不同品种不结球白菜高通量表型特征分析

高 璐,李晓锋,奚丹丹,朱玉英,朱红芳

(上海市农业科学院设施园艺研究所∕上海市设施园艺技术重点实验室,上海 201106)

1997年,Schork首次提出表型组学这一概念[1]。已有研究表明,植物表型受基因型和环境共同作用,可通过测量植株长、宽、高以及紧密度和开展面积度、叶形态(如叶片长度、叶片宽度、叶片数量等)来衡量[2]。传统的植物表型信息采集方法存在样本量小、效率低、误差大等缺点,无法适应大批量、快速、准确、无损的表型测量要求,已成为制约植物生物学研究的重要因素[3]。

近几年,高通量测序技术快速发展,加速了对植物重要性状基因的挖掘。随着科研需求的增长及成像传感器技术的发展,高通量、高效率、高精度、低误差的自动表型信息采集技术已逐步应用到各个作物中[4]。AgriPhenoTM开放式科研平台由上海泽泉科技股份有限公司在上海浦东孙桥现代农业园区投资建设,是国内第一家为植物科研和育种提供高通量植物表型分析、植物基因型分析、以及植物表型-基因型联合分析服务的平台[2],该平台引进了目前全球先进的与表型植物育种相关的设施和设备,如全自动高通量植物3D成像系统Scanalyzer 3D,能全自动、高通量对植物等小型样品进行可见光成像、近红外成像,通过可见光成像可以测量植物的宽度、密度、叶长、叶宽、叶面积、叶颜色、种子颜色等50多个参数,通过近红外成像可以分析植物的水分分布状态、水力学研究、胁迫生理学研究等。植物多酚-叶绿素测量计Dualex Scientific+,可实时非破坏测量植物叶片多酚和叶绿素含量、叶片表层类黄酮和花青素含量等。

不结球白菜(Brassica campestrisssp.chinensis Makino),为十字花科芸薹属白菜亚种,俗称青菜、小白菜,原产中国,占长江中下游各大、中城市蔬菜总复种面积的30%—40%,深受消费者喜爱,具有营养丰富、生长快速、适应性广、成本低等特点[5]。目前,通过高通量平台研究不结球白菜的表型特征方面的研究很少,本试验借助上海泽泉科技股份有限公司的AgriPhenoTM开放式科研平台分析不同植物在不同生长时期的生长指标和农艺性状,旨在为蔬菜栽培和育种提供更多表型数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年6—7月在上海市农业科学院和上海泽泉科技股份有限公司进行,供试材料为上海市农业科学院设施园艺研究所提供的不结球白菜品种‘海青2号’、‘新夏青5号’、‘紫衣’、‘华王’和‘植润988’,其中‘华王’和‘植润988’为对照材料。2020年6月1日进行播种,采用穴盘育苗,6月17日,选择两叶一心、生长势一致的幼苗移栽到22 cm的白色花盆中,栽培基质为2∶1∶1(体积比)的草炭、蛭石和珍珠岩的混合物。每个品种选取3株进行指标测定。

1.2 测定方法

使用德国LemneTec公司Scanalyzer 3D对正常培养的不结球白菜进行无损成像,分别获得1张植株顶部、1张植株侧面的RGB图像。分别在6月24日(播种后第24天)、7月1日(播种后第31天)、7月8日(播种后第38天)进行拍摄计算植株的长、宽、株高、紧密度、开展面积以及植株相对含水量等指标。

利用植物多酚-叶绿素测量计Dualex Scientific+,对植株进行实时非破坏性测量,获得植物叶片叶绿素(Chl)、叶片表层类黄酮(Flav)和花青素(Anth)指数,并通过叶绿素和类黄酮的比值评估植物氮的状态,即氮平衡指数(NBI=Chl∕Flav)[6]。数据测定的时间和次数同表型测定一致。

