soybean seeds and their hybrid descendants using multispectral imaging and chemometric methods

利用Videometer​多光譜成像和化學(xué)計量學(xué)方法對常規(guī)抗草甘膦大豆種子及其雜交后代進(jìn)行無損鑒別
 

摘要：大豆是一種重要的產(chǎn)油和蛋白質(zhì)作物，在過去的幾十年中，大豆遺傳轉(zhuǎn)化取得了長足的進(jìn)步。盡管在田間很難區(qū)分常規(guī)和轉(zhuǎn)基因大豆種子及其雜交后代，但應(yīng)評估轉(zhuǎn)基因流發(fā)生的可能性。通過多光譜成像系統(tǒng)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法，對常規(guī)和抗草甘膦大豆種子及其雜交后代進(jìn)行非破壞性區(qū)分的可行性進(jìn)行了檢驗。應(yīng)用主成分分析（PCA）、偏最小二乘判別分析（PLSDA）、最小二乘支持向量機(jī)（LS-SVM）和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）方法對大豆種子進(jìn)行分類。目前的結(jié)果表明，常規(guī)和抗草甘膦大豆種子及其雜交后代之間的明顯差異可以很容易地可視化，并且可以實現(xiàn)出色的分類（BPNN 模型為 98%）。結(jié)論是，多光譜成像與化學(xué)計量學(xué)方法相結(jié)合將是一種高效鑒定轉(zhuǎn)基因大豆種子的有前途的技術(shù)。
 

圖1.多光譜成像系統(tǒng)的主要設(shè)置
 

圖2.來自常規(guī)（丸豆28）和抗草甘膦（DP4546RR）大豆種子及其雜交后代（DP4546RR × 丸豆 28）的多光譜圖像的平均光譜
 

在405-970nm范圍內(nèi)收集光譜，包括可見光和NIR區(qū)域的較低波長。圖2顯示了作為整個數(shù)據(jù)集的200個常規(guī)（皖豆 28）和200個抗草甘膦（DP4546RR）大豆種子及其200個雜交后代（DP4546RR × 皖豆 28）的平均光譜。顯然，除了光譜的一些細(xì)微變化外，所有光譜的總體趨勢非常相似，反映了大豆種子中數(shù)百種物理和化學(xué)成分之間的差異，由樣品的光譜帶和種子顏色表示。 VideometerLab 測量的主要是大豆種子的表面。可見范圍的差異是由于樣品在整個可見顏色光譜范圍內(nèi)的顏色特征。此外，近紅外(NIR) 區(qū)域的差異可歸因于常規(guī)和抗草甘膦大豆種子及其雜交后代之間的化學(xué)差異。圖3顯示了用于區(qū)分常規(guī)和抗草甘膦大豆種子及其雜交后代的最相關(guān)波長的圖像。由于大豆種子中的成分較多，因此很難根據(jù)化學(xué)成分確定光譜差異。此外，在可見光和近紅外范圍內(nèi)都觀察到了成分差異，可用于定性分類。這種現(xiàn)象可能有多種來源；因此，使用了多元分類模型。
 

圖3.用于區(qū)分抗草甘膦（DP4546RR，左）和常規(guī)（皖豆 28，中）大豆種子及其雜交后代（DP4546RR × 皖豆 28，右）的最相關(guān)波長的圖像
 

圖4.常規(guī)（皖豆28）和抗草甘膦（DP4546RR）大豆種子及其雜交后代（DP4546RR×皖豆28）前三個主成分的三維得分圖，光譜數(shù)據(jù)集（a），以及組合的光譜和形態(tài)特征數(shù)據(jù) 設(shè)置（b）
 

最初進(jìn)行PCA是為了檢查常規(guī)和抗草甘膦大豆種子及其雜交后代在主成分(PC)空間中的質(zhì)量差異。200個常規(guī)和200個抗草甘膦大豆種子及其200個雜交后代的所有光譜都用于PCA。圖4顯示了使用前三個評分向量的三維PC評分圖，PC1、PC2和PC3來自光譜數(shù)據(jù)以及樣本的組合光譜和形態(tài)特征數(shù)據(jù)。最初的三個因素占光譜變化的大部分（光譜數(shù)據(jù)集和組合光譜和形態(tài)特征數(shù)據(jù)集分別為 97·37 和 94·29%），用于使區(qū)分更加清晰。發(fā)現(xiàn)常規(guī)和抗草甘膦大豆種子明顯用組合的光譜和形態(tài)特征數(shù)據(jù)從三維 PCA 空間中的混合后代中分離出來。這些結(jié)果表明，區(qū)分常規(guī)和抗草甘膦大豆種子及其雜交后代是可能的，并且樣品的不同光譜屬性與樣品的特征相關(guān)。此外，一個特征加權(quán)算法（ReliefF）用于識別主要特征。結(jié)果表明，前五個主要特征是獵人 a* 和 b*、面積以及 660 和 470 nm 的光譜帶。值得一提的是，光譜帶和形狀特征在區(qū)分常規(guī)和抗草甘膦大豆種子及其雜交后代方面很重要。
 

圖5.使用PLSDA模型和光譜數(shù)據(jù)集 (a) 以及光譜和形態(tài)學(xué)的組合，繪制了常規(guī)（Wandou 28）和抗草甘膦（DP4546RR）大豆種子及其雜交后代（DP4546RR × Wandou 28）的實際與計算值圖 驗證集中的特征數(shù)據(jù)集 (b)
 

對于PLSDA，基于最小分類誤差，發(fā)現(xiàn)LV的數(shù)量為8。圖5顯示了使用PLSDA模型與光譜數(shù)據(jù)（圖5（a））以及驗證集中的組合光譜和形態(tài)特征數(shù)據(jù)（圖5（b））對大豆種子類型的預(yù)測。結(jié)果表明，PLSDA 模型結(jié)合多光譜成像獲得了足夠的信息來區(qū)分常規(guī)和抗草甘膦大豆種子及其雜交后代樣本。使用光譜數(shù)據(jù)和組合光譜和形態(tài)特征數(shù)據(jù)的預(yù)測準(zhǔn)確度的平均值分別為72%和73·33%。