高光谱成像系统：植物表型研究中的非侵入性成像技术

植物的表型指的是植物在外观上展现出的形态特征，包括植物的大小、形状、结构、颜色、花朵的形态等。这些特征通常受到遗传因素、环境条件和生长发育过程的影响。植物的表型是其基因型与环境之间相互作用的结果，通过表型可以观察到植物在适应环境、进行生长发育和繁殖过程中所表现出的各种特征。

01植物表型研究中的高光谱技术

1. 生长监测：高光谱技术能够实时监测植物在不同生长阶段的生长情况，包括叶片面积、叶绿素含量、植被指数等，从而评估植物的生长状态。

2. 应激响应：植物在受到各种生物和非生物胁迫时会产生特定的生理和形态上的变化。高光谱技术可以捕捉到这些变化，帮助研究者了解植物对环境胁迫的应激响应机制。

3. 品种鉴别：不同植物品种在高光谱数据中的反射特征可能存在差异，这些差异可以用于植物品种的鉴别和分类。

4. 营养状况评估：高光谱数据可以反映植物叶片中的氮、磷、钾等元素的含量，从而评估植物的营养状况。

5. 病虫害监测：病虫害会导致植物叶片的形态、结构和生理状态发生变化，高光谱技术可以检测到这些变化，帮助早期发现和监测病虫害。

02植物表型研究中的非侵入性成像技术

从400到2400 nm的非侵入性成像用于定义植物性状，并将其与丰富的基因组数据联系起来。使用的方法类型取决于许多因素和成像方法可以结合起来，以跨越广泛的规模。平台大致按其对现场条件或室内环境的适应性进行分类。实地应用(包括附在卫星、飞机、无人驾驶航空vehide、无人驾驶飞机或拖拉机上的空中和地面相机和传感器)提供遥感，以估计作物产量并监测大片地理区域的作物生长。温室、受控环境室和实验室内的室内应用主要使用固定系统和手持式设备来测量植物生长速率、估计生物量、检测作物胁迫、测量生理和生化性状、研究种子的生存能力以及表征单个植物的根系。

卫星平台的空间分辨率范围从1000米到0.3米，适合于估计农田的作物面积和产量。航空成像技术适用于作物水分利用和绿叶指数的估算，而地面室外成像平台则提供了植物形态和光谱特征的估计。室内平台适用于生化成分，单一的植物形态和生长特性的评估。

植物表型研究与高光谱技术之间存在密切的关联。高光谱技术是一种通过获取植物在各个波段上的反射、辐射或发射数据，从而对植物的生理状态、化学成分、生长情况以及环境适应性等进行非破坏性的定量和定性分析的技术手段。

03非侵入性成像技术的优点与挑战

非侵入性成像技术的优点:

1.利用成像和基于传感器的平台结合时间序列实验分析和评估植物的解剖、生理和生化特性。

2.非侵入性植物表型分析可以实现自动化和高通量的作物管理，并通过重复测量加速育种，降低评估性状和表型变化的成本。

3.广泛应用于实验室、生长室、温室或田间等各种环境中的单个或多组实验。

4.高光谱成像提供了识别和检索有关化学成分及其空间分布信息的能力。

非侵入性成像技术的挑战:

1.成像方法实验设置、数据分析和ANC数据沉积的标准化、记录和报告，以提高多研究比较和可重复性。

2.表型仪器的校准及误差估计和校正的加标标准的建立。

3.大数据量和计算密集型数据分析方法(深度学习算法)抑制了植物生物学家和遗传学家加速性状发现的广泛适应性。

4.跨物种的方法转移，而不需要对单个参数进行广泛的重新优化，也不需要受可变环境因素的干扰。 

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审核编辑 黄宇