摘要：缺乏有效的表型采集与分析能力已成为林木育种研究领域的瓶颈，其关键难点是生成准确的表型数据，以便正确解释获得的结果。在精确林业中面临的核心挑战是实现自动化、大范围、快速实时的表型性状分析。长久以来，林木遗传育种和精确林业监测要花费大量的人力收集常规表型数据，传统的表型研究方法具有效率低、维度低、通量低、精度低、劳动量大、主观性强等缺点，无法满足挖掘“基因型—表型—环境型”内在关联、揭示特定生物性状形成机制的科研需求。因此，亟需在林业上发展并应用非破坏式、自动化、高通量、高精度的表型监测技术。现代表型技术使用搭载多种类型成像传感器的系统，自动收集林木形态结构和生理生化等大量表型数据，实现对大批量林木个体的生长监测。另外，无损测量的特点使对同一林木个体进行连续监测得以实现，从而获取林木生长相关的表型性状，如在胁迫研究中，表型技术能明晰林木对胁迫的响应模式及其对胁迫的抗性。利用新型传感器技术对遗传测定群体进行准确、高通量、无损式、快速高效的表型信息采集，对于加快林木遗传改良进程、实施精确林业战略、挖掘优良种质、提高森林质量和抗逆能力至关重要。本文回顾林木表型技术的发展，介绍了基于个体和基于林分(群体)的林木表型技术的应用领域和研究内容。详细分析可见光相机、荧光成像仪、近红外成像仪、高光谱成像仪、热红外成像仪和激光雷达扫描仪等各成像传感器的测量参数、频谱范围、成像原理、优缺点，以及在林木表型信息采集上的应用现状等。林木表型技术的研究趋势为:1)构建新型采集平台获取林分和个体的关键表型性状以提高精度及通量;2)利用环境监测技术，分析林木在温度、湿度、水分、光照等非生物胁迫下的表型反应，以进行抗逆良种选育;3)利用生物胁迫下的表型变化分析推动精确林业中的病虫害监测、分类、识别和防治等;4)利用高通量表型技术与全基因组选择、数量性状位点和全基因组关联分析相结合以鉴定基因的功能，提高选择的准确性。表型技术的应用将实现快速实时、高质量、高精度、高通量的采集林木数据，从而提高育种效率，优化精确林业实践，加速林业信息化的发展进程。
关键词:表型;成像传感器;精确林业;林木遗传育种;生物胁迫
表型，又称表现型，是指生物体在给定的环境中，确定基因型表现出来的形态、结构、大小、颜色、成分与功能特征等物理、生理、生化性状，是基因型和环境共同作用的结果(Howeetal.，2003)。林木表型是研究树木的生长发育、表现和组成的科学，结合基因组学，可在核苷酸序列、细胞、组织、器官、个体、林分、种群和森林等不同尺度上进行分析;而从系统生物学角度来看，植物表型涉及植物各个方面，其重要性已被科研人员提到“组学”的高度，表型组是基因组、转录组、蛋白质组以及代谢组等各种组学的表现形式(Cˇepletal.，2018)。林木表型组学是对树木的物理、化学和生物特征从宏观到微观的系统测量和表征，是联系树木基因型与表型的桥梁(Rincentetal.，2018)，是利用树种基因组信息全面了解其基因功能和生命活动过程的必经之路(Aitkenetal.，2016)。近年来，随着生物技术和信息技术的发展，以及各类组学研究方法的提升，已经能获得林木全基因组高密度分子标记、相关基因表达以及关键代谢物的信息。与其他各类组学相比，表型组学的理论基础和研究方法的滞后，已逐渐成为当前林木研究的一个瓶颈，严重影响了对林木重要适应与经济性状的遗传解析和品种改良的研究进程。通过监测和量化分析在器官、个体和群体等水平上不同发育阶段的动态表型变化，并结合其他各类组学研究结果，揭示林木在不同环境条件下的表型特征，真正建立一套把基因型与表型联系起来的分析技术，将有效提升我国林木遗传育种的效率和精确林业管理的能力。
