多光谱成像系统法评价大白菜-甘蓝易位系叶色.pdf
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1、第 46 卷第 4 期2023 年 7 月河 北 农 业 大 学 学 报JOURNAL OF HEBEI AGRICULTURAL UNIVERSITYVol.46 No.4Jul.2 0 2 3多光谱成像系统法评价大白菜甘蓝易位系叶色刁可宁,张东方,李晓敏,申书兴,王彦华,顾爱侠(河北农业大学 园艺学院/河北省蔬菜种质创新与利用重点实验室 河北省蔬菜产业协同创新中心,河北 保定 071000)摘要:叶片既是大白菜的光合作用器官,也是商品器官。叶色是叶片重要性状,本研究采用多光谱成像系统法,对 262 份大白菜甘蓝易位系的叶色进行观测,并与人为目测法、叶绿素测量仪法进行比较、验证,结果表明3
2、种评价方法结果极显著相关(P0.01)。混淆矩阵分析表明,多光谱成像系统法能够在叶色鉴定上具有较好的稳定性。多光谱成像系统法鉴定值区间范围大,为区分叶色微小差别提供了可能,为大白菜叶色精准、快速评价提供了方法。大白菜甘蓝易位系群体的叶色遗传多样性和均一度分析表明叶色变异丰富,涵盖了浅黄色、浅绿色、绿色、灰绿色和深绿色等表型,为大白菜新品种选育提供新种质。关 键 词:大白菜;易位系;叶色;多光谱成像系统法;叶绿素测量仪法中图分类号:S634.1 开放科学(资源服务)标识码(OSID):文献标志码:AAssessment of leaf color of Chinese cabbagecabbag
3、e translocation lines by multispectral camera imaging system DIAOKening,ZHANGDongfang,LIXiaomin,SHENShuxing,WANGYanhua,GUAixia(College of Horticulture,Agricultural University of Hebei,Key Laboratory for Vegetable Germplasm Innovation and Utlization of Hebei,Collaborative Innovation Center of Vegetab
4、le Industry in Hebei,Baoding 071000,China)Abstract:Leaf is not only the photosynthetic organ of Chinese cabbage,but also the commercial organ.Leaf color is an important character of leaves.In this study,the leaf color of 262 Chinese cabbagecabbage translocation lines was observed,which were compared
5、 and verified by multispectral camera imaging system,chlorophyll meter method and human eye measurement method.The results of above mentioned evaluation methods were significantly related with each other.The confusion matrix analysis showed that the multispectral camera imaging system performed stab
6、ly in leaf color identification(P0.01).The identification value of multispectral camera imaging system ranged broadly,which makes it possible to distinguish even small differences in leaf color and also provides a method for accurate and rapid evaluation of leaf color.The genetic diversity and mean
7、value analysis of leaf color of Chinese cabbage-cabbage translocation line showed that the population had a rich leaf color variation,such as light yellow,light green,green,gray green and dark green,which offered new germplasm for the breeding of new Chinese cabbage varieties.Keywords:Chinese cabbag
8、e;translocation lines;leaf color;multispectral imaging system method;chlorophyll meter method收稿日期:2022-11-19基金项目:国家自然科学基金(31930098,31772324);河北省杰出青年科学基金(C2020204063);河北省自然科学基金和重点基础研究专项(18966925D);河北省重点研发计划项目(21326311D-2).第一作者:刁可宁(1995),男,河北保定人,硕士研究生,主要从事蔬菜分子染色体工程研究.E-mail:通信作者:王彦华(1969),女,河北保定人,教授,主
9、要从事研究方向为蔬菜分子染色体工程研究.E-mail: 顾爱侠(1980),女,河北秦皇岛人,教授,主要从事研究方向为蔬菜分子染色体工程研究.E-mail:本刊网址:http:/文章编号:1000-1573(2023)04-0033-05DOI:10.13320/ki.jauh.2023.005634第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报大白菜(Brassica rapa L.ssp.pekinesis)原产于中国,属十字花科芸薹属(Brassica)白菜类蔬菜作物,是我国种植面积和消费量最大的蔬菜作物之 一1,具有较高的药用价值和营养成分,被誉为“百菜之王”。目前关于大白菜叶色鉴定主要是
