水稻葉片葉綠素高光譜無(wú)損測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、水稻的種植和分配問(wèn)題關(guān)系到全球半數(shù)以上人口糧食安全問(wèn)題。提高水稻產(chǎn)量對(duì)解決糧食安全問(wèn)題至關(guān)重要。通過(guò)育種技術(shù)培育水稻新品種是解決問(wèn)題的主要手段。各種育種技術(shù)均會(huì)產(chǎn)生一系列不同表型的待篩選水稻植株，水稻表型參數(shù)的高通量數(shù)字化測(cè)量為篩選和鑒定水稻品種提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。在水稻表型測(cè)量研究中，葉綠素含量是非常重要的指標(biāo)。葉綠素吸收光能轉(zhuǎn)化能量，是光合作用中最重要的色素，并為植物生理狀態(tài)提供重要信息。如何快速、準(zhǔn)確和方便的測(cè)量植物葉片葉綠素

2、含量等光合作用相關(guān)性狀參數(shù)，對(duì)于遺傳育種和作物栽培研究具有十分重要的意義。目前測(cè)量色素的方法主要可分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法為化學(xué)分析方法，對(duì)植物有損，操作繁瑣，不適用于高通量大規(guī)模測(cè)量。間接測(cè)量法則利用了色素的生物化學(xué)特點(diǎn)，通過(guò)一些比較容易獲取的參數(shù)來(lái)測(cè)量色素含量。常用的方法是反射率指數(shù)法和便攜式葉綠素儀法。但很多指數(shù)不具有品種或生育期適應(yīng)性，測(cè)量結(jié)果可推廣性差。便攜式葉綠素儀雖然操作簡(jiǎn)單，但它存在只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，需要與

3、葉片直接接觸，易受主觀因素影響等缺點(diǎn)。
　　本文針對(duì)水稻葉片色素含量進(jìn)行研究，提出一種基于高光譜成像技術(shù)的色素?zé)o損測(cè)量裝置和方法。主要的研究?jī)?nèi)容包括：搭建高光譜成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且可依據(jù)不同的成像規(guī)格設(shè)置不同的參數(shù)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)盡量采集到信噪比更高的數(shù)據(jù)，還可以存儲(chǔ)為不同格式數(shù)據(jù)并且不影響采集時(shí)間，后期可自動(dòng)重整數(shù)據(jù)為圖像并完成圖像處理，以及光譜特征分析和各種光譜指數(shù)提取；基于高光譜指數(shù)的色素模型：在分蘗盛期和抽穗期，對(duì)葉綠

4、素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素的最優(yōu)光譜指數(shù)均為比例指數(shù)，并且指數(shù)中的一個(gè)因子均在700-760 nm之間，均達(dá)到了極強(qiáng)相關(guān)水平。并且使用這些光譜指數(shù)建立了色素預(yù)測(cè)的單變量模型。在分蘗盛期，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素和類胡蘿卜素預(yù)測(cè)模型R2分別為0.928、0.827、0.916和0.835，平均絕對(duì)相對(duì)誤差（MAPE）分別為6.94％、12.84%、7.48%和8.75%；在抽穗期，模型的R2分別為0.761、0.731、0

5、.761和0.654，MAPE分別為8.25%、10.93%、8.70%和9.14%；針對(duì)光譜指數(shù)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS），其結(jié)果也顯示，“從基因組信息來(lái)預(yù)測(cè)某一物質(zhì)對(duì)應(yīng)的光譜范圍”這種思路也許是可行的。
　　本文提供了一種測(cè)量水稻葉片色素含量的裝置和方法，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：⑴研制出一套可見(jiàn)光-近紅外高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用方便，其控制和數(shù)據(jù)處理方法適應(yīng)性和控制性極強(qiáng)，且能實(shí)現(xiàn)大批量連續(xù)數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)存儲(chǔ)、處理和提取，在其

6、他作物物理表型參數(shù)和生理生化參數(shù)的測(cè)量上也有著極大的潛力。⑵提出一種預(yù)測(cè)水稻葉片色素含量的技術(shù)路線和研究方法，找出了對(duì)色素預(yù)測(cè)效果較好光譜指數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)在700-760 nm區(qū)域，無(wú)論什么形式組合的比例指數(shù)和歸一化指數(shù)與葉綠素之間都有較強(qiáng)的相關(guān)性。⑶GWAS分析結(jié)果顯示含有葉綠素位點(diǎn)的光譜指數(shù)分布范圍包含有與葉綠素含量相關(guān)性較高的光譜指數(shù)區(qū)域，一方面證明了本研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，另一方面為基因信息與光譜數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系提供了基礎(chǔ)。本研究?jī)?nèi)容為