1.3 统计分析

利用Microsoft Excel 2010软件进行数据统计,用Duncan’s新复极差法(LSR,P=0.05)进行差异显著性检验,结果以平均值±标准误差表示,通过Microsoft Excel 2010和ORGIN 2018进行作图。

2 结果与分析

2.1 不结球白菜表型及分析图的获得

不结球白菜生长发育过程中植株表型的变化通过高通量表型平台进行图片采集及分析。可见光和近红外进行表型成像后,获得植株侧面1张及其可见光分析图、顶部1张及其可见光分析图,以及顶部红外分析图(图1)。

图1 5种不结球白菜顶部和侧面表型及分析图Fig.1 The top and side phenotype graphics of 5 non-heading Chinese cabbage varieties

2.2 植株表型特征分析

由表1、2、3可知,在不结球白菜生长周期内,5个品种植株的长、宽、株高以及紧密度和开展面积逐渐增大。播种后第24天,‘新夏青5号’的面积最大,比‘华王’和‘植润988’分别大88.32%、11.89%;紧密度最大的为‘海青2号’,比‘华王’和‘植润988’分别大28.57%、7.46%;长度最大的为‘新夏青5号’,比‘华王’和‘植润988’分别大20.00%、15.67%;‘紫衣’的长和宽比‘华王’分别大31.30%、61.09%、比‘植润988’分别大6.61%、16.16%。

表1 播种后第24天时5种不结球白菜的植株表型特征分析Table 1 Plant phenotypic characteristics of 5 non-heading Chinese cabbage varieties at the 24th day after sowing

播种后第31天,‘新夏青5号’的面积比‘华王’大82.90%,与‘植润988’无明显差异,‘新夏青5号’的长和宽最大,其中,长和对照并无明显差异,宽比‘华王’大42.84%,与‘植润988’无明显差异;紧密度最大的为‘海青2号’,比‘华王’和‘植润988’分别大31.03%、13.43%;‘紫衣’的株高最大,但与对照无明显差异。

表2 播种后第31天时5种不结球白菜的植株表型特征分析Table 2 Plant phenotypic characteristics of 5 non-heading Chinese cabbage varieties at the 31st day after sowing

播种后第38天,‘紫衣’的面积比‘华王’大47.31%,与‘植润988’无明显差异,‘紫衣’的长和宽最大,其中长和对照并无明显差异,宽比‘华王’大17.24%,与‘植润988’无明显差异;紧密度最大的为‘海青2号’,比‘华王’和‘植润988’分别大16.90%、9.21%。

表3 播种后第38天时5种不结球白菜的植株表型特征分析Table 3 Plant phenotypic characteristics of 5 non-heading Chinese cabbage varieties at the 38th day after sowing

2.3 不结球白菜的相对含水量分析

植株相对含水量主要是通过近红外成像获得,级数越小,灰度值越小,对应的含水量越高[7]。植株顶部近红外成像共分为10级,灰度值介于100—220。从图2可知,播种后第24天,5份材料的相对含水量均主要集中在2—3级,占比约90%。其中,相对含水量为2级材料中,按照相对含水量高低,依次为‘海青2号’(58.94%)＞‘紫衣’(33.50%)＞‘华王’(28.44%)＞‘植润988’(2.34%)＞‘新夏青5号’(21.92%);相对含水量为3级的材料中,按照相对含水量高低,依次为‘新夏青5号’(75.87%)＞‘植润988’(73.05%)＞‘华王’(70.10%)＞‘紫衣’(65.71%)＞‘海青2号’(40.55%)。播种后第31天,5份材料的相对含水量主要集中在3—5级,占比约90%,4级相对含水量材料最多,按照相对含水量高低,依次为‘植润988’(73.35%)＞‘海青2号’(71.86%)＞‘新夏青5号’(70.56%)＞‘华王’(67.66%)＞‘紫衣’(66.12%)。播种后第38天,5份材料的相对含水量主要集中在2—3级,占比约90%。在3级相对含水量材料中,按照相对含水量高低,依次为‘海青2号’(70.00%)＞‘紫衣’(67.63%)＞‘华王’(67.08%),‘植润988’(48.87%)＞‘新夏青5号’(48.32%)。

