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自然光下田间冬小麦分蘖数检测方法研究

农机化研究 2022年第8期44卷 15-20页

作者：张开马淏姬江涛金鑫朱旭河南科技大学农业装备工程学院河南洛阳471003 河南省智能农业装备技术国际联合实验室河南洛阳471003

分蘖数是冬小麦产量评估的重要指标,分蘖性状的高通量获取对小麦育种研究及功能基因组鉴定具有重要意义。针对目前小麦分蘖数检测主要依靠人工普查、费时耗力、可重复性差等问题,提出一种基于机器视觉的抽穗期冬小麦分蘖数快速检测方法... 详细信息

分蘖数是冬小麦产量评估的重要指标,分蘖性状的高通量获取对小麦育种研究及功能基因组鉴定具有重要意义。针对目前小麦分蘖数检测主要依靠人工普查、费时耗力、可重复性差等问题,提出一种基于机器视觉的抽穗期冬小麦分蘖数快速检测方法。首先,利用超绿算子与RGB色彩空间下恒定颜色分割,结合形态学操作,获得目标前景区域和边界;然后,使用小波变换Haar特征的线特征检测拓展模板,提取完整植株边缘信息;最后,采用Hough直线检测算法,融合直线角度、长度信息,提取冬小麦分蘖个数。基于已开发的机器视觉设备,采集60幅自然光照条件下抽穗期冬小麦田间图像,经检测发现分蘖数平均识别精度达到93.3%,平均误检率为7.0%,平均漏检率为5.2%。结果表明:该算法可实现在自然光照条件下对抽穗期冬小麦田间图像的分蘖数准确识别,可为自动化、高通量田间信息采集系统设备的研发奠定一定的基础。

关键词：冬小麦分蘖数机器视觉直线检测颜色分割超绿算子 Haar变换

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水稻分蘖数QTL qTN4的精细定位

水稻分蘖数QTL qTN4的精细定位

作者：陈红梅中国农业科学院

学位级别：硕士

水稻的产量取决于它的有效穗数、每穗粒数和千粒重。水稻分蘖是发生在未伸长的基部节间上的分枝。分蘖数决定了有效穗数,在一定程度上影响水稻产量。因此,有必要了解调控分蘖数的遗传和分子基础。本研究利用中恢9308为背景插入协青早B... 详细信息

水稻的产量取决于它的有效穗数、每穗粒数和千粒重。水稻分蘖是发生在未伸长的基部节间上的分枝。分蘖数决定了有效穗数,在一定程度上影响水稻产量。因此,有必要了解调控分蘖数的遗传和分子基础。本研究利用中恢9308为背景插入协青早B染色体片段的染色体片段代换系检测了超级稻协优9308中影响水稻分蘖数的数量性状位点(Quantitative trait loci,QTL),并且利用其中一个株系CSSL29与中恢9308构建了次级分离群体对q TN4进行了精细定位。研究结果如下:首先利用包含76个染色体片段代换系的群体在浙江富阳和海南陵水两个环境中分别检测到4个和2个控制水稻分蘖数的QTLs。我们选择对4号染色体上命名为q TN4的QTL进行进一步定位,于是选择一个4号染色体上q TN4所在区间为协青早B染色体片段代换,且分蘖数较少的家系CSSL29,将它与中恢9308杂交,形成F次级群体。在F群体中进一步验证了q TN4的存在并将其区间缩小到4.08 Mb后,结合F群体的表型和基因型将q TN4分解为q TN4.1和q TN4.2两个独立的QTLs。q TN4.1和q TN4.2分别解释了34.31%和32.05%的表型变异,加性效应分别为1.47和1.38。最后,q TN4.1和q TN4.2分别被精细定位到4号染色体上193.55 Kb和175.12 Kb的区间内。根据基因型和表型,我们在定位群体中筛选出了4个近等基因系(NILs,near-isogenic lines),分别命名为NIL、NIL-q TN4.1、NIL-q TN4.2、NIL。与NIL相比,NIL、NIL-q TN4.1、NIL-q TN4.2的分蘖数、结实率、粒长和单株产量均显著增加,且三者的抽穗期缩短。在qTN4.1和q TN4.2的定位区间内分别有16个和25个候选基因,而这些基因中除了一个抗病相关基因LOC＿Os04g23550外,其他基因均未被克隆,这说明存在调控分蘖数的新基因。这些结果为解析中恢9308中调控分蘖数的QTL奠定了基础,也可以为中恢9308在育种中的应用提供理论依据。

