不结球白菜生长发育过程中表型变化

文章来源:万搏体育官网 | 2020-01-06

不结球白菜(Brassica campestyis ssp. ChinensisMakino)为十字花科芸薹属白菜亚种,富含营养,复种指数高,供应周期长,在全国各地均有栽培,深受消费者喜爱,是我国栽培和消费的主要蔬菜之一[1-2]。我国作为不结球白菜起源中心和遗传多样性中心,拥有极为丰富的种质资源和地方品种[3-4],为了更好地利用这些种质资源,对不结球白菜生长发育过程中表型性状和特征规律变化的研究至关重要。


表型是由基因和环境共同作用的结果,随着基因组、转录组及蛋白质组学的高速发展,也加速了作物表型组学的研究[5-6],而表型性状作为研究作物逆境胁迫[7]、产量[8]和品质[9]的关键指标更是被关注。近年来,我国逐渐对不结球白菜表型性状进行研究,但研究主要集中在农艺性状遗传分析[10-11]、种质资源评价与品种选育[12-13]、栽培条件或胁迫对不结球白菜某一时期表型性状的影响[14-15],很少在整个生长期内快速、准确、无损的测量不结球白菜的表型性状。


设施栽培可以为不结球白菜周年生产提供良好的环境,设施栽培下不结球白菜整个繁育过程中表型变化对不结球白菜的栽培、生产与育种有很好的指导意义。因此,该研究针对设施不结球白菜生长发育过程中相关表型指标变化问题,利用表型成像技术获取不结球白菜整个生长发育过程中表型图片与数据,探讨不同品种不结球白菜整个生长期内的投影面积、开展度、紧密度、株高、株幅、荚果表型变化趋势,旨在为不结球白菜种质资源的利用和繁育提供科学依据

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2016年12月至2017年6月在中国(上海)自由贸易试验区孙桥沔北路185号C9-1万搏体育温室内进行,位于北纬31°14′,东经121°29′,属于北亚热带季风气候。

1.2 试验材料

供试材料为不结球白菜品种“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“黑心乌”“高梗白”“南通马耳朵”“紫菜薹”,种子使用5%的NaClO溶液消毒5min,去离子水冲洗5次,并用去离子水浸泡30min后,播种于50孔穴盘中,育苗基质体积比为2:1:1的草炭、蛭石和珍珠岩的混合物,播种10d后将选取长势基本一致的不结球白菜幼苗移栽到白色花盆中,花盆尺寸为上口径22cm,下口径18cm,高23cm,栽培基质为体积比为2:1:1的草炭、蛭石和珍珠岩的混合物,定植后10d,进行表型图片采集。

1.3 试验方法

使用德国LemnaTec公司的Scanalyzer 3D的可见光顶部和侧面镜头对正常培养的小不结球白菜植株进行无损成像,分别获得1张植株顶部、1张植株侧面0°和1张植株侧面90°的RGB图像。

1.4 项目测定

每个不结球白菜品种从定植后10 d起,选取长势基本一致的5株进行可见光成像,约每周成像1次,直至荚果成熟。

1.5 数据分析

获得的原始图像,通过Scanalyzer 3D的LemnaGrid 软件建立分析流程(IAC),将原始图像从RGB Image转化为Grey Image,通过阈值调节从灰度图中提取植株,生成二值图像,将植株的二值图像与原始图像结合,获取完整的去掉背景的RGB图像,通过功能键选择目的区域以及想要获取参数,通过此IAC进行批量分析,获得的像素数据通过Scanalyzer 3D的LemnaMiner软件进行像素与实际长度的转换后以CSV格式导出,使用Excel进行数据整理,每组数据去掉最大值和最小值后求均值和标准偏差并做图,荚果数据通过SPSS 20.0分析软件,使用P<0.05的差异水平,分析组间数据的差异性。


