易科泰表型成像技术在小麦育种与栽培中的创新应用

       小麦育种的核心目标是“高产、优质、抗逆”。传统表型鉴定依赖人工取样和化学分析，周期长、通量低、破坏性强。高光谱成像技术凭借“图谱合一”的优势，正在将传统“经验育种”推向“数据育种”与“精准栽培”，在单籽粒、植株、冠层乃至根系尺度的表型研究中都发挥了巨大作用，为小麦栽培科学提供了全新工具。

一、高光谱成像：小麦精准育种的新引擎

案例1：单籽粒蛋白高通量分选——把“高蛋白”挑出来

       英国诺丁汉大学&Campden BRI利用1000–2500nm推扫式高光谱成像技术对2100余粒多品种、多年份的小麦单籽粒进行蛋白质预测，结果表明，蛋白质含量在6.2%–19.8%之间分布广泛，硬麦均值高于软麦，籽粒间及籽粒内均存在显著差异；创建的预测模型性能验证精度R²=0.79、RMSEP=0.94%。研究还直观展示了蛋白质在小麦籽粒内的空间分布，发现籽粒两端（尤其胚部）含量较高。该技术可替代传统破坏性检测，为育种筛选、品质分级及贸易定级提供高效、可视化的单粒分析手段。

图1：所有小麦籽粒的反射光谱曲线图（左图）；单个小麦籽粒双面的蛋白预测反演图（右图 a）；低蛋白质样本和高蛋白质样本的小麦籽粒预测反演图（右图 b）

案例2：氮-水分布动态监测——让“看不见”的营养“看得见”

       澳大利亚植物表型组学中心（Bruning et al.,Frontiers in Plant Science,2019）对九种土壤养分条件和两种水处理条件下的四个基因型盆栽小麦进行VNIR-SWIR（400–2500nm）成像，结合PLSR建立氮-水预测模型，验证R²分别达0.66与0.69，并生成植株氮-水分布图。生成的“水分/氮素分布图”可直观展示叶基到叶尖的梯度差异，为精准施肥与灌溉提供空间决策依据。

图2：使用PLSR模型预测的水(上)和氮(下)回归图显示了所有试验方法的最佳性能（左图）；浇水(A)和干旱(C)植物的水分含量和低(B)和高(D)氮素土壤的植物氮水平预测（右图）

       在大田栽培阶段，通过无人机或田间植物表型系统，可实时诊断氮亏/水缺区域，实现差异化施肥与节水灌溉，氮肥利用率提高10%以上。

案例3：品质形成与调控——高效验证光合效率与产量性状

       鲁东大学烟台作物高产抗逆分子育种与高效栽培重点实验室的研究人员发表了小麦育种最新研究成果，揭示了TaHAL3-7A基因对小麦光合作用和产量性状的影响。研究鉴定出TaHAL3基因在小麦所有组织中均有表达，其中茎秆和籽粒中的表达水平较高。在小麦和水稻中过表达TaHAL3-7A能显著提高色素含量，增加单穗粒数和单株产量，增强小麦和水稻幼苗的耐盐性（盐胁迫下存活率显著提高）。团队使用易科泰提供的FluorCam叶绿素荧光成像系统，在灌浆期（Z60）测定对照组Fielder和转基因小麦Fielder-OE旗叶的 Fv/Fm_lss（光适应稳态下的PSII最大光化学效率）。

图3：Z60时期旗叶和Fv/Fm_Lss成像图及数值

案例4：早期条锈病监测——提前3天发现“隐形病斑”

       西北农林科技大学（Yao et al.,Sensors,2019）利用450–900nm可见-近红外HSI系统与手持SPAD仪结合，通过PCA-BPNN模型成功在小麦条锈病潜育期第6天识别病斑采集小麦叶片，比肉眼可见症状提前3天，模型RPD=3.36。