关键词：水稻(Oryza Sativa L.) 分蘖数数量性状位点(QTL) 精细定位

基于无人机高光谱影像的水稻分蘖数监测方法研究

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基于无人机高光谱影像的水稻分蘖数监测方法研究

作者：安吉庆沈阳农业大学

学位级别：硕士

分蘖数是评估水稻分蘖期生长状况和产量潜力的重要指标之一。实时监测以及评估水稻分蘖数对于田间变量水肥管理、水稻长势监测以及产量估测等具有重要意义。在水稻分蘖期内,过度依赖经验的均一施肥方法往往会导致分蘖肥过量使用和农学... 详细信息

分蘖数是评估水稻分蘖期生长状况和产量潜力的重要指标之一。实时监测以及评估水稻分蘖数对于田间变量水肥管理、水稻长势监测以及产量估测等具有重要意义。在水稻分蘖期内,过度依赖经验的均一施肥方法往往会导致分蘖肥过量使用和农学效率低下等问题,采用基于水稻实际分蘖数的变量控水施肥管理可提升水稻群体有效分蘖,从而提高产量。变量控水施肥管理的实施关键在于水稻群体分蘖数的快速、准确监测。传统的水稻分蘖数的监测主要依靠人工田间实测,这种方法存在费时费力、周期长、过度依赖经验判断,无法满足大规模、快速、高效的监测需求。随着无人机遥感技术在精准农业中的广泛应用,为水稻分蘖数快速、准确、高效、监测提供了技术支撑。本研究以东北地区水稻分蘖期分蘖数监测为研究对象,设计不同插秧丛距、不同施肥密度处理下的农学正交试验。利用无人机遥感技术采集试验田空间数据,同时结合田间实测数据构建水稻分蘖数监测数据集;采用三种不同的分类算法从高光谱数据中提取纯净水稻光谱数据,并对比分析提取结果;采用四种预处理方法对纯净水稻光谱数据进行去噪,并对比分析去噪结果;利用两种降维方法对水稻光谱数据进行特征波段提取以及构建光谱指数;利用多特征波段组合以及多光谱指数组合,构建三种水稻分蘖数监测模型,实现大田水稻分蘖数精准预测。主要研究成果如下:(1)时空水稻分蘖数监测数据集构建。本研究采用无人机搭载高光谱传感器在水稻分蘖期采集冠层高光谱,同时采用无人机搭载数码相机获取水稻冠层正射数码影像,将两个数据进行空间配准;同时地面实测样本区水稻分蘖数以及利用手持RTK记录样本区地理位置信息,利用上述采集数据构建具有时序和空间的水稻分蘖数监测数据集共360组,其中分蘖初期80组、分蘖盛期80组、有效分蘖临界期200组。(2)基于决策树算法的纯净水稻光谱提取与分析。本研究基于无人机遥感平台获取水稻分蘖期三个不同阶段的光谱影像数据。采用无监督高斯混合模型、支持向量机、决策树三种方法对影像进行分类处理,提取出纯净的水稻光谱信息。通过构建混淆矩阵对分类方法进行对比分析得出,采用决策树分类方法对水稻光谱数据分类结果最佳,其分类精度为91.1357%,Kappa系数为0.8172。(3)基于奇异值分解算法的光谱数据预处理。本研究基于提取后的纯净水稻光谱数据,分别采用S-G平滑、Loess平滑、小波平滑后一阶导数处理以及奇异值分解平滑方法进行去噪预处理,并通过构建梯度提升回归模型进行对比分析。结果表明,奇异值分解平滑方法对噪声处理效果较好,训练集与测试集的R和RMSE分别为:0.72970、0.8190和1.0670、0.8630,相较于其他预处理方法,明显表现出更好的效果,可以有效地消除或减少光照等外部环境因素的干扰,增加构建模型的效率和准确性。(4)基于RNCA和UVE-CARS算法的分蘖数监测光谱响应特性分析与特征提取。本研究基于经过去噪预处理后的光谱数据,采用正则近邻成分分析(RNCA)和UVE-CARS方法筛选水稻分蘖期三个不同阶段的水稻光谱数据的特征波段。将两种方法筛选出的特征波段分别与分蘖数进行相关性分析,其中筛选出分蘖初期、分蘖盛期以及有效分蘖临界期各自的特征波段,分别为10个、14个、15个,两种方法结合能够明显减少数据维度,消除冗余信息。此外,通过绘制决定系数R的等势图,筛选出分蘖期不同阶段下最优的NDSI、DSI以及RSI光谱指数,其中分蘖初期最佳组合NDSI为_((542))和_((777))、DSI为_((632))和_((844))、RSI为_((542))和_((844)),分蘖盛期最佳组合NDSI为_((725))和_((812))、DSI为_((725))和_((826))、RSI为_((721))和_((802)),有效分蘖临界期最佳组合NDSI为_((582))和_((626))、DSI为_((798))和_((830))、RSI为_((596))和_((707))。(5)基于LSTM水稻分蘖数监测模型构建。本研究采用随机森林(RF)、粒子群-极限学习机(PSO-ELM)以及长短期记忆神经网络(LSTM)三种方法各自对的水稻分蘖数构建监测模型并分析。模型预测结果表明,LSTM监测模型在采用多特征波段组合或多植被指数组合作为输入时,均表现出最佳的预测效果。

