Videometer种子表型组学:植物种子无损测试方法

博普特

2022/05/13 11:07

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受威胁的寒冷沙漠多年生植物Ivesia webberi种子活力的地理和年际模式，以及无损种子测试方法的前景

摘要：据估计，全球受威胁的植物物种中有三分之一具有顽固的储存行为，而种子库相对无效。因此，为了了解美国受威胁的大盆地沙漠野草Ivesia webberi的种子储存行为，我们检查了种子大小和储存时间对种子活力的影响，评估了种子活力的年际和群体间变化，以及研究了无损种子活力测试方法（种子X射线和多光谱成像）的预测准确性。结果显示种子活力从三个月显着降低到两年，这表明I. webberi种子具有顽固的储存行为。种子活力在11个I. webberi种群中表现出显着的年际差异，而不是种群间差异；种子大小对种子活力没有显着影响。X射线和多光谱成像方法具有较高的分类精度（> 80％），可以替代广泛使用的破坏种子种质的四唑测试，从而导致定期监测的储存种子累积减少。这项研究证明了非破坏性方法在长期种子活力监测中的效用，并表明种子活力不受种群密度的影响，种群密度在采样的韦伯氏菌种群中差异很大。

关键词：Ivesia webberi，种子库，种子活力，多光谱成像，种子 X 射线图像

大量可行的I. webberi 种子相对较小（图 1），但逻辑回归模型显示种子大小对种子的活力没有显着影响（z = -1.57，p > 0.12 )。

图1.显示Ivesia webberi种子面积与活力之间关系的箱线图。使用四唑鎓测试确定活力

在用于TZ测试的441颗种子中，260颗被归类为有活力的，而其余181颗则没有活力。X射线图像、种子宽度和光谱特性的组合可靠地预测了种子活力 (AUC > 0.8)。在种子 X 射线、种子面积和MCM 13 在 p < 0.01 时显着不同。随机森林模型产生了很高的预测性能（准确度：0.8163，特异性：0.9308，敏感性：0.6519，kappa：0.6056）；种子 X 射线图像的变量重要性最高，其次是种子宽度和 MCM 13，分别具有 X 射线图像预测能力的 16% 和 13%。单变量部分相关图显示，随着种子种皮光谱反射率在 690 nm（图 2a）、X 射线图像中的填充种子（图 2b）和更小的种子宽度（图 2c）的降低，I. webberi 种子活力的概率增加。训练数据和交叉验证数据的 AUC 值分别为 0.91 和 0.81。

图2.(a-c)描述从随机森林模型计算的三个预测变量中每一个的种子活力的单变量图，用于非破坏性Ivesia webberi 种子活力分类

690nm 波长的非破坏性种子 X 射线成像和多光谱成像与破坏性出苗和 TZ 测试相比较，因此证明将它们用于种子活力测试是合理的，这可以减少受威胁植物物种的累积长期种子损失数量有限的健康种子。虽然没有记录，但我们观察到两年内采样种群中收集的大多数 I. webberi种子是空种子，这强调了长期保存少数可行种子的必要性。此外，顽固的种子储存行为突出了 I. webberi 种子库的挑战，并建议更多地关注该物种的原位管理。然而，鉴于整个大盆地外来杂草的干扰和入侵增加，种子库已成为不可避免的保护策略。这项研究表明种子活力的种群间差异很小。因此，根据该物种的种群遗传结构，可以从少数具有持续较高生存力的选定种群中收集种子库，以捕获储存的可行种子中的遗传多样性。然而，建议进行进一步的研究来估计不同育种策略产生的种子的活力，并评估长期种子库下的储存行为。