JIA | 中国农业大学作物功能基因组与分子育种研究中心玉米株型结构多样性定量分析的研究

以下文章来源于农业科学微平台 ，作者刘敏国 等

玉米株型特征对其冠层的资源利用和抗倒伏能力以及产量的稳定性具有重要影响，因此受到广泛关注。量化自交系之间的形态多样性对于杂交育种至关重要。然而，传统的几何描述方法过于简化株型并忽略了株型的全局特征，因此难以反映和展示株型的多样性。

近期，中国农业大学作物功能基因组与分子育种研究中心完成的题为“Analyzing architectural diversity in maize plants using the skeleton-image-based method”的研究论文在Journal of Integrative Agriculture (《农业科学学报》(英文)，JIA) 2023年12期正式发表。

该研究提出了一种新的描述玉米株型特征并量化其多样性的方法。该方法结合了计算机视觉算法和数学的持续同调理论实现对玉米株型结构的定量描述。结果表明，持续同调方法可以捕捉玉米株型的关键特征和其他通常被传统几何分析方法所忽略的细节。基于这种方法，可以挖掘（量化）株型的形态多样性，并分析玉米株型的主要类型，为玉米株型结构分析提供新的思路和方法。

该研究将玉米的株型结构视为整体，借助图像处理技术和拓扑模型提取株型茎叶的拓扑结构特征。使用RGB传感器获取玉米植株的图像数据，进行图像二值化处理并提取宽度为一个像素的玉米植株骨架结构信息，基于骨架图像提取骨架上点的坐标数据。基于该数据，构建无向网络生成拓扑模型，基于持续同调方法提取拓扑矩阵数据。使用瓶颈距离定量拓扑矩阵之间的相关性程度，进而反映株型结构之间的相似程度。从而构建一个新的描述玉米株型结构的方法，基于该方法可以高效构建一个大量材料的玉米群体的株型结构多样性及主要结构变化特征。

使用多维尺度法（Multidimensional scaling）将两两株型之间构建的距离矩阵进行降维分析，构建了反映株型结构的几个特征指标。其中，前两个MDS轴占方差的69%，前五个MDS轴约占81%（图2-A）。这些MDS轴反映了株型结构中的大部分信息。第一个MDS轴反映了主要的变化趋势，MDS轴中的五个分位数对应的植株冠幅随着MDS1值的增加而增加（图2-D）。同时研究了传统几何性状与MDS轴之间的关系（图2-C）。MDS1与大部分性状，特别是凸包面积和株高呈显著正相关，但与结实度呈显著负相关。MDS2、MDS3和MDS4与大多数传统几何性状呈负相关，尤其是尖端数和周长与MDS4之间。MDS5与大多数传统几何性状呈正相关。然而，这些关系比MDS1弱。

使用KMEDOIDS对所有玉米自交系进行聚类分析。使用gap statistics确定最优聚类数量，结果显示K=12具有最高值，意味着12是最优聚类数量（图3-A）。基于这一结果，株型结构被分为12种类型（图3-D），并计算每种类型的数量（图3-B）。使用两个MDS轴绘制降维后株型结构的散点图，并根据KMEDOIDS结果为不同的株型结构赋予不同的颜色，其中中心的黑点代表中心株型（图3-D）。株型结构可以很好地分为12种类型。图3-C根据MDS1和MDS2轴的变化显示了所有结构的分组，其中G1、G3、G9、G10和G12表示植株较小的类型，G4、G6和G7表示株型较大的类型。然而，G11和G5在MDS2方向上不同，这与长宽比和高度都显著负相关，但与宽度无关。

中国农业大学作物功能基因组与分子育种研究中心王喜庆教授为该文章的通讯作者，刘敏国博士为第一作者。该工作得到了国家重点研发计划（2022ZD0401801）和中国农业大学高校科学基金支持（2023TC107）。

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https://doi.org/10.1016/j.jia.2‍0‍23.‍05.017

Cite the article:

LIU Min-guo, Thomas CAMPBELL, LI Wei, WANG Xi-qing. 2023. Analyzing architectural diversity in maize plants using the skeleton-image-based method. Journal of Integrative Agriculture, 22(12): 3804-3809.

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转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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