图4：不同接种天数（dpi）后的小麦叶片平均光谱反射率曲线（左图）；小麦叶片在接种后不同天数的叶绿素分布情况（右图）

       该成果可与无人机高光谱平台结合，在拔节-孕穗期完成百亩级条锈病早期普查，降低喷药量20%–30%，绿色高效。

案例5：大田表型研究——冬小麦氮素和水分状况评估

       西班牙马德里政治大学J.L.Pancorbo等人使用机载可见光-近红外高光谱和热成像遥感监测氮素和水分状况，评估该方法用于降低混杂效应的潜力。研究人员在西班牙中部进行了为期两年的冬小麦大田实验，并设置了在4种施氮梯度和2种灌溉水平。分别在开花期采用叶片气孔计测定作物水分状况，在拔节中期、后期以及开花期测定植株氮素营养指数(NNI)。同时使用无人机搭载覆盖可见光-近红外区域(400-850nm)和部分短波红外(950-1750nm)的高光谱成像和热成像相机，在300m高度获取实验样地的光谱图像。实验结果表明，高光谱和热成像数据的结合可以有效反映植被氮素和水分水平，降低混杂效应的影响，可用于指导施肥和灌溉并做出及时、准确的调整，以满足作物对氮素和水分的需求。

图5：基于高光谱数据计算的样地CCCI和基于红外热成像计算的WDI（左图）；红外热成像计算得出的WDI结合CCCI可以提高氮素营养指数（NNI）的拟合优度（右图）

       从单籽粒到冠层再到根系，表型成像技术已贯穿小麦育种与栽培的全生育期、全器官类型。随着无人机/地面机器人表型平台、实时在线分析及AI算法的融合，易科泰依托多年光谱成像与表型技术研发与集成经验，可为科研院所及种业企业提供“硬件-软件-服务”一站式解决方案，共同推进我国小麦栽培科学进入“高通量-数字化-智能化”时代。

二、易科泰解决方案

1.实验室级：①Fluortron®多功能高光谱成像系统，支持单籽粒、叶片及幼苗期表型成像，可同步测量反射高光谱及UV-MCF紫外光激发生物荧光高光谱成像；②PhenoTron®-PTS植物表型成像系统，集成高光谱成像、叶绿素荧光成像以及Thermo-RGB融合热成像，从光谱到叶绿素荧光再到辐射温度，全面解析植物表型性状；③RhizoTron®植物根系高光谱成像系统，可对生长于RhizoBox根盒（带根窗）的作物根系进行表型成像分析，为根系多角度研究提供非接触、非损伤、数字化、可视化解决方案。

图6：从左至右依次为Fluortron®多功能高光谱成像系统、PhenoTron-PTS植物表型成像系统、FluorCam叶绿素荧光成像技术、RhizoTron®植物根系高光谱成像系统

2.温室级：①PlantScreen智能表型成像系统：培养与自动化表型监测、数据自动分析、远程操控、环境监测、自动灌溉、联动气候室自动传送等；②PhenoPlot®悬浮轨道式表型成像分析系统，基于悬浮双轨表型成像扫描平台专利技术，采用STP技术，可基于温室结构定制化搭建，悬浮安装于温室两侧，具备高光谱成像、叶绿素荧光高光谱成像、UV-MCF生物荧光高光谱成像、红外热成像、可见光成像等多传感器成像功能，内置高性能主机，数据采集、存储集于一体，有效整合多传感器表型大数据。

图7：从左至右依次为PlantScreen智能表型成像系统、PhenoPlot®悬浮轨道式表型成像分析系统、三维效果图

3. 田间级：①易科泰田间智能巡检机器人表型分析平台，采用易科泰研发的FluorTronn®叶绿素荧光成像技术（被评为十大“重大农业科技创新成果”）、多功能高光谱成像技术、Thermo-RGB成像技术，可以全自动、非损伤、高通量、原位全面采集分析植物形态、颜色、生理生化、光合生理状态、健康状态、胁迫与抗性等信息；②Phenoplot®轻便型野外高光谱成像分析系统，基于易科泰专利技术由轻便型扫描台架和成像单元组成，成像单元沿台架进行样带式扫描成像，模块式快速拆装结构，轻便可折叠，高度可调，可用于野外原位（in-situ）高光谱成像测量分析应用；③Ecodrone®一体式多源无人机遥感系统，以无人机遥感平台为载体，搭载多种传感器技术，可快速捕获大田植物表型信息，指导作物育种栽培、病害检测与管理、抗性研究与产量评估等。

图8：从左至右依次为易科泰田间智能巡检机器人表型分析平台、Phenoplot®轻便型野外高光谱成像分析系统、易科泰机载高光谱成像系统、Ecodrone®一体式高光谱-激光雷达无人机遥感系统

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