模块式植物表型分析技术方案（四）
——水稻稻瘟病、白叶枯病与干旱抗性的无损定量检测
在农业生产实践中，作物经常会同时面临生物和非生物胁迫的双重影响。水稻作为种植面积最广的作物，从而面临一系列的环境挑战。在热带和亚热带地区，水稻面临的最主要非生物胁迫就是干旱胁迫，同时如稻瘟病、白叶枯病等生物胁迫也会严重降低水稻的产量。全球气候变化模型则预测环境变化将会进一步加重这两类胁迫的发生频率与强度。因此，通过快速、无损、精确的植物表型光学分析技术进行这方面的研究就成为了极其迫切的任务。
捷克科学院全球变化研究所联合美国堪萨斯州立大学、国际水稻研究所等单位开展了这方面的研究。研究者通过FP100手持式叶绿素荧光仪、FluorCam便携式荧光成像仪和WinePen光谱仪分别测量多种近等基因系水稻在不同胁迫下的叶绿素荧光参数与植被指数。
左图：感染稻瘟病和白叶枯病的水稻；右图：实验中使用的手持式仪器
叶绿素荧光分析表明，光系统II最大量子产额Fv/Fm、实际量子产额QY_Lss和稳态叶绿素荧光Ft_Lss都可以有效地分辨稻瘟病和白叶枯病。而在进行干旱胁迫检测时，QY_Lss则效果不好。
感染稻瘟病水稻叶片的Fv/Fm叶绿素荧光成像图
通过光谱仪获得的植被指数则表明稻瘟病和干旱可以通过可见光波段的反射光谱植被指数来检测，而白叶枯病可以通过近红外波段相关的反射光谱植被指数来检测。
植被指数 | 公式 | 相关性 |
反射比RR | R550/R675 | 稻瘟病 |
反射比RR | R570/R675 | 稻瘟病 |
反射比RR | R675/R700 | 叶绿素a |
反射比RR | R672/R550 | 叶绿素b |
反射比RR | R750/R550 | 总叶绿素 |
结构反射指数SRI | R750/R700 | 总叶绿素 |
归一化植被指数NDVI | (R755 R664)/(R755-R664) | 总叶绿素 |
反射比RR | (R780-R710)/(R780-R680) | 总叶绿素 |
归一化光谱指数NDSI | (R550-R410)/(R550 R410) | 叶绿素b |
光化学反射指数PRI | (R531-R570)/(R531 R570) | 光合作用 |
类胡萝卜素反射指数CRI700 | 1/R510-1/R700 | 总类胡萝卜素 |
研究中使用的植被指数
除了叶绿素荧光技术与反射光谱技术以外，本文献作者还提到了UV紫外光激发荧光来监测生物胁迫，即UV-MCF多光谱荧光成像技术。这一技术尤其适用于生物胁迫研究，其主要应用有：1. 作物病害早期无损检测；2. 与FluorCam叶绿素荧光成像技术、Specim高光谱成像技术、红外热成像技术联合运用，研究胁迫尤其是病害对光合系统、植物防御机制与次生代谢、气孔关闭与叶片温度的影响。
鳄梨感染白纹羽病的叶绿素荧光、多光谱荧光与热成像分析。叶绿素荧光成像反映光合系统的受损情况；多光谱荧光成像反映植物防御机制激活过程；热成像通过温度变化反映病菌造成的气孔关闭（Granum E, et al. 2015）。
模块式植物表型分析技术方案推荐：
基础方案：FP110手持式叶绿素荧光仪 RP410手持式植物反射光谱仪或者厂家定制WinePen
进阶方案：FluorCam叶绿素荧光成像系统 Specim IQ 手持式高光谱成像仪
高级方案：FluorCam多光谱荧光成像系统 FX10/FX17 轻便型高光谱成像仪或SisuCHEMA高光谱扫描成像分析系统
参考文献：
Šebela1D, et al. 2017. Chlorophyll fluorescence and reflectance-based non-invasive quantification of blast, bacterial blight and drought stresses in rice. Plant and Cell Physiology，59(1):30-43