10、利用人眼识别法和叶绿素测量仪法进行评价2-6。将光谱技术与图像技术相结合作为定量、快速、无损的数据采集方法,应用于病虫害鉴定7、马铃薯叶片叶绿素荧光模型建立8、稻米氮素评价9等领域。Renerio等10使用多光谱相机对 53 份菲律宾霹雳果菌毛颜色分类鉴定,该分类方法可成功识别不同菌毛颜色之间可区分的变化标准。叶片是大白菜的商品器官,同时也是光合作用器官,在长期的栽培和演化中形成了多种变异类型11-12,叶色是叶片重要性状,直接影响商品器官表型和植株的光合作用等13。因此大白菜叶色的研究具有重要的理论意义和生产价值。本研究基于多光谱成像系统法,对大白菜甘蓝易位系叶色进行鉴定,并与人为目测法、叶
11、绿素测量仪法进行了比较分析,表明多光谱成像系统法能够较准确评价大白菜叶色,为开展大白菜叶色基因定位等研究提供精准的表型数据。1 材料与方法1.1 试验材料供试材料为 262 份大白菜甘蓝易位系及其亲本,于 2020 年 8 月播于河北农业大学实验基地,正常管理,莲座期选取生长正常、有代表性的植株的叶片进行叶色鉴定。1.2 试验方法1.2.1 多光谱成像系统法评价叶色 在群体中选择典型浅黄色、浅绿色、绿色、灰绿色、深绿色的叶片作为标准样本(图 1)。利用多光谱四通道相机(AD-130GE,丹麦)同时捕获大白菜样本的可见光图像与近红外图像14,通过阈值分割算法15将叶片与背景分割,提取大白菜叶片的
12、 RGB 三通道的灰度值以及近红外通道的灰度值,并去除大白菜叶脉的叶片区域。以红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)与近红外(N)四通道的灰度值进行主成分分析,利用此方法可以用最少的变量代替数量众多的原始变量16,建立 K-means 无监督学习模型,利用该模型将 262 个样本与标准叶片的多光谱成像系统法四通道灰度值分为浅黄,浅绿,绿,灰绿,深绿 5 类17。注:A:浅黄色;B:浅绿色;C:绿色;D:灰绿色;E:深绿色。图 1 易位系 5 类典型叶色Fig.1 Five typical leaf colors of the transloction lines1.2.2 便携式叶绿素仪法评价叶色
13、 利用叶绿素测量仪(SPAD-502plus,日本)在白菜叶片上叶肉靠近叶缘周围固定选取 3 个位置(图 2)进行叶绿素(SPAD)值的测定。图 2 叶绿素仪测量法取点示意图Fig.2 Schematic diagram of chlorophyll meter measurement1.2.3 人为目测法评价叶色 通过人眼观察,将叶色按绿色深浅分为 5 级,即:1 浅黄色、2 浅绿色、3 绿色、4 灰绿色、5 深绿色。1.3 数据处理与分析采用 Excel2010 进行数据统计及处理,分别计算叶色的最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数、遗传多样性及均一度18-19;多光谱成像系统法四通道
14、灰度值及叶绿素仪测量法所得 SPAD 值采用有监督 K-means 均值聚类法;使用 Matlab2015b软件对叶色各类相关性状指标进行统计分析,获得混淆矩阵图,利用 Origin2021 作图,采用 SPSS23.0对性状进行多样性鉴定及不同相关性状的相关性 分析。以 H(Shannons diversity index)和 J(Pielous evenness index)来评价群体内某性状的多样性和均一度。计算公式为:=S1-ipi ln pi HmaxHHJ=将所有材料数据计算平均值和标准差,每 0.535第 4 期为一级,算 Shannon-Wiener 多样性指数(H),其中 P
15、.指某个性状在第 i 个级别出现频率。2 结果与分析2.1 多光谱成像系统法评价叶色提取 262 份试验材料叶片中红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)与近红外(N)每个叶片的 4 个灰度值,利用 SPSS 处理多光谱成像系统法 4 组数据后得到 4 个主成分(表 1),第一主成分累计贡献率为 71.580%,说明该主成分贡献率基本能够代表其他原始变量性状的综合信息,作为叶色分类的依据。表 1 主成分累计贡献率Table 1 Accumulated contribution rate of principal components主成分Principal component特征值Eigenvalu
16、e贡献率Proportion累计贡献率/%CumulativePrin 12.86371.5871.58Prin 21.00024.9996.57Prin 30.1293.2199.78Prin 40.0090.21100.00根据 262 份易位系材料多光谱成像系统法测定的灰度值,使用 Origin 2021 作图绘制叶片颜色的空间散点图。由图 3 可明显看出,各颜色分布具有较强的区域分布。图 3 基于多光谱成像系统法灰度值的叶片颜色空间散点图Fig.3 Scatter diagram of leaf color based on grey value of multispectral im
17、aging system2.2 人为目测评价易位系叶色人为目测法将 262 份大白菜易位系叶色分为 5类,包括浅黄色、浅绿色、绿色、灰绿色、深绿色,其中绿色占比 66.4%,浅绿占比 14.5%,灰绿(11.8%)、深 绿(3.1%)和 浅 黄(4.2%)共 占19.1%。易位系叶色变异系数为 29.77%,多样性指数为 1.04,均一度为 0.64,说明 262 份大白菜易位系间存在丰富的叶色多样性。2.3 便携式叶绿素仪法评价叶色利用便携式叶绿素仪法对 262 份大白菜甘蓝易位系叶色进行评价(表 2)。刁可宁,等:多光谱成像系统法评价大白菜甘蓝易位系叶色表 2 便携式叶绿素仪法测量方差及多
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