基于高光谱成像技术的油菜种子油酸含量反演模型

高油酸油菜籽品种是当前油菜育种方向之一,为开发高效、无损测定油酸含量的方法,提高油菜高油酸种质资源筛选效率,选用3个油菜品种为材料,分别采集其种子光谱成像信息及油酸含量数据,首先对光谱信息进行11种预处理,确定多元散射校正（MSC）最佳预处理方法,然后基于主成分分析（PCA）、连续投影（SPA）、竞争性自适应重加权采样（CARS）方法对数据进行降维,最后分别建立支持向量机（SVM）、最小二乘支持向量机（LS-SVM）和极限学习机（ELM）3种定量分析模型,对油菜油酸含量进行无损检测。通过改变训练样本的数量来测试模型,为验证模型的稳定性,用相关系数（R）、均方根误差（RMSE）进行效果评价。结果表明,在所有模型中,多元散射校正+竞争性自适应重加权采样+极限学习机（MSC+CARS+ELM）模型预测效果最好,校正集相关系数（Rc）、均方根误差（RMSEc）分别为0.894、1.993 4%,预测集相关系数（Rp）为0.868,均方根误差（RMSEp）为1.069 8%,可更加准确地预测油酸含量,创建一种快速、无损检测油菜种子油酸含量的方法,为利用高光谱技术进行油菜营养品质无损检测提供理论依...     

基于高光谱数据的农田土壤养分含量估测模型研究

【目的】快速、实时、准确、无损地获取农田土壤主要养分(全氮TN、全磷TP、全钾TK)含量的信息。【方法】运用各种土壤反射率的光谱特征分析技术,提取其最具代表性的敏感波段位置,建立土壤养分含量反演模型。【结果】建立估算模型中,预测TN含量以指数函数模型(Y_TN =0.000 5e^{4.700 3xNDI})为最佳;预测TP含量以一元三次函数模型(Y_TP =802.27 x_NDI³-412.32 x_NDI²+72.357 x_NDI-3.318 9)为最佳;预测TK含量以一元三次函数模型(Y_TK =80 189 x_NDI³-11 471 x_NDI²+490.57 x_NDI+13.879)为最佳模型。【结论】通过模型精度评价和田间反复验证,基于归一化光谱指数NDI建立的高光谱遥感定量模型,能较好的反演土壤TN、TP、TK含量,达到良好的预测效果。     

张家港市农田土壤重金属含量高光谱遥感监测模型构建

以张家港农田土壤作为研究对象,在实验室测定土壤重金属元素As、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Hg的含量,并与土壤可见近红外高光谱数据建立土壤重金属含量的定量估测模型,以快速获取研究区农田的土壤重金属含量。为保证模型预测的精度和稳定性,首先,对原始高光谱数据进行平滑处理,并进行一阶导数、倒数一阶导数、倒数的对数一阶导数、平方根一阶导数和连续统去除等形式的光谱变换;然后,提取不同变换光谱的特征波段进行相关性分析;最后,通过逐步回归法建立重金属含量的定量估算模型。结果表明:张家港市农田土壤中Cd、Hg、Cu、Zn存在一定的污染风险。在高光谱的不同变换形式中,一阶导数和连续统去除与重金属含量的相关系数高于其他变换形式。基于8种土壤重金属含量与高光谱数据建立的定量估算模型具有良好的预测精度。Cd、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Ni、Pb估算模型的实际值与验证值的拟合度分别为0.874、0.879、0.800、0.646、0.513、0.655、0.603和0.542,可用于预测张家港市的农田土壤重金属含量。     

气象因子对油茶油酸含量的影响分析及模型构建

利用2012—2017年湖南省不同县市多块油茶(Camellia oleifera)样地的油酸含量资料和同时段邻近气象站资料构建的油茶生长或处理期各阶段气象指标,采用主成分分析的方法分析不同阶段气象指标对油茶油酸含量的影响,并基于此建立油酸含量预测模型。结果表明,采摘当年、果实膨大高峰期、油脂转化和积累高峰期的气象因子对于油酸含量有重要影响,降水类指标特别是降水量和最长连续降水日数是影响油茶油酸含量最重要的气象因子,利用气象因子构建的油茶油酸含量预测模型精度较高,具有一定的适用性。     

