易科泰Specim高光譜成像技術(shù)應(yīng)用快訊

　　——高光譜高通量表型分析平臺(tái)可視化分級(jí)評(píng)估大麥不同品種病害程度

　　背景

　　表型是新植物栽培品種發(fā)展的瓶頸，該研究引入了一種新的高光譜表型分析系統(tǒng)，此系統(tǒng)將冠層測(cè)量的高通量與高空間分辨率和可控測(cè)量環(huán)境的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合。此外，測(cè)量的大麥生長(zhǎng)在大容器（稱(chēng)為Mini-Plots）中，這使得植物能夠在溫室實(shí)驗(yàn)中形成田間表型，從而不受容器尺寸的影響。

　　結(jié)果

　　在接種白粉病后30天，通過(guò)Specim V10E高光譜成像研究了6個(gè)大麥品種。憑借高空間分辨率和穩(wěn)定的測(cè)量條件，可以通過(guò)Simplex Volume Maximization和Support VectorMachines機(jī)械組合自動(dòng)量化白粉病癥狀。在手動(dòng)評(píng)級(jí)期間，一旦肉眼可見(jiàn)第一癥狀，就可以立即進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)測(cè)量日對(duì)所有栽培品種的疾病嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確評(píng)估。此外，還檢測(cè)到一個(gè)基于壞死癥的抗白粉病品種。

　　結(jié)論

　　高光譜表型分析系統(tǒng)是結(jié)合了基于現(xiàn)場(chǎng)的冠層水平測(cè)量系統(tǒng)（高通量、自動(dòng)化、低手動(dòng)工作量）和基于實(shí)驗(yàn)室的葉片水平兩者優(yōu)勢(shì)的測(cè)量系統(tǒng)（高空間分辨率、受控環(huán)境、時(shí)間序列測(cè)量的穩(wěn)定條件），這樣就可以進(jìn)行準(zhǔn)確和客觀的疾病嚴(yán)重程度評(píng)估，而無(wú)需經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的專(zhuān)家評(píng)定——他們可以在早期階段進(jìn)行視覺(jué)分級(jí)，以及檢測(cè)疾病癥狀。因此，它是植物抗性育種很有前途的高效研究工具。

　　關(guān)鍵詞

　　Specim高光譜成像，表型分析平臺(tái)，溫室，高通量，疾病分級(jí)，SimplexVolume Maximization, Support Vector Machine

　　以下為該項(xiàng)研究的部分圖文結(jié)果展示

　　圖.1 Klein?Altendorf校園溫室表型Mini?Plot設(shè)備，分為溫室內(nèi)部（a）和溫室外部（b），高光譜表型分析系統(tǒng)示意圖見(jiàn)（c）。Mini-Plot設(shè)備的軌道系統(tǒng)與漫射人工光源和幕布相結(jié)合，可在高度受控的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。Specim V10E高光譜成像（HSI）傳感器和基于鏡像的掃描儀系統(tǒng)相結(jié)合，可以對(duì)整個(gè)Mini-Plot進(jìn)行快速，高分辨率的測(cè)量

　　圖.2 健康植物組織和白粉病癥狀的光譜特征和豐度圖（平均值為50像素/每個(gè)）。光譜特征（左）表示傳感器的光譜測(cè)量區(qū)域上的像素的平均反射率。豐度圖（右）顯示了基于具有25個(gè)原型的相同像素豐度平均值的表現(xiàn)，這些原型是在使用Simplex Volume Maximization轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)集期間選擇的。與健康或癥狀組織高度相關(guān)的原型單獨(dú)顯示，每個(gè)原型都是來(lái)自原始高光譜數(shù)據(jù)集的真實(shí)光譜特征（原型光譜特征的顏色代表相應(yīng)像素的顏色，這對(duì)人眼來(lái)說(shuō)是可見(jiàn)的），Pm代表白粉?。╬owdery mildew）

表1在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)每個(gè)大麥品種疾病進(jìn)行的人工評(píng)級(jí)（2016; -表示無(wú)癥狀）

　　*根據(jù)德國(guó)官方品種名單的評(píng)級(jí)

圖.3 不同冠層水平上對(duì)健康和有癥狀的組織所做的光譜特征圖譜（30個(gè)像素的平均值）

　　圖.4 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同大麥栽培品種的疾病嚴(yán)重程度。基于像素百分比估計(jì)疾病嚴(yán)重性，在Simplex Volume Maximization (SiVM)和遵循監(jiān)督分類(lèi)Support Vector Machines (SVM)后被歸類(lèi)為含有白粉病的癥狀

　　圖.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中（16天、18天、22天、26天）高易感品種Milford 和Tocada（同樣時(shí)間段）在白粉病感染后的空間分布情況，通過(guò)pseudo RGB圖像和 Support Vector Machines (SVM)假彩色圖像分級(jí)（綠色為健康組織，紅色為白粉病癥狀，藍(lán)色為背景）

　　圖.6 大麥抗性品種Irina接種2天后健康組織和壞死病變組織對(duì)白粉病感染的分級(jí)情況，假彩色圖片顯示了Mini-plots中對(duì)照組和接種組植物的壞死病變空間分布。另外，圖像中總像素百分比被定義為過(guò)敏反應(yīng)的組織以右側(cè)柱狀圖表示，接種組在被定義為壞死病變表達(dá)的像素占比上有明顯增加，

　　以上內(nèi)容摘自研究論文：

　　Stefan Thomas, Jan Behmann et al. Quantitative assessment of disease severity and rating of barley cultivars based on hyperspectral imaging in a non-invasive, automated phenotyping platform. Plant Methods (2018) 14:45.

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