关键词：无人机遥感水稻分蘖数冠层高光谱监测模型

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基于4波段作物光谱测量仪的小麦分蘖数预测

农业机械学报 2016年第9期47卷 341-347页

作者：张猛孙红李民赞 Zhang Qin 郑立华中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 华盛顿州立大学精细农业及农业自动化研究中心普罗瑟993508694

使用4波段(550 nm、650 nm、766 nm和850 nm)便携式作物反射光谱测量仪对泰农18型冬小麦分蘖状态进行自动监测与建模,通过分析植被指数与分蘖数的相关关系实现了对分蘖数的建模预测。首先利用仪器获得小麦冠层在4个波段的反射信号,计算... 详细信息

使用4波段(550 nm、650 nm、766 nm和850 nm)便携式作物反射光谱测量仪对泰农18型冬小麦分蘖状态进行自动监测与建模,通过分析植被指数与分蘖数的相关关系实现了对分蘖数的建模预测。首先利用仪器获得小麦冠层在4个波段的反射信号,计算对应波段的作物冠层反射率,经校正后计算得到OSAVI、MSAVI、SAVI、EVI2、TVI、NDGI、NDVI、RVI和DVI 9种多波段组合的植被指数。然后分析以上9种植被指数与小麦分蘖数之间的相关关系,确定了可用于该类型小麦分蘖状态监测和评价的植被指数类型。2013—2014年在山东省淄博市和桓台县开展了田间试验,计算了不同氮素水平下泰农18型小麦返青期和起身期分蘖数以及其两个生育期分蘖数与9种植被指数之间的相关系数,OSAVI(650,850)指数与返青期茎蘖数相关系数最高,决定系数最高为0.85,均方根误差为118.93;EVI2(650,850)指数与起身期茎蘖数相关系数最高,决定系数最高为0.84,均方根误差为73.04;以上试验结果表明,在冬小麦返青期和起身期利用OSAVI(650,850)和EVI2(650,850)两种植被指数可以快速预测小麦分蘖状态,可为田间精细管理提供科学依据。

