Phenotyping for plant breeding and precision agriculture
Icke-förstörande fenotypningsprocess för övervakning av växtlighet i jordbruket
Högupplösta bildsystem för icke-destruktiv och snabb bildtagning av växter
Hur kan avancerad fenotypningsteknik bidra till genotyp-fenotypstudier och smart jordbruk?
Validering och noggrannhet av fenotypningsinformation är avgörande för växtforskning och växtförädling. Konventionell fenotypisk analys av växter bygger på bedömning och karakterisering av vegetationskonstitutionen, huvudsakligen med manuella observationer. Tyvärr kan visuell bedömning och manuella mätningar vara subjektiva, utsatta för mänsklig partiskhet, tidskrävande och arbetsintensiva, vilket leder till variationer i tolkningar och är opraktiskt för storskalig användning.
På grund av subjektiviteten i datainsamlingen är reproducerbarheten begränsad och det är svårt att fånga upp dynamiska förändringar i växtens egenskaper över tid. Dessutom skadas eller offras den aktuella växten vid skörd och analys av blad- eller rotprover, vilket begränsar möjligheten att kontinuerligt övervaka växtens utveckling. Fenotypning av komplexa egenskaper som fysiologiska processer eller genetiska typer kan vara svårt att mäta exakt med konventionella metoder. Det är inte säkert att hela spektrumet av växtegenskaper som är relevanta för en viss studie fångas upp.
För att lösa dessa problem har det funnits ett växande intresse för utveckling och användning av avancerad fenotypningsteknik, t.ex. fenotypningsplattformar med hög kapacitet, sensorbaserade övervakningssystem, högupplösta bildsystem, robotar och maskininlärning. Dessa tekniker syftar till att övervinna begränsningarna med konventionella metoder genom att tillhandahålla mer objektiv, skalbar och högupplöst fenotypningsinformation, vilket underlättar effektivare växtförädling, skötsel av grödor och forskning.
Hur påverkar fenotypningstekniker precisionsjordbruk?
Avancerad fenotypningsteknik är värdefull i växtförädlingsprogram, genetiska studier och växtforskning, där stora populationer behöver screenas för olika egenskaper. Den gör det möjligt för forskare att samla in detaljerade fenotypiska data om ett stort antal vegetationsprover eller organismer på relativt kort tid, vilket ger insikter om variationer i egenskaper, genetiska associationer och miljöinteraktioner. Att mäta och kvantifiera olika fenotypiska egenskaper hos växter på ett korrekt och konsekvent sätt i stora populationer är en av utmaningarna med fältfenotypning. Valet av relevanta fenotypiska egenskaper, t.ex. växtens morfologi, form, färg, biomassa, fysiologiska reaktioner på miljön, tillväxtdynamik, stressreaktioner och avkastningsrelaterade parametrar, kommer att ge värdefulla parametrar för precisionsjordbruk.
Peka på målet, definiera mätinställningarna, registrera och visa.
Integrationen av fjärranalys och fenotypdata täcks av HSI-teknik (hyperspectral imaging), som fångar viktiga parametrar på ett exakt sätt. När du väljer ett HSI-system måste rätt våglängdsområde väljas beroende på växtens egenskaper. Vegetationens fysiska, kemiska och biologiska egenskaper påverkas av hur ljuset reflekteras, absorberas eller transmitteras.
- Våglängdsområden i området för synligt ljus (VIS) (400-700 nm): information om bladpigmentering som klorofyll eller karotenoider;
- Nära infraröd (NIR) region (700-1.000 nm): förändringar i växtcellstrukturen för att upptäcka växtstress, förändringsmätning i bladpigmentering;
- Kortvågigt infrarött (SWIR) område (1.000-2.500 nm): data om vatten- och proteininnehåll i växten.
Utmaningar inom fenotypning med hög kapacitet påverkar kostnader, teknisk komplexitet, standardisering av protokoll och behovet av specialiserad expertis. Det är här som en hyperspektral (HSI) kamera kan förändra spelplanen och driva på införandet och förfiningen av avancerad fenotypning inom växtvetenskap och relaterade områden.
Fördelar
- Identifiera nyckelattribut för urval att påskynda förädlingsprogram och produktionsförbättring med nya sorter eller hybrider med ökad avkastning, sjukdomsresistens, tolerans mot miljöbelastningar och andra önskvärda egenskaper
- Förstå genetiska mekanismer underliggande komplex konstitution för att kvantifiera egenskapsanalys och studera genotyp-fenotypassociationer
- Bedöma inverkan av miljöfaktorer om växtutveckling och anpassning för att förbättra produktivitet, hållbarhet och livsmedelsförsörjning
- Identifiera och utveckla strategier för riskhantering, inklusive urval av resistenta växtsorter eller utveckling av riktade bekämpningsåtgärder
- Optimera resursanvändningen i precisionsjordbruk för att förbättra avkastningsprognoser, justera insatsvaror och maximera produktiviteten samtidigt som miljöpåverkan minimeras
- Utveckla näringsriktig och högkvalitativ mat genom att utvärdera näringssammansättningen och förbättra den agronomiska forskningen om metoder för skördehantering, t.ex. bevattning, gödsling och växtföljd
Mätinstrument
Specim Hypersepctral Imaging
De hyperspektrala kamerorna Specim FX10 och Specim FX17 ger avancerad växtövervakning genom högupplöst insamling av spektraldata. Dessa kameror täcker våglängderna synligt och nära infrarött (VNIR) till nära infrarött (NIR) och möjliggör icke-invasiv fenotypning med hög kapacitet och fångar upp viktiga indikatorer för växthälsa som NDVI, PRI och klorofyllindex.
Tillämpningar
En plattform för fenotypning med hög genomströmning
Hyperspektral bildanalys på nära håll för tidig upptäckt av stressreaktioner hos enskilda växter i en plattform för fenotypning med hög genomströmning
Source Google Scholar:
Asaari et al. (2018)
HSI i fenotypning av växter
Specim IQ: Utvärdering av en ny, miniatyriserad handhållen hyperspektral kamera och dess tillämpning för växtfenotypning och sjukdomsdetektering
Source Google Scholar:
Behmann et al. (2018)
Fråga våra experter
