基于维管束表型的玉米抗旱性鉴定方法研究

In this study, we will focus on exploring a new method for drought resistance identification based on vascular phenotyping of maize. The high-resolution microscopic images of corn stalks will be obtained by combining dry point processing techniques and microscopic imaging techniques. Based on micro-CT scanning system, SCN400 slide scanning system, combined with cell biology, computer analysis and image processing algorithm, we aim to solve the problem of automatic extraction and precision detection of vascular bundle traits, and finally build high-throughput characterization methods of maize vascular bundles phenotypic traits. Further, CT reconstruction of complex three-dimensional structure of vascular bundles in node will be performed to calculate three-dimensional phenotypic traits of vascular bundles and their hydraulic structural parameters. Based on above methods, the systematic phenotyping information of different maize stalks will be constructed, and investigate the relationships between vascular bundle micro-phenotypes and sap flow properties. Ultimately, the optimal model contains vascular bundle phenotypic parameters closely related to maize drought resistance identification will be established.

本课题以玉米茎秆维管束表型检测为切入点，探索玉米抗旱性鉴定的新方法。结合界点干燥样本处理技术和显微成像技术快速、高保真获取玉米茎秆高分辨率显微图像，研发先进的图像处理和机器学习技术快速、准确提取出玉米茎秆维管束及其内部结构的表型参数；进一步，利用CT重构玉米茎秆维管束复杂三维结构，计算维管束三维表型性状及其水力结构参数，分析维管束表型与水分运输能力关系；最后，系统比较不同抗旱性玉米的维管束显微表型差异，通过实测不同抗旱性玉米在梯度水分胁迫条件下的茎流等参数，利用因子分析、逐步回归等统计分析方法挖掘可用于玉米抗旱性鉴定的显微表型指标，从玉米维管束表型层次为玉米抗旱性鉴定提供依据。

根据“基于维管束表型的玉米抗旱性鉴定方法研究”计划书的要求，本项目围绕玉米茎秆维管束表型获取方法构建、维管束表型解析及不同自交系品种茎秆显微表型特征差异比较三个方面开展研究。经过3年的努力，取得的主要研究成果包括：（1）构建基于micro-CT、石蜡切片两种玉米维管束显微图像获取的技术方法，由简入繁、从有损切片到无损扫描，为维管组织表型特征的高通量提取与精准鉴定提供了技术支持。（2）基于CT单张图像，构建基于深度学习的维管束表型精准、自动解析方法，实现茎秆表皮区、周皮区、髓区相关表型指标的智能解析，为深入探究作物维管束形态结构及生理功能提供指导。（3）系统分析了自交系Zheng958、B73、Qi319和Ji63等自交系茎秆基部第3节至顶位节不同节位维管束表型的变化差异，探究维管束在全株水平上的结构特点及其对茎流的影响，为研究玉米植株水分运输和抗旱品种筛选提供了独特的见解。发表SCI 论文4篇，授权发明专利3项，获批北京市新技术新产品（服务）1项，获得软件著作权登记2项，构建玉米茎秆维管束表型数据库—MaizeSPD 1个；项目组成员晋升高级职称1人，副高级职称1人，培养研究生2名。