2结果与分析

2.1 不结球白菜生长发育过程中植株表型变化

2.1.1  表型图片观察植株生长发育各时期

不结球白菜生长发育过程中进行表型成像(图1),观察表型图片获取植株抽薹和开花时间等信息,“紫菜薹”定植后74d现蕾,80d开花,140d荚果完全成熟;“苏州青”“南通马耳朵”“高梗白”和“抗热605”定植后87d现蕾,95和100d开花,147和155d荚果成熟;“紫罗兰”和“黑心乌”现蕾较晚为95和100d,109d开花,147和155d荚果成熟。“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“黑心乌”“高梗白”“南通马耳朵”底部叶片在定植后100d完全枯黄,“紫菜薹”叶片在定植后95d完全枯黄。

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图1不结球白菜生长发育过程中顶部图片获取

各个时期均以成像阶段获得图片中50%以上出现性状为标准日期。

2.1.2  植株顶部投影面积变化

由图2可以看出,在不结球白菜生长周期内,顶部投影面积从定植后10d开始增大,60d出现明显差异,“紫菜薹”顶部投影面积达到最大值后降低,其余6个品种均先达到小峰值后降低再增大达到最大值后降低。“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“黑心乌”“高梗白”和“南通马耳朵”顶部投影面积在74~95、74~95、87~109、80~115、80~95和74~87d有一段平缓增减期,增减期小峰值出现在87、87、95、87、87和80d,为412.32、354.94、372.08、319.27、497.62和284.21cm?,之后增加,在115、115、115、125、115和100d达到最大值为517.48、466.96、394.70、323.49、546.30和326.14cm?。“紫菜薹”顶部投影面积在95d达到最大值为505.91cm?,之后降低。由此可知,“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“黑心乌”“高梗白”和“南通马耳朵”顶部投影面积变化规律一致,营养生长期和生殖生长期均出现最大值,而紫菜薹差异于其他品种,可能原因是供食器官为花薹而不是叶片,营养主要提供花薹生长。

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图2不结球白菜生长发育过程中顶部投影面积变化

2.1.3  植株顶部开展度

由图3可以看出,在不结球白菜生长周期内,7个不结球白菜顶部开展度从定植后10d开始增大,60d后差异明显,“紫菜薹”达到最大开展度后降低,其余6个品种达到小峰值后降低再增大达到最大值后降低。“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“黑心乌”“高梗白”和“南通马耳朵”顶部开展度在60~95、60~95、60~95、60~115、60~95和60~95d有一段平缓增减期,增减期小峰值出现在74、87、87、87、80和80d,为28.04、27.00、25.50、26.13、37.99和29.12cm,之后增加,在155、155、125、155、155和155d达到最大值为80.53、73.03、52.24、51.33、73.32和55.34cm,“紫菜薹”顶部开展度在115d达到最大值为69.68cm,之后降低。由此可知,“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“黑心乌”“高梗白”和“南通马耳朵”顶部开展度变化规律一致,营养生长阶段和生殖生长阶段均出现最大顶部开展度,而“紫菜薹”出现差异的原因可能是菜薹迅速生长,分枝、开花,增大顶部开展度。

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图3不结球白菜生长发育过程中顶部开展度变化

2.1.4  植株顶部冠层紧密度

由图4可以看出,在不结球白菜生长周期内,7个不结球白菜品种顶部紧密度从定植后10 d开始增加,60 d后出现明显差异,达到最大值后降低。“苏州青”“黑心乌”“南通马耳朵”顶部最大紧密度出现在95 d,分别为0.87、0.87、0.70;“抗热605”“紫罗兰”顶部最大紧密度出现在100 d为0.87和0.88;“高梗白”顶部最大紧密度出现在87 d为0.71;“紫菜薹”顶部最大紧密度出现在67 d为0.58。由此可知,“苏州青”“黑心乌”“南通马耳朵”“抗热605”“紫罗兰”“高梗白”和“紫菜薹”顶部紧密度变化规律一致,最大紧密度出现在生殖生长时期。

