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使用红外热成像作为鉴定耐旱扁豆基因的无损筛选工具
发布时间:2021-06-15来源:双视红外

使用红外热成像作为鉴定耐旱扁豆基因的无损筛选工具

 

  扁豆 (Lens culinaris Medik.) 是世界上最重要的营养豆类作物之一,通常被称为“穷人的肉”。 扁豆在全球所有豆类中排名第五,全球产量为490万吨(2016年)。世界小扁豆产量一直呈上升趋势,从1961-63年的平均0.92公吨增加到2013年的4.9公吨。这种传统的小豆科植物主要种植在与其他温带谷物轮作的低降雨旱地种植系统中,因为它们具有固定大气氮的能力。
  尽管扁豆是一种中等耐旱作物,可以在有限的水源条件下生长,但它在开花和成熟期间总是会遇到干旱胁迫,在营养生长期遇到间歇性干旱胁迫,导致粮食产量大幅下降。在间歇性或终末干旱胁迫下,植物生产力可能会从6.0 -54 %下降,甚至可能导致作物完全歉收。幼苗和开花阶段对扁豆的干旱胁迫最为敏感。世界上90%的小扁豆产自依赖保护、减少的土壤水分的地区。因此,作物生产力在很大程度上取决于有效利用土壤水分。为了应对气候变化带来的挑战并在可用水量较低的情况下逐步增加产量,需要开发和鉴定具有更高耐旱性和用水效率的新扁豆品种。

图为真实物种图像

 

  开发新的耐旱栽培品种的主要障碍之一是筛选一系列品种以鉴定有助于耐旱性状的遗传变异的能力,从而选择可用于育种计划的合适亲本材料。为了使育种者能够有效地选择感兴趣的性状,判别系统需要易于实施、可测量和可通过直接分析识别。由于基因型x环境相互作用、不同地点干旱胁迫的时间和严重程度不同,以及剖析造成这种复杂性状的潜在机制所需的大量资源和时间,耐旱性的表型筛选一直非常困难。一些生态生理参数,如幼苗存活率、幼苗活力、茎长、主根和侧根数、谷物产量、渗透调节、相对含水量、水分利用效率和气孔导度,过去曾被用于筛选基因型。然而,缺乏快速可靠的非破坏性和可重复的耐旱性筛选方法,这些方法基于简单的选择标准来识别赋予耐旱性的形态生理性状。使用适当的形态生理特征作为初步筛选方法将有助于确定小扁豆耐旱性的来源,以供未来研究。

图为红外热像图

 

  其中,应用红外热成像寻找冠层温度作为生物或非生物胁迫的筛选参数已得到广泛研究,并且是一个活跃的研究主题。红外热成像是对光谱中9,000–14,000nm范围内物体的远红外辐射进行电子检测和显示。该技术允许可视化和量化物体表面的温差,分辨率为0.1℃,具体取决于所使用的红外相机。在植物中,随着气孔的打开和蒸腾作用的增加,它对叶表面产生冷却作用(蒸发冷却),从而使植物冠层冷却下来。相反,由于压力的出现,叶子遭受部分或完全的气孔关闭,导致由于蒸腾速率降低而导致冠层温度升高。因此,冠层温度的变化提供了气孔导度和蒸腾作用的有价值的代表,蒸腾作用本身是不同压力反应的关键指标。红外热成像等技术易于使用且无损,已被用于测量与田间和温室中许多作物的水分可用性相关的作物生理状态,也作为抗旱育种计划的选择标准。研究通过结合红外热成像和经典的形态生理测量,如 RS 比、RWC、HI 和其他耐旱性指数,鉴定了扁豆耐旱基因型。
  作为一种建设性技术,红外热成像在确定植物水分状况方面比其他基于植物的破坏性方法有几个优势。在目前的研究中,不同干旱胁迫处理下基因型之间Tc和CWSI值的显着差异表明这些变量可用于评估基因型对干旱胁迫的反应。RS比RWC、HI和耐旱指数等其他措施的结果反过来支持了从红外热成像获得的数据。因此,该结果表明,在小扁豆耐旱育种计划和作物表型分析中,将红外热成像作为一种高通量建设性筛选方法具有巨大的潜力。它还将为在典型的现场情况下比较大量基因型提供一种强大的方法,因为它易于携带且价格合理。基于红外热成像、收获指数和多变量数据分析,耐旱的基因型(Digger、Cumra、Indianhead、ILL 5588、ILL 6002 和 ILL 5582)可能用作小扁豆育种计划中耐旱性的遗传资源。此外,未来需要在田间条件下测试研究的扁豆基因型以确认干旱耐受水平,因为干旱和半干旱地区的终末水分胁迫是导致扁豆植物早熟和低产的严重威胁。 .

 

参考文献
Sajitha Biju, Sigfredo Fuentes, Dorin Gupta. The Use Of Infrared Thermal Imaging As a Non-Destructive Screening Tool For Identifying Drought-Tolerant Lentil Genotypes. Plant Physiology and Biochemistry. 2018.