图2 不结球白菜顶部相对含水量分析Fig.2 Relative water content on top of non-heading Chinese cabbage varieties

植株侧面近红外成像共分为10级,灰度值介于30—230。从图3可知,播种后第24天,5份材料的相对含水量主要集中在3—5级,占比约90%。在3级相对含水量材料中,按照相对含水量高低,依次为‘植润988’(40.26%)＞‘新夏青5号’(38.68%)＞‘海青2号’(30.03%)＞‘华王’(29.21%)＞‘紫衣’(20.27%);在4级相对含水量材料中,按照相对含水量高低,依次为‘华王’(52.58%)＞‘海青2号’(46.88%)＞‘紫衣’(44.60%)＞‘新夏青5’(34.45%)＞‘植润988’(22.45%)。播种后第31天,5份材料的相对含水量均主要集中在6—8级,占比约90%。在6级相对含水量中,按照相对含水量高低,依次为‘紫衣’(48.17%)＞‘海青2号’(39.65%)＞‘新夏青5号’(38.40%)＞‘华王’(29.60%)＞‘植润988’(26.97%);在7级相对含水量材料中,按照相对含水量高低,依次为‘植润988’(46.08%)＞‘华王’(45.59%)＞‘新夏青5号’(40.89%)＞‘海青2号’(38.48%)＞‘紫衣’(18.47%)。播种后第38天,‘海青2号’、‘新夏青5号’、‘华王’相对含水量均主要集中在5—7级,占比约90%,‘紫衣’、‘植润988’相对含水量均主要集中在4—8级,占比约90%。在6级相对含水量材料中,按照相对含水量高低,依次为‘华王’(52.06%)＞‘海青2号’(49.82%)＞‘新夏青5号’(29.71%)＞‘植润988’(28.48%)＞‘紫衣’(24.37%)。

图3 不结球白菜侧面相对含水量分析Fig.3 Relative water content on the side of non-heading Chinese cabbage varieties

叶片顶部近红外成像共分为10级,灰度值介于100—220。从图4可知,播种后第24天,5份材料的相对含水量均主要集中在2—3级,占比90%以上。在2级相对含水量材料中,‘海青2号’最大,为69.62%。在4级相对含水量材料中,按照相对含水量高低,依次为‘华王’(74.24%)＞‘新夏青5号’(72.42%)＞‘紫衣’(70.90%)＞‘植润988’(68.26%)＞‘海青2号’(29.92%)。播种后第31天,5份材料的相对含水量均主要集中在3—5级,占比95%以上。在4级相对含水量材料中,按照相对含水量高低,依次为‘新夏青5号’(78.21%)＞‘植润988’(78.15%)＞‘海青2号’(77.39%)＞‘紫衣’(75.18%)＞‘华王’(59.18%)。在5级相对含水量材料中,按照相对含水量高低,依次为‘华王’(32.61%)＞‘紫衣’(20.32%)＞‘植润988’(16.07%)＞‘新夏青5号’(13.88%)＞‘海青2号’(8.60%)。播种后第38天时,‘海青2号’、‘新夏青5号’、‘华王’相对含水量均主要集中在2—3级,占比90%以上,在2级相对含水量中,按照相对含水量高低,依次为‘新夏青5号’(46.67%)＞‘植润988’(30.76%)＞‘紫衣’(23.41%)＞‘华王’(17.36%)＞‘海青2号’(16.03%)。在3级相对含水量材料中,按照相对含水量高低,依次为‘海青2号’(81.28%)＞‘华王’(77.57%)＞‘紫衣’(71.47%)＞‘植润988’(65.14%)＞‘新夏青5号’(50.24%)。

图4 不结球白菜叶片相对含水量分析Fig.4 Relative water content on leaf of non-heading Chinese cabbage varieties