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图4不结球白菜生长发育过程中顶部紧密度变化

2.1.5  株高

由图5可以看出,在不结球白菜生长周期内,7个不结球白菜品种的株高从定植后10d开始升高,60d后出现明显差异,经缓慢增减后迅速升高达到最大。“苏州青”“抗热605”“高梗白”株高在60d出现一个小峰值,为12.89、11.46、18.34cm,“黑心乌”“南通马耳朵”和“紫菜薹”在67d出现小峰值,为10.45、13.67和22.19cm ,“紫罗兰”在80d出现小峰值为12.94cm,之后缓慢降低再升高,“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”株高最大值出现在125d,为111.97、105.54、98.01cm,“高梗白”株高最大值出现在115d,为106.94cm。“南通马耳朵”和“紫菜薹”株高最大值出现在109d为89.05和113.35cm。“黑心乌”株高最大值出现在155d为117.58cm。由此可知,“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“黑心乌”“高梗白”“南通马耳朵”和“紫菜薹”株高生长规律一致,营养生长期和生殖生长期均出现株高最大值。

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图5不结球白菜生长发育过程中株高变化

2.1.6 株幅

由图6可以看出,在不结球白菜生长周期内,7个不结球白菜品种的株幅从定植后10d开始增加,60d出现明显差异,经过一段平缓期增减期后迅速增加达到最大。“苏州青”“紫罗兰”“抗热605”“高梗白”“黑心乌”和“紫菜薹”株幅在60~109、60~109、60~95、60~95、60~115、67~95、60~67d出现平缓增减期,平缓增减期“苏州青”和“紫罗兰”小峰值出现在74和87d ,分别为23.50和22.17cm,“抗热605”“高梗白”“南通马耳朵”小峰值出现在80d,为22.03、29.15、23.31cm,“黑心乌”小峰值出现在100d为21.67cm,“紫菜薹”出现在60d为24.19cm,之后迅速增加,“苏州青”“紫罗兰”“抗热605”“高梗白”“黑心乌”最大值出现在155d,为65.60、50.69、66.98、70.88、34.23cm,“南通马耳朵”株幅最大值出现在125d,为44.40cm,“紫菜薹”株幅最大值出现在115d,为66.55cm。由此可知,“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“黑心乌”“高梗白”“南通马耳朵”和“紫菜薹”株幅变化规律一致,营养生长期和生殖生长期均出现株幅最大值。


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图6不结球白菜生长发育过程中株幅变化

2.2 叶片表型研究

由图7可以看出,在不结球白菜生长周期内,7个不结球白菜品种的叶片长、宽、周长和面积从定植后10d开始增加,60 d后变化缓慢,达到最大值后减小。“苏州青”“紫罗兰”“高梗白”“紫菜薹”和“抗热605”“南通马耳朵”叶长在74和80d达到最大值,分别为15.78、15.39、21.37、24.89、和15.20、16.23cm,之后平缓降低;“黑心乌”叶长在67d达到最大值,为15.72 cm,之后降低。“苏州青”“抗热605”“高梗白”“南通马耳朵”叶宽最大值出现在87d,分别为7.36、7.00、6.46和4.13cm;“紫罗兰”“黑心乌”和“紫菜薹”叶宽最大值出现在80、74和60d,分别为6.44、6.97和8.33cm,之后减小。“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“南通马耳朵”叶周长在87d达到最大值,分别为27.47、25.60、23.52、23.15cm,之后缓慢减小;“高梗白”“黑心乌”和“紫菜薹”叶周长在80、74和60d达到最大值,为31.59、24.20和33.84cm,之后减小。“苏州青”“南通马耳朵”和“紫罗兰”“黑心乌”“高梗白”叶面积在74和80d达到最大值,分别为56.46、28.88和44.68、45.00和59.81cm?,之后缓慢降低,“抗热605”和“紫菜薹”在87和60d达到最大值,为49.91和73.05cm?,之后迅速减小。由此可知“苏州青”“抗热605”“紫罗兰”“高梗白”“南通马耳朵”叶片在定植后87d出现枯黄萎蔫,“黑心乌”和“紫菜薹”叶片定植后80和74d出现萎蔫。