桉树叶片光合色素含量高光谱估算模型

色素在植物的生理生态过程中非常重要,利用高光谱数据,揭示光谱反射率上特征波段与光合色素含量间的关系将有助于理解光合色素光谱反射特征的规律,同时为利用高光谱遥感技术快速无损监测植物叶片光合色素提供了技术支持.利用野外采集的桉树叶片样本,在实验室内测定了叶片的高光谱反射率及对应的叶绿素、类胡萝卜素含量.利用光谱分析技术和统计学方法对光谱数据进行处理分析,提取了光谱特征参量,并建立叶绿素、类胡萝卜素含量与光谱特征参量间的估算模型.通过精度检验,研究结果表明以(SDr-SDb)/(SDr+SDb)为变量建立的指数模型估算效果最佳.     

基于高光谱成像技术的油菜叶片叶绿素含量预测

叶绿素是作物生长中的重要因素,可用于实时监测作物的生长状况。以常规高油酸油菜品种为材料,采用大田试验研究油菜叶片在不同栽培措施下幼苗期、蕾薹期叶片的光谱响应,通过计算反射光谱及其反射光谱的一阶导数与SPAD值的相关性,结合逐步回归挑选出油菜叶片敏感波段,并计算光谱指数。采用一元线性回归和神经网络建立叶绿素含量估算模型。结果表明,由光谱指数所构建的神经网络叶绿素估算模型,精度评价结果均显示比较高的水平,幼苗期反射率光谱指数构建的模型精度最高,决定系数R2为0807 0,均方根误差（RMSE）为1131 5,蕾薹期一阶导数光谱指数构建的模型精度最高,决定系数R2为 0873 2, 均方根误差（RMSE）为1322 3,在蕾薹期和幼苗期通过构建BP神经网络模型能够较好的对油菜叶绿素进行反演。为利用高光谱技术大范围监测油菜叶绿素含量提供了一定的理论依据。     

基于高光谱数据的土壤有机质含量预测研究

[目的]快速、有效、非接触、非破坏性地提取土壤有机质含量信息.探索新疆绿洲农区如何应用高光谱遥感技术分析、模拟、评价、预测土壤有机质含量,促进高光谱分辨率遥感技术在农田土壤遥感诊断、作物科学种植、水肥分区管理、田间农情监测中的应用,为新疆实施精准农业提供科学理论参考.[方法]利用高光谱遥感技术提取土壤有机质含量信息的研究,采用美国ASD Field Spec Pro VNIR 2500型光谱辐射仪获取田间土壤不同有机质含量信息的高光谱反射率;通过光谱分析技术,运用各种土壤反射率数学变换形式,找出最具代表性的敏感波段,揭示土壤有机质含量与其光谱成因机理之间的内在联系.[结果]基于NDI预测土壤有机质含量的估算模型中以一元三次函数模型(YSOM=-4E+ 07XNDI3+ 2E+ 06XNDI2-21 338XNDI+ 110.44,R2=0.713 2)为最优,指数函数模型次之.[结论]基于归一化光谱指数NDI可以较好的估算土壤有机质含量,利用统计方法建立的经验模型,简单实用,将对特定区域、特定土壤的预测有较好的效果.     

栽培因子对油菜油酸含量的影响

采用二次正交旋转组合设计研究氮、磷、钾、硫、柠檬酸、油菜索内酯对油菜油酸含量的作用效果.单因素效应分析氮肥施用量与油酸含量呈直线负相关.磷肥、钾肥施用量与油酸含量都呈二次曲线负相关.在一定范围内,施用磷肥、钾肥有利于油菜油酸含量的提高,过量则降低油酸含量.硫肥施用量与油酸含量呈直线正相关.该试验条件下在低氮、中磷、中钾、高硫水平下可以获得较高的油酸含量:当纯氮、纯磷、纯钾、纯硫的含量分别为0、112.5、112.5、60 kg/hm2时获得最高油酸含量67.51%.油菜素内酯和柠檬酸的效果不显著,可能与施用时期和施用量有关.     

