文章來源：科學(xué)報
近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作物表型團(tuán)隊(duì)教授楊萬能課題組研發(fā)了一種葉片氣孔表型測量新技術(shù)，并對不同玉米材料干旱脅迫下的氣孔性狀差異及其潛在應(yīng)用價值進(jìn)行了深入研究，為解決作物葉片氣孔表型高通量檢測和遺傳機(jī)制解析提供技術(shù)支撐。該成果發(fā)表于《植物生物技術(shù)雜志》(Plant Biotechnology Journal)。《StomataScorer: A portable and high-throughput leaf stomata trait scorer combined with deep learning and an improved CV model》（X?iuying Liang,Xichen Xu,Zhiwei Wang,Lei He,Kaiqi Zhang,Bo Liang,Junli Ye,Jiawei Shi,Xi Wu,Mingqiu Dai,Wanneng Yang）?doi:10.1111/pbi.13741
葉片氣孔表型提取和分析流程
葉片氣孔運(yùn)動是一個復(fù)雜的調(diào)控過程，受到植物內(nèi)外部多重因素的影響，目前大部分的葉片氣孔研究手段為有損檢測，尚沒有一套成熟的活體葉片氣孔研究體系。
該研究利用兩種不同分辨率的便攜式顯微成像儀獲取玉米活體葉片氣孔顯微圖像。帶有40倍鏡頭的TipScope被用來提取低分辨率的氣孔圖像，研發(fā)FPN深度學(xué)習(xí)模型提取和分析氣孔數(shù)量和氣孔密度；基于帶有400倍鏡頭的ProScope HR2被用來提取的高分辨率氣孔圖像，研發(fā)RCNN模型區(qū)分打開氣孔和閉合氣孔，并計算開閉氣孔數(shù)量。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，和真實(shí)值比較，該技術(shù)氣孔表型檢測精度在0.85-0.99，平均相對誤差在0.02%-6.34%之間，證明該技術(shù)檢測的準(zhǔn)確性。
在檢測效率方面，該技術(shù)無需對樣本進(jìn)行預(yù)處理，處理500張TipScope圖像耗時約42秒，ProScope HR2獲取一幅圖像的時間約為5~10s，處理500張ProScope圖像耗時約40分鐘?？傮w來說，提取每個葉片所有氣孔特征的總時間約為10~15s。
為了驗(yàn)證該方法提取的氣孔性狀的有效性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了B73玉米野生型和Zmfab1a突變體在正常澆水和干旱脅迫條件下的氣孔表型差異。研究表明，在干旱復(fù)水后，Zmfab1a的氣孔打開數(shù)量和氣孔平均面積均高于B73，說明突變體Zmfab1a葉片氣孔干旱響應(yīng)和恢復(fù)能力高于B73，具有更好的抗旱性。
為了進(jìn)一步評估該氣孔分割方法的可行性，研究還測試小麥、水稻、油菜、萵苣、煙草、馬鈴薯、蠶豆、棉花和大豆其他9種植物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)可以成功推廣到其他作物葉片氣孔表型檢測。
?綜上所述，該研究提出了一種便攜式、低成本、高通量(約15秒/葉片)的葉片氣孔表型動態(tài)提取和分析方法，并建立門戶網(wǎng)站供全球用戶開放使用，該網(wǎng)站有可能能促進(jìn)未來大群體作物葉片氣孔表型動態(tài)研究和遺傳機(jī)制解析。