Current Status of High-Throughput Plant Phenotyping for Abiotic Stress by Imaging Spectroscopy: A REVIEW

Xiao-feng CAO; Ke-qiang YU; Yan-ru ZHAO; Hai-hui ZHANG

doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2020)11-3365-08

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Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 40, Issue 11, 3365 (2020)

Current Status of High-Throughput Plant Phenotyping for Abiotic Stress by Imaging Spectroscopy: A REVIEW

Xiao-feng CAO^1、1、*, Ke-qiang YU^1、1, Yan-ru ZHAO^1、1, and Hai-hui ZHANG^1、1

Author Affiliations

¹[in Chinese]

¹1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China

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DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)11-3365-08 Cite this Article

Xiao-feng CAO, Ke-qiang YU, Yan-ru ZHAO, Hai-hui ZHANG. Current Status of High-Throughput Plant Phenotyping for Abiotic Stress by Imaging Spectroscopy: A REVIEW[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020, 40(11): 3365 Copy Citation Text

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Fig. 1. High-throughput phenotyping platforms accelerate crop improvement^[14]

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Fig. 2. Phenotype visualization under BF and GF of control and drought treated plants

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Fig. 3. Visualization of SA concentration in WT and TG maize under herbicide treatments

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Technique	Spectrum Range	Spectral Data Type	Phenotype Targeted	Reference
可见光成像(RGB)	400~700 nm	红绿蓝3个波段强度分布信息	结构/形态/几何参数/颜色等	[3-5]
多光谱成像(MSI)	紫外-近红外	有限的离散光谱和宽带光谱植被指数	水分/色素/覆盖度/生物量等	[8, 12, 15]
高光谱成像(HSI)	紫外-近红外	连续高分辨率的光谱和功能丰富的光谱植被指数	色素/养分等丰富的性状	[1, 3, 5, 16 ]
叶绿素荧光成像(ChlFI)	600~800 nm	叶绿素荧光动力学参数等	叶绿素/光合状态/光量子效率	[2, 5, 7]
多光谱荧光成像(MFI)	440~800 nm	有限的离散荧光光谱和参数	酚类/苷类等次级代谢产物等	[12, 19]
热红外成像(TIRI)	3~5或7.5~13.5 μm	主要提供光谱空间强度分布信息	气孔导度/冠层温度	[2-3, 14, 17]

Table 1. Imaging spectroscopy techniques and their application characteristics

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Plant	Stress	Technique	Traits Acquired & Analyzed	Reference
辣椒	干旱	热红外/高光谱	产量/叶绿素/含水量	[41]
葡萄	干旱	高光谱	叶片水势/气孔导度等	[33]
拟南芥	干旱	叶绿素/多光谱荧光	形态/气孔导度/丙二醛	[19]
斑豆	干旱	多光谱	作物产量	[42]
桃树	干旱	热红外	叶片温度	[43]
枣椰树	盐胁迫	RGB	植被覆盖度	[44]
生菜	盐胁迫	高光亲	渗透势/含水量	[45]
小麦	低温	日光诱导荧光	产量年际变化	[36]
番茄	低温	叶绿素荧光	空间异质性	[46]
玉米/大豆	营养胁迫	高光谱	水分/营养元素	[38]
大豆	缺铁褪绿病	RGB	颜色性状	[39]
水稻	钾肥	RGB	颜色/面积等	[47]
马铃薯	氮/钾等	RGB	颜色等性状/出苗率	[48]
芋属/甘薯	除草剂/干旱	日光诱导荧光	净光合速率	[40]
鹅掌柴	干旱/氮	叶绿素荧光	/	[49]
番茄	干旱/养分等	叶绿素荧光/多光谱	叶片水势/总氮	[34]
苔藓	重金属	叶绿素荧光	/	[35]
生菜	温度/盐胁迫	高光谱/叶绿素荧光	色素/生长/光合	[36]
梨树	干旱/高温	热红外	气孔导度/冠层温度	[50]

Table 2. Studies on abiotic stress monitoring of plants by imaging spectroscopy

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Plant	Objective	Technique	Traits Acquired & Analyzed	Reference
水稻	抗旱筛选	RGB	结构形态性状	[51]
小麦	抗旱筛选	多光谱/热红外	/	[52]
大豆	耐旱鉴定	热红外	冠层温度	[53]
杨树	抗旱筛选	热红外	冠层温度/气孔导度	[54]
小麦	抗盐筛选	高光谱	形态性状	[55]
大豆	耐盐鉴定	RGB	形态/颜色/纹理/叶绿素等	[56]
番茄	抗盐筛选	RGB/多光谱	植物面积/生长速率	[57]
玉米	抗倒伏筛选	RGB	株高/纹理形态	[58]
大麦	耐盐鉴定	高光谱	颜色性状	[59]
大豆	抗IDC筛选	RGB/近红外	颜色特征	[60]
蚕豆	抗除草剂筛选	多光谱	生长和颜色性状	[61]
玉米	耐除草剂鉴定	高光谱/叶绿素荧光	莽草酸浓度	[25]
玉米	抗寒筛选	高光谱	/	[62]

Table 3. Studies on screening & identification of plant varieties by imaging spectroscopy

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