基于高光谱植被指数的马铃薯叶片叶绿素含量估测模型

【目的】筛选相关性好的植被指数构建马铃薯叶片叶绿素a、叶绿素b估测模型,为科学、无损地进行马铃薯叶片叶绿素含量估算提供技术支撑。【方法】采用便携式高光谱地物波谱仪,获取不同施氮水平下不同生育时期的马铃薯植株叶片光谱反射率,提取植被指数,测定马铃薯叶片叶绿素a、叶绿素b含量,并研究叶绿素含量与植被指数的相关性。【结果】12个植被指数与叶绿素a、叶绿素b含量相关性较好,其中修正归一化差异指数(mND_(705))、修正简单比值指数(mSR_(705))、地面叶绿素指数(MTCI)、修改叶绿素吸收反射指数(MCARI)与叶绿素a、叶绿素b含量相关性最好。基于这4个植被指数建立的估测模型中,MTCI构建的乘幂模型估测叶绿素a含量的效果最佳,mND_(705)构建的指数模型估测叶绿素b含量的效果最佳。【结论】MTCI构建的乘幂模型能较为精确地估测叶绿素a含量,mND_(705)构建的指数模型能较为精确地估测叶绿素b含量;这2种模型可用于间接监测马铃薯植株的氮营养亏缺状态。     

苹果冠层叶绿素含量高光谱估算模型

【目的】 研究一种快速、简便、无损的苹果冠层叶绿素含量估测模型。探索苹果品种岩富10号冠层的高光谱特征和叶绿素含量的估测方法,为该地区岩富10号苹果营养的快速诊断奠定基础,为红富士苹果精准化管理和-7光谱尺度研究提供参考依据。【方法】以红富士苹果(Malus domestica Borkh. cv. Red Fuji)主栽品种岩富10号叶绿素含量以及冠层高光谱反射率为数据源,分析叶绿素含量与冠层原始光谱(R)、微分光谱(R')之间的相关关系,利用敏感波段建立新的对应关系,构建岩富10号叶绿素含量的多种回归估测模型,并对不同模型进行了精度评价。【结果】微分光谱用于岩富10号叶绿素含量的估测精度要显著高于原始光谱反射率;利用敏感波段组合新定义的衍生变量拟合程度更优;在多种回归方式中,三次多项式模型的拟合程度最好,最优模型为357 nm等7个波段组合定义的新植被指数所建立的三次多项式模型,其精度为0.839。【结论】应用光谱技术对南疆塔里木盆地阿克苏地区岩富10号叶绿素含量进行定量反演是可行的。     

甘蓝型油菜种子含油量与气象因子的相关性

【目的】明确影响甘蓝型油菜种子含油量的主要气象因子,为高含油量育种提供一定的理论依据。【方法】以12个种子含油量不同的甘蓝型油菜品系为材料,探索在汉中和杨凌2种生态环境下油菜种子发育过程中油分积累的异同,分析油菜角果期主要气象因子与种子油分形成的相关性及对种子含油量的影响。【结果】不同生态环境下油菜种子中油分积累差异显著,汉中花后21~42d为油分快速积累期,持续时间为21d,而杨凌花后28~42d为油分快速积累期,持续时间为14d;在汉中生态环境下,油菜种子含油量与日均最低温度、日均最小湿度呈显著正相关,与日均温差呈显著负相关;在杨凌生态环境下,油菜种子含油量与日均温度、日均最高温度、日均日照时数均呈显著或极显著负相关。【结论】在油菜籽粒油分形成过程中,气象因素和积累时间起决定性作用。     

甘蓝型油菜种质资源的聚类分析

杂交育种是油菜育种的主要方法之一。为研究甘蓝型油菜种质资源的遗传多样性,以提高甘蓝型油菜种质资源的利用效率,采用近红外光谱法(NIRS)测试了208份甘蓝型油菜种质资源的12个品质性状,方差分析结果表明各性状均达到极显著差异;通过聚类分析的类平均法在聚类阈值λ=4.86处将208份资源划分为6大类,其中第1大类包含170份资源,在聚类阈值λ=3.70处第1大类比较明显的分为4个亚类;通过聚类分析的离差平方和法在聚类阈值λ=27.00处参试资源比较明显的分为7大类。综合2种聚类分析结果最终将208份资源分为13个类群。     