关键词：小麦分蘖数冠层反射率 OSAVI EVI2

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芸苔素内酯浸泡处理对苦草生长的影响

环境科学与技术 2024年

作者：张家硕赵一帆许盛何培民邵留 1.上海海洋大学海洋科学与生态环境学院 2.上海城投原水有限公司青草沙水库管理分公司上海海洋大学海洋科学与生态环境学院上海城投原水有限公司青草沙水库管理分公司

在水生态修复工程中，移栽后的苦草（Vallisneria natans（Lour.）Hara）往往存在生长状况不佳、适应期长等问题。现有报道表明，芸苔素内酯在促进植物生长代谢方面具有显著效果。本研究尝试采用浸泡预处理方式，研究不同浓度（0、0.25... 详细信息

在水生态修复工程中，移栽后的苦草（Vallisneria natans（Lour.）Hara）往往存在生长状况不佳、适应期长等问题。现有报道表明，芸苔素内酯在促进植物生长代谢方面具有显著效果。本研究尝试采用浸泡预处理方式，研究不同浓度（0、0.25、0.5、1、2和4 mg/L）和浸泡时间（10、20和40 min）芸苔素内酯对苦草生长的影响。结果表明：经芸苔素内酯预处理后的苦草，其生物量、株高、叶片数、分蘖数及叶绿素等指标均有不同程度提升，且表现为浸泡浓度的影响大于浸泡时间。三种浸泡时间下，苦草的生物量均在0.5 mg/L出现最大值，其中浸泡10 min的促进效果最优；从株高指标来看，浸泡时间为10 min时，浓度为0.25～2 mg/L的芸苔素内酯对苦草株高均有显著促进效果（P 数据，考虑到经济和时间成本，建议苦草移栽前用浓度为0.5 mg/L的芸苔素内酯浸泡10 min，可有效改善苦草定植问题，为水环境中沉水植物的快速恢复提供理论参考。

关键词：植物激素沉水植物生物量分蘖数叶绿素含量

水稻(Oryza sativa L.)分蘖数和株高的遗传分析(英文)

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浙江大学学报（农业与生命科学版） 2006年第5期32卷 527-534页

作者：刘桂富徐海明杨剑朱军浙江大学农学系

水稻分蘖数和株高是两个重要的农艺性状.为剖解它们的遗传结构,本研究用一套来源于籼粳组合IR64×Azucena的DH群体对这两个性状进行了QTL定位分析.表型数据来源于两个生长季节,采用基于混合线性模型的方法分析.结果表明,分蘖数主要由普... 详细信息

水稻分蘖数和株高是两个重要的农艺性状.为剖解它们的遗传结构,本研究用一套来源于籼粳组合IR64×Azucena的DH群体对这两个性状进行了QTL定位分析.表型数据来源于两个生长季节,采用基于混合线性模型的方法分析.结果表明,分蘖数主要由普通遗传因素和互作遗传因素控制(呈现61.7%的普通遗传率和17.2%的互作遗传率),共有19个QTLs与分蘖数有关,其中9个和6对QTLs分别具有单位点的遗传效应和2位点的互作效应,QTL1-8和QTL1-12的上位性效应由于在春季的贡献率达21.6%,因而认为是一对主效.株高主要由普通遗传因素控制,普通遗传率为92.6%,共受到15个QTLs的影响,其中8个QTLs具有加性效应,1个QTL具有加性与环境的互作效应,4对上位性QTLs具有加性与加性互作效应.QTL1-15被认为是主效QTL,而其余的是微效QTLs.两个性状表型之间存在显著的负向部分相关,然而,性状相关的遗传基础仍需做进一步的探讨.

