现代农业正面临由于气候变化和资源供应不足带来的生产力挑战，特别是在发展中国家。为增强粮食安全，需优化作物生产技术和基因型选择，并采用高通量遥感技术，如无人机和LiDAR（光检测和测距），来评估作物性能和环境适应性。面包小麦的生长特性与环境因素密切相关，最佳作物表现依赖于其遗传和生理特性。同步生长是提高资源利用效率的关键，但需权衡不利影响。因此，连接基因型与表型对于识别高产植物至关重要。虽然先进的表型分析技术能提供高精度的数据，但仍面临一些限制，尤其在监测重要性状方面。
2024年10月5日，由德州农工大学的Sabahat Zahra及其合作者发表在“Remote Sensing ”上题为“UAV-Based Phenotyping: A Non-Destructive Approach to Studying Wheat Growth Patterns for Crop Improvement and Breeding Programs”的文章，利用无人机获取的多光谱影像，监测生长季节中关键性状，识别在干旱条件下具有更高谷物产量的持绿（SG）基因型，从而推动小麦改良计划的发展。
研究方法
1.试验材料
本研究使用了一个包含180个重组自交系（RILS）的小麦种群，这些小麦是由耐热品种‘Halberd’与中等耐热性的‘Len’杂交而成。试验设计为两个重复，总共创建了364个独立小区。将不同小麦分类为定型群体（生长同步）和不定型（生长不均），并重点对比了确定型中的SG类型与非SG类型。
2.图像采集
本研究通过无人机在30米高度上获取了多光谱高分辨率的RGB和NIR图像，覆盖整个生长周期，共拍摄八张图像，记录了从早期植被到成熟的各个阶段。
图1.从生长阶段到开花后阶段拍摄的RGB图像。
研究结果
1.生长和开花特性——田间观察
对小麦重组自交系（RILs）进行了分析，分类为定型群体和不定型群体。结果表明，定型群体表现出同步的开花时间和一致的分蘖分布，而不定型群体则在这两方面有更多变异。根据SG类型的选择标准，识别出14个SG类型小区。研究指出，分蘖模式和SG性状在逆境条件下对小麦产量至关重要，特别是在水分有限环境中，减少分蘖有助于优化资源分配，提高产量。尽管不利的天气条件影响了生殖期，SG品系展现出较强的环境适应性，尤其是在重降雨下的抗倒伏能力。研究强调开花同步性作为提高产量的重要性，并指出这一性状受多种遗传系统调控，尤其在逆境条件下，有助于作物更好地应对温度变化。综合考虑开花同步性与延长的灌浆期，可为作物育种项目的选择目标提供重要依据，从而改善小麦的产量与质量。
表1.根据开花时间（种植后50%抽穗时间）和分蘖分布（厘米）对RILs的分布。
2.形态特征、农艺性状与光谱反射率的关系
本研究观察了不同植物组群在特定生长阶段的植被指数（NDVI）模式，重点分析了定型群体和不定型群体以及SG与非SG属性的差异。在开花至孕穗期间，田地的总体NDVI值达到最高，尤其是定型群体表现出更高的光合活性和冠层发育特征。虽然在叶鞘和旗叶阶段，定型群体和不定型群体的NDVI值差异较小，但随着生长阶段的推移，这种差异在抽穗至开花阶段变得明显，强调了定型群体在生长过程中的优势。
图2.在不同生长模式的小麦植物中，不同时期的NDVI和GNDVI趋势：茎伸长期（SE）、叶鞘期（LS）、旗叶期（FL）、孕穗期（BT）、抽穗期（HD）、开花期（FLW）和灌浆期（GF）。
这些变化很可能反映了定型群体和不定型群体之间在生长动态、冠层结构和生理过程上的差异。在定型群体和不定型群体类别中，NDVI和GNDVI在早期和晚期聚类时显示出明显的区别（图3）。这一发现表明，这些指数有效地捕捉了植物生命周期关键阶段与衰老和冠层绿色度相关的动态变化。
图3.对不同生长阶段的NDVI和GNDVI进行聚类分析，以及它们与定型群体（D）和不定型群体（I）生长模式在整体RILs图谱种群中的谷物产量（公斤/英亩）之间的关系。
图4比较了定型群体和不定型群体类型之间的谷物产量分布。定型群体展现出更宽的分布和约400-600公斤/英亩的更高峰值密度，表明其产量倾向较高，且中位产量高于不定型群体。相比之下，不定型群体的分布更集中，数值集中在300-500公斤/英亩，表明整体产量较低。四分位间距和中位数进一步说明，定型群体在谷物产量上通常优于不定型群体。
图4.谷物产量分布（公斤/英亩）——定型群体的谷物产量更高，但变异性更大，主要集中在200到600公斤/英亩之间；不定型群体主要集中在200到500公斤/英亩之间。
3.谷物产量、植被指数与生长模式之间的关联
图5.关联图——整体作图群体 NDVI 与籽粒产量之间没有相关性。
图6.定型群体(左)和不定型群体(右)群体籽粒产量与 NDVI 子集内的相关性分析。
图7.产量亚群如低、中、高的植株总体 NDVI 与总体籽粒产量呈正相关(左)。热图显示了在 BT，HD 和 GF 阶段(右)亚分类植物的 NDVI 籽粒产量之间的强烈关系。
总结
本研究旨在强调小麦育种群体中生长动态的重要性，利用无人机获取的多光谱图像作为高通量表型分析技术，评估这些图像在确定植被指数与籽粒产量（特别是与持绿（SG）性状相关）之间相关性方面的有效性。小麦作为主粮作物，在面临气候对农业负面影响时，需通过育种技术提高产量。研究结果显示，定型群体中归一化植被指数（NDVI）与籽粒产量呈正相关，表明这些性状对提高产量有效。而不定型群体因过度营养生长，NDVI与籽粒产量无显著相关性，表明该群体的NDVI值受不育分蘖影响，对产量并非有贡献。