特早熟春性甘蓝型油菜sBnFLD基因的克隆及表达

【目的】克隆特早熟春性甘蓝型油菜A基因组上的sBnFLD基因,并对其进行表达研究,为该基因的功能及其在成花转变中的作用研究奠定基础。【方法】根据GenBank中已报道的拟南芥和白菜型油菜FLD同源基因的保守序列设计引物,采用PCR和RT-PCR扩增特早熟春性甘蓝型油菜86号品系(光周期不敏感)的FLD同源基因,用qRT-PCR技术检测sBnFLD基因在86号品系不同发育时期茎、叶和茎尖中的表达情况。【结果】克隆出了sBnFLD基因,命名为sBnFLD,在GenBank中的登录号为KR003079.1。sBnFLD基因cDNA全长2 376bp,有3个内含子,4个外显子,编码791个氨基酸残基,分子量86.5ku,等电点8.5;sBnFLD为非分泌蛋白和非膜蛋白;sBnFLD蛋白N端有2个保守的结构域α螺旋结构域(SWIRM)和NAD(P)-binding-8结构域,该蛋白有多个α螺旋和β折叠。生物信息学分析显示,sBnFLD蛋白与已报道的甘蓝型油菜未知蛋白(CDX73929.1)和电子克隆的白菜型油菜FLD(XP_009135110.1)氨基酸序列相似性达99%,与拟南芥FLD氨基酸序列相似性达87%。qRT-PCR分析结果显示,sBnFLD基因在油菜苗期和现蕾初期茎、叶、茎尖中均有表达,但在蕾期茎尖中表达量最高。【结论】克隆出的sBnFLD基因为甘蓝型油菜的FLD同源基因,该基因在春性特早熟甘蓝型油菜开花调控中可能起着重要的调节作用。     

甘蓝型油菜与黑芥双倍体减数分裂的原位杂交分析

【目的】探明植物杂种后代减数分裂异常与花粉败育之间的关系。【方法】通过甘蓝型油菜与黑芥种间杂交和基因组加倍,获得芸薹属三基因组双倍体,采用基因组原位杂交方法,观察三基因组双倍体花粉母细胞的减数分裂规律。【结果】与单倍体相比,双倍体花粉育性得到一定恢复,但可育花粉的比例较低,只有10%~20%。基因组原位杂交结果显示,双倍体花粉母细胞减数分裂终变期染色体以形成同源二价体为主,但也有部分染色体形成四价体或六价体。四价体有3种形式:B基因组染色体形成的四价体、AC基因组染色体形成的四价体及B与AC基因组之间形成的异配四价体。减数分裂后期Ⅰ染色体均等分离的细胞占总数的70%左右,在第2次减数分裂期也观察到非正常分裂如非四分孢子、微核等现象。【结论】减数分裂过程中的染色体异常行为可能是导致花粉育性不高的重要原因;虽然不正常的减数分裂导致花粉育性下降,但双亲染色体的异源联会可为双亲遗传物质的交换提供条件。     

甘蓝型油菜特高含油量育种技术与资源创新

采用品种间单交、复交和生态育种,黄籽育种,DH系育种,高含油种质杂种优势育种等途径,将甘蓝型油菜种质材料含油量由40%左右提高到60%左右,最高达61.7%;杂交种的含油量由40%左右提高到50%以上。在高油杂优利用上提出"高油种质+化学诱导雄性不育"的杂交育种模式,比CMS、GMS杂交育种途径更高效、安全,并能更快地把高油种质应用到生产中去。笔者依据细胞生理和成分的分析以及向日葵育种的经验,提出油菜含油量可达70%左右,可能成为育种者今后奋斗的目标。     