关键词：遗传分析分蘖数株高 QTL 水稻

粳稻分蘖数全基因组关联分析及候选基因的挖掘

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中国农业科学 2020年第16期53卷 3205-3213页

作者：张继峰刘华东王敬国刘化龙孙健杨洛淼贾琰吴文申郑洪亮邹德堂东北农业大学寒地粮食作物种质创新与生理生态教育部重点实验室

【目的】利用全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)检测与粳稻分蘖数显著相关的SNP位点,筛选影响分蘖数的候选基因,为分子辅助育种提高产量提供理论基础。【方法】利用295份来自世界各地的粳稻品种,于2018和2019年分... 详细信息

【目的】利用全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)检测与粳稻分蘖数显著相关的SNP位点,筛选影响分蘖数的候选基因,为分子辅助育种提高产量提供理论基础。【方法】利用295份来自世界各地的粳稻品种,于2018和2019年分蘖盛期调查水稻分蘖数,结合高通量重测序获得的788 396个高质量多态性SNP,利用TASSEL 5.0软件的MLM模型进行全基因组关联分析,对GEC软件计算的有效独立SNP数目进行阈值确定,判定SNP标记与目标性状关联的显著性。根据2年检测到的峰值SNP和水稻每条染色体LD衰减距离,确定2年共定位分蘖数主效QTL,并进一步提取QTL区间内所有基因外显子区非同义突变SNP和启动子区SNP进行单倍型分析,结合基因注释筛选影响粳稻分蘖数候选基因。【结果】295份粳稻品种的分蘖数在2018和2019年总趋势基本一致,并且均具有较大的表型分布。通过全基因组关联分析,在P分蘖数相关的QTL(qTiller8、qTiller9和qTiller10),其中,在2年中均检测到qTiller9,在2018和2019年的表型贡献率分别为11.86%和10.61%,而qTiller8和qTiller10仅在2018年被检测到,表型贡献率分别为9.36%和9.10%。对qTiller9区间内的全部15个基因进行单倍型分析,结果表明,在qTiller9区间内共有6个基因(LOCs09g25090、LOCs09g25100、LOCs09g25150、LOCs09g25190、LOCs09g25200和LOCs09g25220)的不同单倍型分蘖数之间存在极显著差异,LOCs09g25090被启动子区SNP分为2种单倍型,hap2(TAA)分蘖数极显著大于hap1(AGG);LOCs09g25100被非同义突变SNP分为2种单倍型,hap2(GAGA)分蘖数极显著大于hap1(AGCC);LOCs09g25150被非同义突变SNP分为2种单倍型,hap2(ATG)分蘖数极显著大于hap1(GCC);LOCs09g25190被启动子区SNP分为2种单倍型,hap2(GCATCGCATCGACGCCGA)分蘖数极显著大于hap1(ATGCTGATGAAGTCATCC);LOCs09g25200被非同义突变SNP分为2种单倍型,hap2(TAG)分蘖数极显著大于hap1(AGA);LOCs09g25220被非同义突变SNP分为2种单倍型,hap1(GG)分蘖数极其显著大于hap2(AA)。结合基因注释发现,LOCs09g25090和LOCs09g25100均预测编码钙调蛋白依赖性蛋白激酶,是脱落酸(ABA)表达所必需Ca2+的传感器,推测LOCs09g25090和LOCs09g25100为影响粳稻分蘖数的候选基因。【结论】筛选出LOCs09g25090和LOCs09g25100为影响粳稻分蘖数的候选基因。

关键词：粳稻分蘖数全基因组关联分析单倍型分析候选基因

用单片段代换系对不同时期水稻分蘖数QTL的非条件和条件定位

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中国农业科学 2008年第2期41卷 322-330页

作者：赵芳明刘桂富朱海涛丁效华曾瑞珍张泽民李文涛张桂权华南农业大学广东省植物分子育种重点实验室华南农业大学广东省植物分子育种重点实验室广州510642

【目的】了解各个发育时期控制水稻分蘖数QTL的"静态"和"动态"信息。【方法】利用单片段代换系对不同时期的水稻分蘖数QTL同时进行非条件和条件定位分析。【结果】(1)水稻分蘖数至少受14个QTL影响,它们分布在第1、2、3、4、6、7和8号共... 详细信息