林木表型测量性状涵盖个体和群体水平上的适应、生长、形态、抗逆(抗病、抗虫、抗旱、抗寒、抗盐碱等)和木材材性等性状，具体而言，适应性性状包括开花、萌芽和落叶物候等;生长性状包括胸径、地径、树高、根冠比、生物量等;形态性状包括冠形、冠幅、树冠体积、分枝角等;器官性状包括根、茎、叶片、花、果实、种子的形状、颜色、分布与数量等;生理生化性状包括叶片水分利用率、叶绿素、细胞膜透性、光合速率、蒸腾速率、气孔导度、渗透调节能力、木质素、纤维素等;以及生物和非生物胁迫及胁变等。植物表型可在不同水平(群体、个体、器官、组织、细胞和亚细胞水平)上体现(Poorteretal.，2012;Jiaoetal.，2018;Pandeyetal.，2017;张慧春等，2019;倪超等，2018)。林木表型分析有助于研究基因和环境对林业产业、森林健康和林业可持续发展的影响程度，是研究“基因-表型-环境”作用机制的重要桥梁(Nealeetal.，2008)。同时，林木表型研究的结果，将为阐明现有树种进化史，以及了解它们未来对气候与环境变化的响应与适应提供必要的工具，为树种在气候变化下分布范围的预测、森林遗传资源的保护与管理，以及科学部署主要造林树种的良种选育、配置和区划提供理论支撑和技术依据，对于加速林木遗传育种进程和促进精确林业具有重要意义(Resendeetal.，2012)。
不同的研究目的需要不同的表型方法，精确林业和良种选育都要求利用新型传感器技术对树木表型进行群体、个体和微观层面的监测(Pieruschkaetal.，2012)。对于林业工程领域，关注是否可以全面提取、综合评估树木的表型特性;对于林木遗传育种领域，关注是否可以通过表型信息挖掘与验证候选基因、提高遗传参数估计的准确性和精确性、增加树种的抗逆能力和适应性(Murantyetal.，2014)。传统的林木育种，往往通过对种源、家系和无性系等遗传单位进行多地点、多年度试验，并结合谱系等信息利用混合线性模型方法估算性状遗传力、性状间和年龄间遗传相关以及基因与环境互作等遗传参数，并基于育种值或者遗传值，利用指数选择等方法选择优良的家系、个体或者无性系，这个过程需要根据树种的育种目标、适生区和用途，协同多个单位进行多年度的遗传测定和遗传评估，耗时耗力。另一方面，许多林木分子遗传学研究，利用可控的环境条件度量生长和适应性等林木表型性状，来探索分子、细胞或组织水平上的变异，挖掘控制性状的相关基因，理清基因的调控途径，评估林木遗传特性。
与农作物不同，木本植物多为异花授粉且个体高大、达到有性生殖成熟期经历时间较长，尤其是针叶树种，往往基因组比较大，且驯化和改良时间短，所处的环境条件复杂，因此，借助现代生物科学以及其他学科的技术的进步，开展交叉和融合研究，发展新的技术和育种策略，加速育种进程，缩短育种周期，提高育种效率，已经成为世界林木育种界科学家共同努力的目标。目前，林木的基因组研究主要有2个目标:第1个目标是林木分子设计育种，通过多种技术的集成与整合，挖掘基因资源，并利用优良基因对林木个体从分子到整体(系统)不同层次进行设计和操作，对林木育种程序中的影响因素进行模拟、筛选和优化，提出符合育种目标的最佳基因，以及实现目标基因的亲本选配和后代选择策略，以提高林木育种中的预见性和育种效率，实现从传统育种到定向、高效的精确育种的转化;第2个目标是景观基因组学，利用基因组学信息，发现基因组中的适应性遗传分化与群体间的环境异质性之间的关系，理解响应气候变化和环境异质性的树种适应性进化机制，预测森林对气候变化的响应，通过选择适应当地环境和气候变化的基因，建立森林适应性管理指南，提高人工造林的效率(Nealeetal.，2011;Luetal.，2019)。这2个目标涵盖对森林遗传资源的保护、评价、挖掘和利用，其对象包括人工林和天然林，由于人工林绝大部分为单种纯林，而天然林具有较高的物种丰富度，因此，二者在树种组成、生长周期与趋势、稳定性上存在差异，使得二者在基因组和表型组研究过程中也将呈现不同的特点。近年来，林木表型组研究大量报道了森林树木应对全球变暖和极端气候的响应机制，促进了旨在破译与森林树木适应性相关复杂性状的基因组学发展(Dungeyetal.，2018)，揭示了基因型、环境与表型之间的相互作用，使得可以通过分子设计育种选育良种，并结合立地选择和森林抚育管理措施实现良种效益的最大化(Grattapagliaetal.，2018)。
