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豆科植物通常生长在降雨和灌溉有限的地区，因此培育豆科植物是为了进一步增强耐旱性，进而培育出产量更高、耐力更强以及水分利用效率更高的优势品种。高通量的表型监测工具能够快速筛选出基因与环境互作条件下的作物生理生化特征，加快育种效率。高光谱反射率对于色素、含水量以及叶片和冠层的结构变化的敏感性高，能够捕捉到植物生理结构的细微变化，及时反映出作物的干旱响应，从而评估不同基因型的豆科植物水分状况。

2023年1月，Plant Phenomics在线发表了University of California等单位题为Hyperspectral remote sensing for phenotyping the physiological drought response of common and tepary bean 的研究论文。

本研究基于高光谱反射率数据和偏最小二乘回归（PLSR）模型评估了16种不同耐旱性的大豆基因型子集的植物水分状况和干旱响应。采用来自地面手持仪器和塔基的高光谱数据建立正午的气孔导度以及黎明前和正午的叶片水势预测模型。对于基于地面的PLSR，分别利用可见光和近红外波段（GroundVISNIR）建模以及全光谱波段（GroundFullrange）进行建模；并且模型定标和模型验证分别占70% 和30%。与塔基相比，基于地面的PLSR模型在所有三个特征上表现更好。根据预测特征的不同，GroundVISNIR和GroundFullrange的性能都有显著差异，这表明全光谱（400-2400 nm）不一定能改善预测。GroundVISNIR模型在黎明前水势方面表现更好(图3b)，而GroundFullrange模型在正午叶片水势方面表现更好（图3c）。两种模型对气孔导度的表现相似（图3a）。

图3 (a) 午间气孔导度(gs)，(b) 黎明前叶片水势(LWP)，(c) 午间气孔导度(灰色)

热力图展示了根据观察到的生理特征（图4a - c）和PLSR预测的生理特征（图4d - f），对每个基因型的干旱反应（相对于对照处理的干旱）进行表型分析。其中负值越多，说明干旱处理相对于对照处理的减少幅度越大，因此接近零的相对百分比差异表示最小的干旱反应，表明该基因型具有较高的耐受性。气孔导度、黎明前叶片水势和冠层体积在相对百分比差异上表现出最大的基因型变异。PLSR模型热力图显示气孔导度具有最大的相对百分比差异的基因型变异，其次是黎明前叶片水势（图4e, f）。

图4 热力图显示在不同基因型（紫色：普通豆；绿色：花菜豆）、植物生理以及田块下干旱响应的相对百分比差异。(a - c) 为实测性状，(d - f) 为地面高光谱数据的PLSR模型预测性状。气孔导度(gs)下标表示一天中的时间。黑色单元格表示不可用数据。

研究结果表明，高光谱数据和PLSR模型可以用于识别耐旱物种和基因型的一系列性状的表型分析。

论文链接：

‍http://doi.org/10.34133/plantphenomics.0021

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