【目的】了解各个发育时期控制水稻分蘖数QTL的"静态"和"动态"信息。【方法】利用单片段代换系对不同时期的水稻分蘖数QTL同时进行非条件和条件定位分析。【结果】(1)水稻分蘖数至少受14个QTL影响,它们分布在第1、2、3、4、6、7和8号共7条染色体的相应代换片段上;(2)各个时期影响水稻分蘖数的QTL数量(变动在6～9之间)和效应(变动在1.49～3.49之间)均不相同;(3)水稻分蘖数QTL的表达具有很强的时序性,主要集中在移栽后0～7d(有6个正表达),14～21d(有9个随机表达)和35～42d(有6个负表达)3个时间段内,正、负表达分别决定了最高分蘖和有效分蘖的数量;(4)每个QTL在整个生育期至少表达1次,有些可多次表达;(5)某个时期的分蘖数量取决于所有QTL的累积效应,而某个时间段内分蘖数的增减量则取决于所有QTL的净效应。【结论】用单片段代换系和条件QTL定位方法对发育性状进行QTL定位分析非常有效和准确。

关键词：单片段代换系非条件QTL定位条件QTL定位分蘖数水稻

盐胁迫下水稻苗高和分蘖数的发育动态QTL分析

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核农学报 2015年第2期29卷 235-243,239-243页

作者：孙健王敬国刘化龙谢冬微郑洪亮赵宏伟邹德堂栾非时东北农业大学农学院水稻研究所黑龙江哈尔滨150030 黑龙江省农业科学院经济作物研究所黑龙江哈尔滨150030 东北农业大学园艺学院黑龙江哈尔滨150030

为了检测盐胁迫下水稻苗高和分蘖数的发育动态QTL,以粳稻品种东农425和长白10为亲本衍生的F2:3群体为试验材料,构建了包含123个SSR标记,全长为1 616.53 c M,平均图距为13.14 c M的遗传连锁图谱。以浓度为6 ds·m-1的Na Cl水溶液进行大... 详细信息

为了检测盐胁迫下水稻苗高和分蘖数的发育动态QTL,以粳稻品种东农425和长白10为亲本衍生的F2:3群体为试验材料,构建了包含123个SSR标记,全长为1 616.53 c M,平均图距为13.14 c M的遗传连锁图谱。以浓度为6 ds·m-1的Na Cl水溶液进行大田生育期灌溉,正常水灌溉为对照,对盐胁迫下水稻的苗高和分蘖数进行发育动态QTL分析。分别利用完备区间作图法和混合线性模型的QTL定位方法,联合盐胁迫与正常条件下6个发育时期苗高和分蘖数的表型数据,共检测到6个控制盐胁迫下水稻苗高和3个控制分蘖数的加性QTL、4个控制正常条件下苗高和5个控制分蘖数的加性QTL、盐胁迫和正常条件联合下的6个控制苗高和4个控制分蘖数的加性QTL,以及3对控制苗高和1对控制分蘖数的上位性QTL。加性QTL q SH1在t3、t4和t2/t1时期分别用非条件和条件方法检测到,加性QTL q TN8-2在t2、t3、t4和t5时期被连续用非条件方法检测到,在t3/t2时期用条件方法被检测到。分别检测到4个控制苗高和2个控制分蘖数的加性QTL与盐胁迫环境存在互作效应,控制苗高的3对上位性QTL和控制分蘖数的1对上位性QTL均与盐胁迫环境发生互作。本研究旨在检测不同发育时期控制盐胁迫下水稻苗高和分蘖数的QTL,并分析与盐环境的互作效应,为解析苗高和分蘖数在盐胁迫下的发育遗传特点和水稻耐盐QTL分子标记辅助育种提供理论依据。

关键词：水稻盐胁迫苗高分蘖数不同发育时期 QTL与环境互作