988’(65.14%)＞‘新夏青5號(hào)’(50.24%)。

圖4 不結(jié)球白菜葉片相對(duì)含水量分析Fig.4 Relative water content on leaf of non-heading Chinese cabbage varieties

2.4 光合作用色素指數(shù)分析

由圖5-A可知,播種后第24天、31天、38天‘海青2號(hào)’的葉綠素指數(shù)(Chl)顯著高于‘新夏青5號(hào)’和‘紫衣’,與‘華王’相比,‘海青2號(hào)’的Chl依次增加了18.12%、45.17%、29.77%;與‘植潤(rùn)988’相比,‘海青2號(hào)’的Chl依次增加了3.86%、23.78%、25.26%。由圖5-B可知,播種后第24天、31天,‘紫衣’的類(lèi)黃酮指數(shù)(Flav)顯著高于其他材料,與‘華王’相比,‘紫衣’的Flav依次增加了16.43%、32.22%;與‘植潤(rùn)988’相比,‘紫衣’的Flav依次增加了46.55%、44.73%;而在第38天,‘新夏青5號(hào)’的類(lèi)黃酮指數(shù)(Flav)顯著高于其他材料,與‘華王’、‘植潤(rùn)988’相比,‘新夏青5號(hào)’Flav依次增加了4.75%、24.17%。氮平衡指數(shù)(NBI)是評(píng)估植物氮狀態(tài)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)未發(fā)生氮肥脅迫時(shí),植物生長(zhǎng)健康,合成葉綠素較多,產(chǎn)生的類(lèi)黃酮較少;當(dāng)發(fā)生氮肥脅迫時(shí),植物營(yíng)養(yǎng)不平衡,產(chǎn)生的類(lèi)黃酮較多,生成葉綠素較少。由圖5-C看出,播種后第24天、31天、38天‘海青2號(hào)’的NBI均顯著高于‘新夏青5號(hào)’和‘紫衣’;在第31天、38天,與‘華王’相比,‘海青2號(hào)’的NBI依次增加了70.14%、45.24%;與‘植潤(rùn)988’相比,‘海青2號(hào)’的NBI依次增加32.38%、16.24%,而在第24天,‘海青2號(hào)’的NBI比‘華王’增加了27.73%,但要低于‘植潤(rùn)988’。

圖5 不結(jié)球白菜葉綠素、類(lèi)黃酮、氮平衡指數(shù)分析Fig.5 Chl、Flav、Nbi of non-heading Chinese cabbage

花青素是賦予水果、蔬菜和花卉等植物顏色的主要天然色素,本研究?jī)H在‘紫衣’中測(cè)量出花青素指數(shù)(Anth),播種后第24天、31天、38天分別為0.037 0、0.111 0、0.001 3,呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì),而其他材料則未測(cè)出相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論與討論

光投射在物體上所留下影子的面積為投影面積,其大小受投影角度的影響[6],本試驗(yàn)采用頂部投影面積對(duì)植株進(jìn)行性狀分析,結(jié)果表明,‘海青2號(hào)’的緊密度最好,‘新夏青5號(hào)’的葉片面積最大,‘紫衣’是紫色的青菜,其表型特征與對(duì)照相差不大。播種后第24天時(shí),這5個(gè)品種的相對(duì)含水量級(jí)數(shù)小,對(duì)應(yīng)的相對(duì)含水量多,第31天時(shí)相對(duì)含水量下降,第38天時(shí)有所上升。通過(guò)植物多酚-葉綠素測(cè)量計(jì)Dualex Scientific+測(cè)定發(fā)現(xiàn),‘海青2號(hào)’有較高的葉綠素指數(shù)和氮平衡指數(shù),‘紫衣’有較高的類(lèi)黃酮指數(shù)。

植物育種工作離不開(kāi)對(duì)其表型的研究,朱紅芳等[6]通過(guò)AgriPhenoTM開(kāi)放式科研平臺(tái)對(duì)紫葉紫菜薹進(jìn)行表型測(cè)定,快速獲得了表型性狀優(yōu)良的新組合19-520。何紅梅等[7]通過(guò)表型分析研究鐵皮石斛的表型差異,進(jìn)行品種的鑒定和選擇,以促進(jìn)石斛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。劉海廣等[8]通過(guò)表型分析獲得性狀優(yōu)異的長(zhǎng)白茶藨和東北茶藨,通過(guò)與栽培品種進(jìn)行雜交,培育新種質(zhì)。吳茜等[9]通過(guò)高通量平臺(tái)對(duì)植物根系表型進(jìn)行高效采集,為篩選出具有根性狀優(yōu)勢(shì)的作物奠定基礎(chǔ)。史吟欣等[10]通過(guò)觀測(cè)蕎麥植物表型性狀進(jìn)行聚類(lèi)分析,分析不同種質(zhì)親緣關(guān)系。Rahaman等[11]基于高通量植物表型來(lái)模擬植物生物量的變化,該模型可以利用高通量表型圖像的非破壞性方法精確估計(jì)植物生物量,從而獲得更多的信息。植株形態(tài)、葉片大小是評(píng)價(jià)不結(jié)球白菜種植資源的重要指標(biāo),本研究發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)間的變化,5個(gè)品種間出現(xiàn)明顯差異,但是植株的長(zhǎng)、寬、株高、緊密度、面積以及相對(duì)含水量的變化規(guī)律趨于一致。然而在相對(duì)含水量中研究中,播種后第38天的相對(duì)含水量要比第31天高,其變化規(guī)律對(duì)不結(jié)球白菜的生長(zhǎng)發(fā)育有何作用還需要進(jìn)一步研究。