现代表型技术利用传感器和图像分析来表征森林林分和树木，基于此测量得到的表型信息，是遗传和环境对林分和个体复杂影响的综合体现。目前，对于大面积的林分采用遥感或机载成像传感器采集表型数据，而对于小面积的林分或者个体采用车载或手持式成像传感器。研究林木表型信息的主要目的，在群体水平上，是分析不同地理区域的表型变异程度，揭示林木种群进化的历史及其响应未来气候变化的机制，阐明林分的发育动态和群体的地理变异模式;在基因、细胞、组织、器官、个体到林分水平上，利用多尺度的表型组学，能解释特定基因或者基因型在给定环境条件下，林木个体在生长发育过程中基因表达的时空性，以及不同林木基因型的表现型差异。高分辨率、高精度、高质量的表型数据可以更好地进行数量性状位点的准确定位和目的基因的鉴定，为林木育种和精确林业提供重要的数据支撑和有力的技术依据，是未来精确林业和智慧育种的发展趋势。
1基于个体和基于林分的林木表型技术
目前的表型技术包括基于个体和林分2个不同水平的研究。基于个体的表型技术提供扫描单个树冠和微站点地形的表征，从超高分辨率数字地形模型中提取地表的坡度、湿度、强度和太阳辐射等特征，建立与树木生长、形态、抗逆(病害)、木材品质等性状的相关。近年来，利用无人机(图1，Pontetal.，2018)和手持式激光扫描仪分析超高密度点云的方法也得到了发展，这些方法有可能刻画出树根和分枝等特征。目前，基于个体的表型研究重点是观测分析具有特殊基因的单株树木在该基因和环境共同作用下的生长发育，以便准确识别到林分中具有特殊基因型的个体，然后通过基因组学分析，鉴定基因的功能并验证，增加林木的基因资源。基于个体的表型方法，也旨在从时间和空间获得高维度表型数据基础上，进一步解析基因型、微环境和森林培育措施的相互作用，揭示不同基因型与环境互作的表型调控机制，为对林木个体的生长、发育和适应性与抗逆性育种提供新的思路。在表型研究中，基于个体的表型往往可以得到n维时间和空间的表型组学信息，因此需要大量的计算和分析。
基于林分的表型技术主要应用于森林资源调查，在整个森林水平上，得出平均树高、胸径(diameteratbreastheight，DBH)、总材积(totalstemvolume，TSV)、断面积(basalarea，BA)和蓄积量，结合林分遗传信息和土壤气候环境数据，作为表型度量的估计值(图2，Pontetal.，2018)。因此，基于林分的表型，可以有效地应用于大面积林分的生长发育表现，从而建立一套从良种选育、森林培育到高质量林分的技术体系。基于林分的表型分析，可以使林业生产单位通过选择适宜造林地点、合理配置良种和应用培育措施来最大限度地提高产量。基于个体的表型分析，将使精确林业落实到单株树木的微站点级别，这不仅有赖于高分辨率的传感器，也需要高效的分析研究技术，因此，仍需要很长一段时间才能实现。在此期间，基于林分的表型技术可以作为一种工具，在林分级别的精确林业中优化林木良种、试验地和森林培育的方案，从而实现高投入产出比的价值收益。目前，以林分调查为目的的表型研究已经广泛开展，而以选育良种为目的的高精度、高通量的表型研究仍有很多关键性技术亟待突破。
2各项传感器成像技术在林木表型上的应用
2.1传统和现代表型信息采集方法对比
传统的林木表型性状大多依赖于人工采集，劳动量大、破坏性强、精确率低，对大批量样本的生长发育测量效率较低，表型数据的质量受人工主观因素影响也较大。另外，传统的林木表型信息依赖于人工采集，如树高用测高杆、胸径用测围尺测定，叶片的长度、宽度采用游标卡尺测定(王娅丽等，2008)，叶基角用量角器测量(尚帅斌等，2015)，林果单果质量用天平称量(徐永杰等，2016)，单果种子数用肉眼清点计数(程诗明等，2006)，叶片、树皮和木材的颜色采用比色卡用肉眼确定(王秀花等，2011)，叶片厚度、气孔密度等叶片结构采用常规石蜡切片法制片测量(史刚荣等，2007)。因此，传统手工测量表型信息的方法存在着规模小、效率低、精度差、劳动量大、破坏性强、受人工主观因素影响大等问题，另外，人工测量某些表型参数如叶面积、生物量等只能在特定时间或生长阶段对林木进行破坏性测量，无法对同一株林木进行全生长期、连续性监测，而且仅能够获取胸径、树高等外部表征，难以对多种表型性状进行综合分析和研究(Campbelletal.，2018)。
