基于高通量表型技术衍生冠层性状的荞菜单株生物量非破坏性估算

《Frontiers in Plant Science》：Non-destructive estimation of individual buckwheat plant biomass using high-throughput phenotyping-derived canopy traits

　　

本研究旨在开发一种利用高通量表型（HTP）衍生作物性状估算荞菜单株生物量的技术。研究人员采用拖拉机搭载的多相机表型系统获取图像，经处理后生成株高、体积指数（volume index）和覆盖度（coverage）。首先通过将图像衍生的株高与人工测量值进行比较验证成像系统的准确性，结果显示“18sd-1”和“Kitamitsuki”两个基因型的线性决定系数（R2）分别为0.95和0.93，两者高度吻合。随后，研究人员建立了生物量积累与估算的HTP衍生作物性状之间的生物量估算模型，并将其与基于Monteith的辐射利用效率（RUE）框架进行比较。生物量估算采用一阶段、二阶段和三阶段模型进行评估，其中二阶段模型将开花前和开花后时期分开，三阶段模型进一步将开花前时期划分为早期和中期生长阶段。三阶段模型提升了性能，表明在模拟荞麦生物量积累时应考虑发育阶段。在所评估的HTP衍生性状中，体积指数与实测生物量的关联最强，其精度与传统基于覆盖度的RUE框架相当。这些结果表明，HTP衍生结构性状，尤其是体积指数，为荞麦单株生物量的重复、非破坏性估算提供了一种实用且生物学可解释的方法。

研究背景与科学问题

荞麦（Fagopyrum esculentum Moench）是日本重要的传统作物，因其生育期短、适应贫瘠土壤以及适合多样化轮作体系而具有农业价值。然而，荞麦对环境影响敏感，易倒伏、落粒，且产量受暴雨和台风影响而不稳定。作为异花授粉物种，荞麦具有由S位点控制的异态自交不亲和性，遗传固定程度的增加会导致近交衰退，因此群体内个体基因型多样，传统遗传改良比自花授粉作物更为复杂。传统的荞麦生长性状评价主要依赖人工且往往具破坏性的测量，如株高、茎粗、节数、叶片特征和生物量组分通常在收获期间或之后评估，且只能反映少量个体的平均值。这种劳动密集型、耗时且不适合在整个生育周期重复评估的方法，限制了大规模个体精确表型分析和开花前表型选择。尽管遥感技术发展带来了作物监测的新可能，但大多数方法针对田块尺度，未优化用于单株精确表型分析。此外，现有作物生长模型虽能模拟冠层或田块尺度的生长动态，但通常无法捕捉高分辨率表型所揭示的详细植株水平结构性状。因此，在图像表型分析与简单机理建模框架之间存在空白。本研究旨在利用拖拉机搭载多相机系统获取RGB图像，提取单株水平的株高、冠层覆盖度和体积指数，开发基于HTP衍生性状的荞麦单株生物量估算框架，并与传统Monteith辐射利用效率框架进行比较，同时考察发育阶段（特别是开花期）对生物量估算的影响。

主要关键技术方法

研究人员在日本北海道农业研究中心温室条件下种植了两个株型对比鲜明的荞麦基因型（品种“Kitamitsuki”和半矮秆品系“18sd-1”），于播种后17至33天共八个时间点进行测量。采用拖拉机搭载的水平多相机臂（含六台索尼RX0 II相机，焦距7.9 mm，视场角84°，朝下安装，间距45 cm，距地面2.25 m）配合RTK-GNSS自动导航采集图像。图像在Agisoft Metashape中通过运动恢复结构和多视角立体（SfM/MVS）流程处理，生成数字高程模型（DEM）和正射镶嵌影像。利用自主开发的Windows软件PREPs从DEM和正射影像中提取株高、冠层覆盖度和体积指数。太阳辐射数据由安装在研究中心外的SR20-D2日射强度计测量，并按假定温室透光率0.9转换为温室内入射辐射。累积截获辐射通过覆盖度乘以入射辐射的时间积分计算，生物量按Monteith框架表示为辐射利用效率（RUE）与累积截获辐射的乘积。

研究结果

3.1 图像衍生株高的准确性

将图像衍生株高与人工测量株高比较，“18sd-1”的决定系数（R²）为0.95，均方根误差（RMSE）为3.98 cm；“Kitamitsuki”的R²为0.93，RMSE为15.59 cm。“Kitamitsuki”的一致性略低，可能因其冠层更高、侧枝更发达，成像系统捕获了冠层顶端而人工测量主要代表主茎高度。结果表明多相机系统在温室条件下提供了可靠的株高估计。