甘蓝型油菜光合性状的杂种优势研究

【目的】研究不同生育时期甘蓝型油菜光合性状杂种优势的真实表现,为油菜的高光效育种提供理论依据。【方法】以4套在生产中大面积应用的甘蓝型油菜细胞质雄性不育杂种F1(杂油59、秦优7号、秦杂油3号、秦杂油1号)及其亲本为材料,在不同生育时期比较了其光合面积、主要气体交换参数、群体生长量、群体生长速率、叶绿素含量等光合性状的杂种优势及其亲子相关性。【结果】①在整个生育期内,甘蓝型油菜杂种F1在光合面积、群体生长量方面都有明显的正向杂种优势,主要气体交换参数在一定时期内有明显正向优势,叶绿素含量无明显的杂种优势,群体生长速率则在大多时期表现为明显的负向杂种优势。②甘蓝型油菜各个光合性状之间的杂种优势表现为:光合面积(平均中亲优势(MP)57.02%,平均超亲优势(HP)39.46%)>群体生长量(MP 41.77%,HP32.39%)>主要气体交换参数(MP 2.70%,HP-3.72%)>叶绿素含量(MP 1.75%,HP-0.52%)>群体生长速率(MP-4.14%,HP-17.47%)。③不同生育时期间的杂种优势表现:光合面积为蕾臺期>角果期>花期>苗期;主要气体交换参数中的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)为:蕾薹期>花前-花中>苗期>角果期>花后期,气孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE)为:角果期>花后期>花前-花中>蕾臺期>苗期;群体生长量为角果期>花期>蕾臺期>苗期;群体生长速率为:花期>角果期>苗期>臺期>越冬期;叶绿素含量为:臺期>花期>苗期>角果期>终花期。④双亲尤其是母本、双亲中值和高亲的光合性状与F1的光合性状极显著相关。【结论】通过选育高光效亲本,结合杂种优势利用进行油菜的高光效育种具有一定的意义和可行性。     

甘蓝型油菜GPDH基因家族的全基因组鉴定

在甘蓝型油菜基因组中鉴定出18个BnGPDH基因,参考拟南芥AtGPDH基因家族分类信息将它们分为BnGPDHp、BnGPDHm和BnGPDHc 3个亚家族。基因结构、保守模块分析发现亚家族内的基因成员具有较高的保守性;染色体位置定位显示BnGPDH分布在10条染色体上;qRT-PCR分析发现BnGPDHc家族成员在所检测的组织部位中具有不同的表达模式。此外,在花后21 d(day after flower, DAF)和30DAF的种子中 BnGPDHc1-2、 BnGPDHc2-1、 BnGPDHc2-2的相对表达量在高油材料中要显著高于低油材料,表明这些基因可能与油菜种子中三脂酰甘油的形成相关。     

甘蓝型油菜WOX基因家族的鉴定与表达分析

对甘蓝型油菜WOX基因家族进行研究,利用生物信息学方法鉴定到58个家族成员,对其理化性质、系统发育树、基因结构、保守结构域、染色体位置、顺式作用元件和表达模式等进行分析,结果表明：氨基酸长度为121~397,分子质量为13 962.77~44 157.46 u,等电点为5.23~9.63,亲水性均小于0,不稳定系数为42.12~75.63,亚细胞定位在细胞核和叶绿体;系统进化树将WOX基因分为3大类和9个亚支;相同亚支的成员motif和基因结构相似或相同;除 BnWOX1、 BnWOX3、 BnWOX4、 BnWOX15、 BnWOX32、 BnWOX42、 BnWOX43、 BnWOX51、 BnWOX53 基因外,其余 49 个BnWOX基因不均匀分布在19条染色体中的18条染色体上(ChrC06 除外),有38对串联重复基因;基因上游序列中包含转录因子结合位点、逆境响应、光响应、激素响应、分生组织调控等顺式作用元件等;各组织器官表达分析表明,BnWOX基因在根、茎尖、种子、角果中表达量较高;对WOX基因进行定量分析发现,在冷胁迫和干旱胁迫下基因表达量有显著变化,表明BnWOX基因可能在油菜响应冷/旱胁迫的调控机制中发挥着重要作用。     

转pepc基因油菜及其光合生理表现

采用下胚轴侵染法和花序浸染法将玉米C₄型pepc光合基因导入到甘蓝型油菜中,对转基因植株进行PCR鉴定并测定磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）活性及其相关光合生理指标。结果表明,2种转基因方法均能将玉米C₄型pepc基因导入油菜中。转pepc基因油菜的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）平均活性比原种提高17倍左右,净光合速率（P_n）比原种提高15.5%,胞间CO₂摩尔分数（C_i）比原种降低35%。表明pepc基因在转基因油菜中得到高效表达。