近年来，在科研需求的驱动和技术方法快速发展的背景下，表型数据也从形态结构特征扩展到了发育特性、体内和体表的理化和生化特征。当前已经具备进行高精度、高通量、多生境、多维度、精准和经济的植物表型数据获取和解析的必要性和可行性(赵春江，2019)。传感器成像技术的问世，让现代表型信息采集的批量化、高效化、自动化、精确化和无损式成为可能(Tardieuetal.，2017)。用来捕捉场景的电子设备被称为成像传感器，传感器成像技术是通过光与植物之间的相互作用(如反射光子、吸收光子和透射光子)来定量地测量林木性状。植物细胞和组织的每个成分具有特定波长的吸收、反射和投射特性，例如，叶绿素主要吸收可见光的红、蓝光谱区域的光子，水主要吸收短波长，纤维素吸收光子的范围在2200～2500nm(Lietal.，2014)。健康植物与电磁辐射的相互作用(如吸收、反射、发射、传输和荧光)与受感染植物的相互作用不同。电磁辐射与植物叶片的相互作用随辐射波长的变化而变化，由于光活性色素(叶绿素、花青素和类胡萝卜素)在可见光波段具有很强的吸收能力，所以冠层的反射率较低。成像技术对于检测树木表型特性非常有效，特别是对于人肉眼无法看到的特性(Nsietal.，2016)。基于光谱反射信息的植物表型依赖于光与植物冠层相互作用(如反射、传输和吸收)后发出的光的特性。不同波长的成像被用于植物表型的不同方面。漫反射辐射的冠层光谱特征是由可见光(400～700nm)、荧光(400～500nm)、近红外(800～2500nm)、热红外(700～1000000nm)、高光谱(550～1750nm)和雷达(200～1620nm)光谱区域中每个波长的反射光强度与被照光强度的比值来描述的(Geetal.，2016;Thapaetal.，2018;Fahlgrenetal.，2015)，如表1所示。
现代表型信息采集方法突破多年来“一把尺子一杆秤”的林木表型性状获取瓶颈，可高通量、高分辨率、自动化获取表型数据信息。随着机械电子工程、计算机技术等领域与植物科学的不断协同，通过可见光相机、荧光成像仪、近红外成像仪、高光谱成像仪、热红外成像仪、激光雷达扫描仪等传感器采集的植物表型数据正逐渐涵盖林木从细胞、组织、器官、植株到群体的各个尺度，从种子到幼龄、生长、成熟和衰老的各个阶段，林木性状在不同环境下的遗传与变异，以及林木对生物和非生物胁迫的响应等信息。
2.2可见光相机
可见光图像最常见的应用是基于电荷耦合器件(chargecoupleddevice，CCD)和互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，CMOS)，它们对可见光波段(400～700nm)敏感，允许在二维空间成像，是最简单、应用最广泛的成像技术。通常，图像的原始数据以空间矩阵的形式表示，其强度值对应于可见光的红色(600～700nm)、绿色(500～600nm)和蓝色(400～500nm)光谱波段的光子通量。可见光相机通常是传统的数码相机或RGB(redgreenblue)相机，可以为植物表型提供快速经济的测量方案(Jaegeretal.，2018)。
可见光相机主要用于测量树木形态结构的各个方面，如叶面积、叶片颜色、生长发育动态、幼苗活力、种子形态、根系结构、叶片病虫害严重程度、生物量、产量、果实数量和分布等(Chénéetal.，2012)。可见光相机用于树木表型信息采集的优势是费用低、易操作、有真彩色信息，缺点是后处理繁琐、只有相对测量值、图像自动处理受限、阳光和阴影导致曝光过度或不足。