2.4 光合作用色素指数分析

由图5-A可知,播种后第24天、31天、38天‘海青2号’的叶绿素指数(Chl)显著高于‘新夏青5号’和‘紫衣’,与‘华王’相比,‘海青2号’的Chl依次增加了18.12%、45.17%、29.77%;与‘植润988’相比,‘海青2号’的Chl依次增加了3.86%、23.78%、25.26%。由图5-B可知,播种后第24天、31天,‘紫衣’的类黄酮指数(Flav)显著高于其他材料,与‘华王’相比,‘紫衣’的Flav依次增加了16.43%、32.22%;与‘植润988’相比,‘紫衣’的Flav依次增加了46.55%、44.73%;而在第38天,‘新夏青5号’的类黄酮指数(Flav)显著高于其他材料,与‘华王’、‘植润988’相比,‘新夏青5号’Flav依次增加了4.75%、24.17%。氮平衡指数(NBI)是评估植物氮状态的一个标准,当未发生氮肥胁迫时,植物生长健康,合成叶绿素较多,产生的类黄酮较少;当发生氮肥胁迫时,植物营养不平衡,产生的类黄酮较多,生成叶绿素较少。由图5-C看出,播种后第24天、31天、38天‘海青2号’的NBI均显著高于‘新夏青5号’和‘紫衣’;在第31天、38天,与‘华王’相比,‘海青2号’的NBI依次增加了70.14%、45.24%;与‘植润988’相比,‘海青2号’的NBI依次增加32.38%、16.24%,而在第24天,‘海青2号’的NBI比‘华王’增加了27.73%,但要低于‘植润988’。

图5 不结球白菜叶绿素、类黄酮、氮平衡指数分析Fig.5 Chl、Flav、Nbi of non-heading Chinese cabbage

花青素是赋予水果、蔬菜和花卉等植物颜色的主要天然色素,本研究仅在‘紫衣’中测量出花青素指数(Anth),播种后第24天、31天、38天分别为0.037 0、0.111 0、0.001 3,呈现出先增后减的趋势,而其他材料则未测出相关数据。

3 结论与讨论

光投射在物体上所留下影子的面积为投影面积,其大小受投影角度的影响[6],本试验采用顶部投影面积对植株进行性状分析,结果表明,‘海青2号’的紧密度最好,‘新夏青5号’的叶片面积最大,‘紫衣’是紫色的青菜,其表型特征与对照相差不大。播种后第24天时,这5个品种的相对含水量级数小,对应的相对含水量多,第31天时相对含水量下降,第38天时有所上升。通过植物多酚-叶绿素测量计Dualex Scientific+测定发现,‘海青2号’有较高的叶绿素指数和氮平衡指数,‘紫衣’有较高的类黄酮指数。

植物育种工作离不开对其表型的研究,朱红芳等[6]通过AgriPhenoTM开放式科研平台对紫叶紫菜薹进行表型测定,快速获得了表型性状优良的新组合19-520。何红梅等[7]通过表型分析研究铁皮石斛的表型差异,进行品种的鉴定和选择,以促进石斛产业的发展。刘海广等[8]通过表型分析获得性状优异的长白茶藨和东北茶藨,通过与栽培品种进行杂交,培育新种质。吴茜等[9]通过高通量平台对植物根系表型进行高效采集,为筛选出具有根性状优势的作物奠定基础。史吟欣等[10]通过观测荞麦植物表型性状进行聚类分析,分析不同种质亲缘关系。Rahaman等[11]基于高通量植物表型来模拟植物生物量的变化,该模型可以利用高通量表型图像的非破坏性方法精确估计植物生物量,从而获得更多的信息。植株形态、叶片大小是评价不结球白菜种植资源的重要指标,本研究发现,随着时间的变化,5个品种间出现明显差异,但是植株的长、宽、株高、紧密度、面积以及相对含水量的变化规律趋于一致。然而在相对含水量中研究中,播种后第38天的相对含水量要比第31天高,其变化规律对不结球白菜的生长发育有何作用还需要进一步研究。