基于叶绿素荧光和高光谱成像技术的转基因玉米作物表型高通量获取方法研究

The development of transgenic glyphosate-tolerant crops has greatly reduced the production cost and improved the weeding control efficiency, which subsequently protect the environment. To accelerate the plant breeding screening process, it is significant to systematically study the tolerant phenotypes and genic characteristics with the help of quick and high-throughput tool for assessing phenotypes. In this study, biochemical methods, hyperspectral imaging and Chlorophyll fluorescence imaging are applied to acquire the phenotypic information and evaluate the differences in glyphosate tolerance between the transgenic maize (cry1Ab/cry2Aj-G10evo) and its parental wild-type. The aim of this study were: to study the physiological and biochemical mechanism of the transgenic glyphosate-tolerant maize; to study the rapid and non-destructive detection technology based on hyperspectral imaging and chlorophyll fluorescence imaging; to compare the accuracy of these three methods in the selection of glyphosate tolerant in maize; and establish high-throughput screening for the characterization of the glyphosate-tolerant maize genotype. Compared with the traditional selection process, the project here will not only save manpower and material resources for plant breeding, but also facilitate molecular plant breeding programs, which guide the molecular plant breeding trends toward high quality, functionalization and specialization.

抗草甘膦转基因作物的培育可以大大降低生产成本，提高除草效率，保护环境。系统地研究作物的抗性表现及遗传特点，研究作物高通量表型的快速获取技术对加速作物育种具有重要的理论和实验意义。本研究以转双价基因（cry1Ab/cry2Aj-G10evo）玉米和其野生型为研究对象，采用生理生化方法，高光谱成像技术和叶绿素荧光技术对草甘膦胁迫下作物的表型信息进行检测，分析不同基因型的耐性表现。研究转基因优势品种的抗草甘膦性状的生理生化机理；研究基于高光谱成像技术和叶绿素荧光技术的生理、形态指标的快速无损检测技术；比较这三种方法对玉米草甘膦耐受性检测的准确性；建立育种高通量表型获取技术。与传统的育种筛选相比，本项目的研究成果将有效地节约人力、物力，提高育种筛选效率，指导转基因育种向高质量、功能化、专业化方向发展。

定向改造粮食作物的遗传性状，培育优良品种是实现作物高产解决当前粮食安全问题的途径之一。转基因耐除草剂作物的出现能够改变传统除草模式，降低生产成本，又能起到保护环境的作用。在转基因育种实践中，优良性状的筛选是其中的一个重要环节。但是，传统的表型测定技术耗时、耗力，无法同步匹配数据库丰富的基因组学，严重阻碍了育种进程。光谱技术是实现数字化农业研究的重要技术，将两者有机地结合起来进行转基因作物育种研究可望取得新的突破。本研究发现草甘膦农药胁迫导致光合作用损害，造成细胞结构破坏，叶片水分和叶绿素含量降低，这些结构和生化指标的改变都可以被高光谱成像技术获得。而叶绿素荧光图像技术可以反应光合能力的改变。研究发现，在草甘膦胁迫处理6天后，光谱反射率在基因型和处理间存在明显差异。我们利用SPA筛选到了11个特征波长，并且构建了PLSR的校正模型，取得了良好的预测效果，建模集R2达到了0.79，预测集R2达到了0.82。与机器视觉技术相比，叶绿素荧光参数图像技术能够在草甘膦胁迫初始阶段就感应不同基因型玉米的差异，用于选育优势品种。结果表明，草甘膦将诱导植物体内活性氧的大量积累，从而带来氧化应激以及对光合作用的负面影响，非抗性玉米自身的抗氧化系统较脆弱难以完全免受草甘膦带来的损伤，而经过转基因技术得到的抗性品种将通过激活更加强大的抗氧化系统来清理植物体内过量的活性氧，最终恢复至正常光合生理状态。本研究还发现基础参数M0、VI和FV/F0可以作为因草甘膦胁迫而造成植物损伤的指示参数，计算得到参数VI与总叶绿素含量以及参数FV/F0与叶绿素a与叶绿素b的比值拟合直线的斜率可以用于草甘膦耐受性品种的鉴别，具有指导作物育种过程的潜力。