可见光相机克服了人工识别的主观性强、分辨率低、精度差、持续性短等缺陷，可以快速、自动化、无创地获取树木的几何三维信息，重建植物冠层，进行估测、分类等(Milellaetal.，2019)。美国明尼苏达大学开发的系统可利用可见光相机多个视角(通常是多个侧视图和俯视图的组合)来提取植物形态结构和颜色信息(图3)，从而判断其地上生物量和叶面积。针对表型的林木形态测量是一项基本的劳动密集型活动，利用RGB可见光相机可以有效提升工作效率，基于RGB可见光相机构建形态学参数估计的视觉系统，从林木个体的两侧分别重建其三维模型，并精确融合树干和局部地面信息，利用运动中恢复结构(structurefrommotion，SFM)的方法获取树木三维信息，由此得到树木的形态空间信息。在利用RGB可见光相机对一行树木进行图像采集后，进行图像处理时构建圆柱体对单株树木进行包围，圆柱体的半径为树干到剖切面的距离。由于树冠并非是相对树干完全对称的，因此，俯视图中，每株树都由边界框和2个直径不相同的半圆柱体组成，然后通过移除图像噪点来封闭单树的所有3D点云对每株树进行自动分割，最终得出树高、冠层体积和树干直径等表型参数(图4)(Dongetal.，2018)。
采用双可见光相机可以对实生树苗的早期生长速度评价(图5)。定期采集2种阔叶树(欧洲水青冈Fagussylvatica、刺叶栎Quercusilex)和2种针叶树(欧洲云杉Piceaabies、欧洲赤松Pinussylvestris)的RGB立体图像，并对这些图像的颜色饱和值进行对比分析，利用立体成像系统对于反射光的连续分析能够计算树木幼苗高度的增量，利用俯视采集到的树叶的绿色覆盖率对反射光的分析能够计算树木幼苗叶片的总面积和绿色度百分比。将这些参数与破坏性生物量测量值进行比较，结果表明，高度性状可用于评价针叶树的幼苗生长，而绿色度百分比可用于评价阔叶树的幼苗生长。尽管需要根据树木类型、生长阶段和光照条件进行调整，但这种新型的、廉价的、快速的、非破坏式的和可持续的表型分析方法可以用于研究由于基因组变异及与环境因素相互作用而产生的大规模表型变异(Montagnolietal.，2016)。
在受控环境(如气候箱、温室)中，植物生长过程采集的可见图像可以用来评估应激反应机制。如盐胁迫后不久，随着叶片气孔的关闭，林木生长也迅速受到抑制。在长时间的盐胁迫后，叶片的衰老可通过分离叶片的黄色和绿色区域来量化分析，颜色的变化可能与组织对累积盐的耐受性有关。在使用可见光相机采集图像时，可以在单个个体上快速准确地测量耐盐性，也可以在包括突变群体的大样本中进行测量，实现相关基因的鉴定，并筛选出耐受性好的植株。在野外天然林或人工林中，可见光图像提供了关于冠层覆盖度和冠层颜色的信息。冠层覆盖度可以通过颜色阈值的图像处理程序进行估计，利用该方法可以得到叶面积指数、叶空间分布和光截留量。其他更复杂的信息也可以通过图像分析方法从树形等信息中提取出来，如对于水分胁迫的反应等(孙道宗等，2017)。
2.3荧光成像仪
荧光成像仪的原理是通过人工激发植物光合系统来获得有关植物代谢状态的信息。将树木或含叶绿素的部分组织如叶片、芽、枝条或茎放在暗中适应片刻，然后在可见光照射下，植物绿色组织会发出随时间不断变化的微弱的暗红色强度荧光信号，叶绿素在接受激发光后发出的荧光称为叶绿素荧光。叶绿素荧光是研究光合反应的无损探针，实现了在大面积上对树木群体光合作用的连续监测，因此可应用于分析物理环境及化学条件胁迫(如CO2、O2等气体交换浓度的变化及温度、光强度胁迫等)对植物的影响。荧光成像仪还可检测遗传抗病性和不同的生物过程，如昼夜节律。同时，也可以利用叶绿素和次生代谢物发出的荧光相结合来测定树木叶片组织的健康状况，叶绿素荧光还是估计植物的光同化、非光化学淬灭等参数的便捷工具。叶绿素荧光与光合作用中各个反应过程紧密相关，逆境对光合作用各过程产生的影响都可通过植物体内叶绿素荧光诱导动力学变化反映出来，同时叶绿素荧光参数能够反映林木对光能的吸收、传递、利用与分配，更反映林木“内在性”的特点，是研究林木对环境适应性的重要手段。因此，叶绿素荧光成像被广泛应用于培育方式确定及日常管理、杀虫剂使用、品种选优、光合生理研究等方面。图6所示为利用荧光成像仪采集的三球悬铃木(Platanusorientalis)的各种叶绿素荧光参数图像(Han，2020，尚未发表)。——论文作者：边黎明1张慧春2
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