基于玉米3D葉形的特征提取與分析計算新方法研究
Plant Phenomics | 北京市農林科學院基于玉米3D葉形的特征提取與分析
玉米葉片在品種、環境和栽培管理等多種因素影響下呈現出顯著的3D形態差異。如葉片褶皺、葉片平滑、葉面夾角等一些特征的定性描述，缺乏具體指標和方法來定量刻畫葉片在3D空間的形態結構差異，且造成這種差異的原因仍不明確。
2024年8月，Plant Phenomics 在線發表了北京市農林科學院信息技術研究中心、數字植物北京市重點實驗室聯合開展的題為3D morphological feature quantification and analysis of corn leaves 的研究論文。
該研究獲取了478個玉米自交系灌漿期穗位葉的3D數字化數據（這種數據每個點都有明確的語義信息，例如根據其序號明確其是葉尖、葉脈、葉緣點等），創新性地提出了一套包含葉長、3D葉面積、葉傾角、葉面夾角、葉面自扭率、葉面平整度和葉緣振幅等共13個3D葉形指標的計算方法，實現了對葉片整體和葉面局部變化的3D葉形特征的定量描述。
圖1 典型OBIA（葉面夾角）和OBST（葉片自扭率）葉片的可視化和參數分布
圖2 典型BP（葉面平整度）和MA（葉緣振幅）葉片的可視化和參數分布
圖3 各葉型指標相關性分析結果
圖4 各指標廣義遺傳力分析結果
結果表明，3D葉形特征可有效表征葉片間的形態差異，并發現葉片的3D形態受到基因遺傳效應和環境的共同作用。遺傳力分析表明，84.62%的穗位葉3D表型性狀的遺傳力超過0.3，證實遺傳因素對玉米穗位葉的3D形態形成具有重要影響。然而，由于葉片呈薄片狀并充分暴露于環境中，多數3D葉形指標較大程度地受環境影響。
玉米3D葉形的定量化研究不僅為篩選控制玉米葉片形態的基因提供了理論基礎，也為指導株型和葉型育種以及深入探索作物基因-表型-環境關系提供了新的視角。
北京市農林科學院信息技術研究中心、數字植物北京市重點實驗室溫維亮副研究員與王璟璐博士為并列第一作者，實驗室郭新宇研究員為通訊作者，北京市農林科學院玉米所趙衍鑫副研究員與段民孝副研究員、實驗室王傳宇副研究員、研究生劉凱、陳博、王源橋參與了研究工作。本研究得到了國家重點研發計劃項目、北京市農林科學院協同創新中心建設和國家自然科學基金等項目資助。
北京市農林科學院信息技術研究中心、數字植物北京市重點實驗室擁有先進的系列化作物多生境、多尺度、高通量表型平臺，常年招收碩博士研究生到實驗室開展客座研究。
論文鏈接：
https://doi/10.34133/plantphenomics.0225
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About Plant Phenomics《植物表型組學》（Plant Phenomics）是由南京農業大學創辦的英文學術期刊，于2019年1月正式上線發行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學交叉學科熱點領域具有突破性科研進展的原創性研究論文、綜述、數據集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術，基于圖像分析和機器學習的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農業實踐中的表型組學新應用，與植物表型相結合的分子生物學、植物生理學、統計學、作物模型和其他組學研究，表型組學相關的植物生物學等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數據庫收錄。科睿唯安JCR2022影響因子為7.6，位于農藝學一區（1/125名），植物科學一區（13/265名），遙感一區（6/62名）。2023年中科院期刊分區位于農林科學大類一區。2020年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目、2024年入選江蘇科技期刊卓越行動計劃領軍期刊項目。
說明：本文由《植物表型組學》編輯部負責組稿。
中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
特邀作者：溫維亮
排版：許怡瑤（上海交通大學）
審核：孔敏、王平