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图7 青菜生长发育过程中叶片表型变化

2.3 荚果成熟期表型研究

由图8可以看出,在荚果成熟后,“抗热605”和“南通马耳朵”的荚果长度最长为4.24和4.01 cm,与其他品种差异极显著;其次为“紫罗兰”和“苏州青”,荚果长度为3.13和3.06 cm,与“高梗白”差异不显著,与“紫菜薹”和“黑心乌”差异显著;“高梗白”“黑心乌”和“紫菜薹”的荚果长度为2.63、2.25和2.16 cm,差异不显著。“紫罗兰”“苏州青”和“抗热605”荚果宽度为0.51、0.46和0.46 cm,与“南通马耳朵”“高梗白”“黑心乌”和“紫菜薹”荚果宽0.36、0.35、0.31、0.28 cm差异显著。“抗热605”和“南通马耳朵”荚果周长最长为8.35和7.70 cm,与其他品种差异极显著,其次为“紫罗兰”和“苏州青”,周长为5.94和5.85 cm,与“高梗白”差异不显著,与“黑心乌”和“紫菜薹”差异显著;“高梗白”的周长为5.17 cm,与“黑心乌”差异不显著,“紫菜薹”差异显著;“黑心乌”和“紫菜薹”的果荚周长为4.48和4.26 cm,差异不显著。“抗热605”荚果投影面积最大为1.52cm?,与其他品种差异极显著,其次为“紫罗兰”荚果投影面积为1.19 cm?,与“苏州青”差异不显著,与“南通马耳朵”“高梗白”“黑心乌”“紫菜薹”差异显著;“苏州青”与“南通马耳朵”的荚果投影面积为1.15和0.96 cm?,与“高梗白”“黑心乌”和“紫菜薹”差异显著;“高梗白”荚果投影面积为0.73 cm?,与“黑心乌”差异不显著与“紫菜薹”差异显著;“黑心乌”和“紫菜薹”荚果投影面积为0.58和0.48 cm?,差异不显著。由此可知,“紫菜薹”和“黑心乌”荚果短窄,“南通马耳朵”荚果长窄,“抗热605”荚果长宽,“高梗白”荚果中长窄,“苏州青”和“紫罗兰”荚果中长宽。

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图8 不结球白菜荚果表型分析

结论与讨论

表型性状是由基因型和环境共同作用的结果[16],在一定基因型和环境条件下,不结球白菜的农艺性状表现好、生长势强,则经济产量高[17]。直观、快速、简便、易行地鉴定农艺性状是研究种质资源最基本的方法和途径[18-19],高通量、全自动表型成像技术提供了一种准确、快速、标准化的表型研究方法,在植物育种以及农业上逐渐被应用[20-23],基于光学成像和图像分析技术的表型平台很好的克服了传统的人工测量植物表型的缺点,能在稳定的环境下,以定量的方式,客观、准确、快速、无损、连续获取批量植物表型参数[24],为系统的研究不结球白菜生长发育过程中表型变化提供可能。该试验结果表明7个不结球白菜的的生育期较长,从定植到荚果完全成熟约155 d,而不同品种抽薹、开花和荚果完全成熟时期不同,这可能是由于品种基因型与环境互作导致。


植株形态、叶片、荚果大小是不结球白菜种植资源评价的重要指标,也是研究胁迫对不结球白菜影响的直观指标。投影面积、叶片大小、荚果长度可预估产量指导生产,开展度、株高、株幅可评价株形,指导栽培,该研究结果表明,不同品种不结球白菜由于品种特性导致各指标存在不同程度的差异变化,且在定植后60 d出现明显差异,但株高、株幅、紧密度、叶片的变化规律一致,只有顶部投影面积和开展度的变化规律存在差异,各指标最大值均出现在生殖生长阶段。


“紫菜薹”顶部投影面积和开展度的变化趋势与其余品种不同可能是由于食用器官不同,生长发育所需,也可能由于成像周期较长错过生长发育时期,需要加大样品量和缩短成像周期进行进一步验证;另外,这7个不结球白菜在分类上属于不同类别[2],其变化规律是否代表各大类不结球白菜的生长发育变化,需要加大样品数量,进行进一步验证;7个不结球白菜荚果类型不同,荚果与籽粒产量相关性需要进一步验证。

全文阅读

何红梅, 申海燕, 夏冬冬, 王玉杰, 张雪莲, 顾群. 不结球白菜生长发育过程中表型变化. 北方园艺, 2019 (20): 1.


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