3.2 生物量与表型性状的时间变化

两基因型生物量随时间递增，早期增长缓慢，约24天后增速加快，“Kitamitsuki”在后期表现出更大生物量。冠层覆盖度在两基因型中均随时间增加，28天后增幅变小，“Kitamitsuki”总体高于“18sd-1”。体积指数方面，“18sd-1”持续稳定增长，“Kitamitsuki”前期增长较慢，约20天后快速上升，后期略高于“18sd-1”。

3.3 作物性状与生物量的关系

体积指数与生物量高度相关，21天时的R²达0.95。生物量-体积指数关系的斜率在“18sd-1”中高于“Kitamitsuki”，而生物量-覆盖度关系的斜率在两基因型间相似。在合并分析中，体积指数与生物量的关系最强（R²=0.86，RMSE=3.66），优于其他性状组合。引入辐射的组合中，Sum VI×C×Radiation表现最佳（R²=0.83，RMSE=3.98）。

3.4 阶段特异性RUE估算

采用二阶段模型（开花前后）估算的RUE值：“18sd-1”在开花前为0.857 g DM MJ^-1，开花后为1.231 g DM MJ^-1；“Kitamitsuki”对应值为0.953和1.027 g DM MJ^-1。进一步将开花前期分为早期和中期形成三阶段模型后，两基因型的RUE在早期最低，中期大幅升高至接近开花后水平。排除早期后，RUE范围约为1.0-1.23 g DM MJ^-1。

3.5 生物量估算性能

以体积指数为预测变量时，三阶段模型相比一阶段和二阶段模型改善了估算效果。对于“18sd-1”，一阶段模型RMSE=3.79、R²=0.81提升至三阶段RMSE=3.074、R²=0.875；对于“Kitamitsuki”，一阶段RMSE=3.52、R²=0.886提升至三阶段RMSE=3.246、R²=0.903。总体而言，体积指数在发育阶段模型中产生了最高的决定系数和最低的RMSE。

讨论与结论总结

讨论部分指出，拖拉机搭载多相机表型系统可用于高精度估算温室条件下荞麦单株生长。通过定义栽培槽上表面为基准平面而非温室地面，克服了因地表不平导致的测量误差，实现了更精确的株高估计。体积指数因其整合了冠层的三维结构信息（包括垂直发育和水平扩展），比仅代表水平投影的覆盖度更能反映生物量积累，成为最有效的预测因子。但生物量-体积指数斜率的基因型差异表明需针对不同冠层构型进行校准。将发育阶段纳入模型显著提高了性能，三阶段模型优于一阶段和二阶段模型。早期RUE较低归因于冠层未完全闭合导致大量辐射被土壤截获，中期和开花后RUE值（约1.0-1.23 g DM MJ^-1）与文献报道范围一致，支持了方法的生理学合理性。研究还指出了一些局限性：实验在温室条件下进行，环境变异较小；植物在强风下移动会导致三维重建失败（如24天数据被剔除），体积指数对重建误差比覆盖度更敏感；仅评估了两个基因型，通用校准尚待建立；所有模型均基于同一数据集拟合而未进行交叉验证或独立验证，R²和RMSE应视为模型拟合指标而非预测性能。

研究结论：本研究利用拖拉机搭载多相机表型系统获取HTP衍生作物性状，成功开发了荞麦单株生物量的非破坏性估算方法。图像衍生株高与人工测量高度一致（“18sd-1”R²=0.95，“Kitamitsuki”R²=0.93），证实了表型平台用于重复监测荞麦生长的可靠性。HTP衍生作物性状与实测生物量密切相关，其中体积指数的精度与传统基于覆盖度的RUE框架相当，表明三维冠层结构是荞麦生物量积累的重要描述因子。纳入发育阶段进一步提升了模型性能，三阶段模型（早期开花前、中期开花前和开花后）优于一阶段和二阶段模型。总体而言，高通量图像表型可用于预测荞麦单株水平的生物量，这种表型与生长模型的整合为生物量相关性状的重复、非破坏性评估提供了实用基础，有望促进荞麦育种计划中更高效的选择。未来研究应在田间条件和更广泛的基因型范围内评估该方法的应用性和稳健性。