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藉由植物表現型學發展,將開啟稻米多樣性差異的分析潛力

2017/08/23 @國際

示意圖

藉由植物表現型學發展,將開啟稻米多樣性差異的分析潛力

  為協助國際稻米基因庫解開多樣性的秘密與改善稻米生產,國際稻米研究所在2014年將3,000多種完整的基因組序列釋出,以提供育種人員重新編碼並生產適合未來所需的新品種,約略計算後在這構成遺傳密碼的55,000基因序列中,大約有70%以上之功能仍是處於未知的情況,而目前稻米中的多樣性差異大多是從這些編碼的自然重組所發生,僅要單一個編碼的改變就會影響一個基因的全部功能。

橋接缺口

  大多數育種者認為測量表現型是費力、昂貴且技術門檻較高的,目前現行的科學能力尚無法完全瞭解與測量為什麼在田裡會使得這些性狀與特徵出現變化,因此無法在大量的植物數量上進行表現型特徵的細節記錄。為解決此問題,新興的植物表現組學(phenomics)領域結合生物學、工程學、和數據分析以提供一套新技術來克服上述測量的瓶頸,藉由影像成像、感測、光譜和機器人的技術發展進行非侵入式的植物成長過程研究,以尋找到具有價值的表現型性狀。

數位農業

  目前,國際稻米研究所正在進行各種感測器與成相儀器的測試,透過善於捕捉顏色照片的RGB相機,進行顏色、形狀、結構資訊等成像分析,並藉由熱成像相機進行近紅外線輻射以檢測人眼無法察覺的部分,並根據其溫度差異來區分範圍內的目標物,這些相機可用來監控植物對環境改變之反應,而不同種類的光譜成像儀也常被用來測量從稻株植冠來的反射光線,以連結化學成分變化與結構組成間的獨特特徵為何。在物理特性探測方面,經由可傳遞的高頻音波、光學感測器或雷射感測器等超音波感測器之使用,將能進行距離、高度和結構等測量,並監測植物架構和生長之情形。每個感測器均是一個有力的工具,當其整合結合後將能創造一個能夠突破表現型測量瓶頸的工具組。

邁向新的挑戰

  過去幾年,無人機已在IRRI菲律賓總部進行測試,藉由無人機提供資料數據收集,並從大量且多樣性的稻米中篩選有價值的性狀,而這些無人機亦會搭配有RGB、光譜和熱成像等感測器,在一小時內可測量超過100畝之稻田面積,並兼具有便宜、快速與高度移動等優勢,已成功證實未來可進行全球性的推廣使用,並將所蒐集的資料數據匯集至RICE-全球稻米陣列(RICE–Global Rice Array),建立國際性稻米科學家之社群連結,共同致力於表現型組學之研究。

  在田間的大範圍工作時,拖拉牽引機的GPS自動導航功能就能啟動,藉由被架設在24公尺長吊臂的八個感測器套組來偵測四周,並在牽引機工作過程中同時蒐集數據,在以每小時1公里的移動速度下,此系統能蒐集到2,500個葉層資料,且這些經由超音波感測器蒐集來的熱量與光譜資料可表現出其生長分析及監測植物對田地環境的反應。此外藉由設置在雨水收容槽的感測器系統,則可透過水壓調控田間環境進行非破壞性的乾旱生理試驗與偵測。

  當需要更多完整的表現型資料分析時,在澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的植物表現組學中心所建立的高分辨率平臺將會是主要的工具,能夠進行10,000種植物其葉片表層上的表現型特徵之偵測,透過被覆蓋的顏色、熱能、和光譜的感測器空間數據而產生的3D影像進行性狀剖析與植物生理反應等分析,並提供科學家創新的技術來進行複雜性狀的測量與資料分析。【延伸閱讀】透過受訓犬隻檢測柑橘病害的應用研究

通往未來的窗口

  表現型分析之技術仍處於發展的階段,各種新興的技術被開發用來測試其是否為實際可應用之工具,其中IRRI則在這些創新關鍵技術開發與應用扮演著重要的角色,藉由資源的投入以提升表現型特徵性狀分析的數量與效率以及專業技術,協助科學家和育種人員解開稻米基因多樣性的技術,以推動稻米新品種的選育與稻米生產的改善。

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