【中國(guó)綠色時(shí)報(bào)】林木表型組學(xué)，智慧林業(yè)的前沿探索

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林木表型組學(xué)是研究林木表型的一門新興的生物學(xué)學(xué)科。表型組是指某一生物的全部性狀特征。表型組學(xué)是一門在基因水平上系統(tǒng)研究某一生物或細(xì)胞在各種不同環(huán)境條件下所有表型的學(xué)科。這一學(xué)科強(qiáng)調(diào)基因、時(shí)間和環(huán)境因素之間的互動(dòng)，并且關(guān)注表型的多維度和多樣性。

　　林木表型組學(xué)，就是研究樹木的所有外在特征的學(xué)科。就像人有不同的身高、發(fā)色，樹木也有不同的高度、枝條形狀等特征。這個(gè)學(xué)科通過觀察樹木在不同環(huán)境下的這些特征，來理解它們是怎樣生長(zhǎng)、如何適應(yīng)環(huán)境的。例如，研究一棵松樹在干旱和濕潤(rùn)環(huán)境下，冠層和樹形是如何變化的，這對(duì)于選擇更適合特定環(huán)境的品種、提高林木的生長(zhǎng)質(zhì)量都很有幫助。簡(jiǎn)單來說，林木表型組學(xué)就像是研究樹木的“體檢報(bào)告”，能幫助我們更好地了解和利用森林資源。

　　技術(shù)革新將林業(yè)帶入“精準(zhǔn)”行業(yè)

　　隨著林草大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域技術(shù)革新，未來林業(yè)聚焦三大熱點(diǎn)方向，其中新一代林木育種技術(shù)研究和“智慧林業(yè)”應(yīng)用研究，這兩大方向都離不開表型組學(xué)的應(yīng)用。中國(guó)林科院亞熱帶林業(yè)研究所近年來持續(xù)推動(dòng)新興學(xué)科發(fā)展，在“十四五”規(guī)劃中，將智慧林業(yè)發(fā)展列為四大重點(diǎn)工程之一，其中表型組學(xué)扮演著關(guān)鍵角色。

　　近日，亞林所林木種質(zhì)資源研究團(tuán)隊(duì)利用高通量遙感無人機(jī)，精準(zhǔn)估算了濕地松育種群體單株樹高、林冠面積及其葉綠素含量，為林木育種培育領(lǐng)域大樹生長(zhǎng)和生理性狀測(cè)定提供了機(jī)器換人、高效規(guī)范的解決方案。研究成果發(fā)表在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)核心技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際期刊《精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)》上，這標(biāo)志著林業(yè)也進(jìn)入“精準(zhǔn)”行業(yè)。

　　林木種質(zhì)資源研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人欒啟福研究員說，團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事亞熱帶主要用材和生態(tài)樹種資源收集、評(píng)價(jià)及其新種質(zhì)創(chuàng)建和良種的推廣工作，幾十年來營(yíng)建試驗(yàn)示范林近萬畝。種質(zhì)調(diào)查和評(píng)價(jià)是最核心的工作，也是最棘手的工作，特別是大量樹高10—20米、漫山遍野的濕地松等重要工業(yè)原料試驗(yàn)示范林的生長(zhǎng)生理評(píng)價(jià)長(zhǎng)期滯后，影響到各項(xiàng)試驗(yàn)研究、良種選育的進(jìn)程。團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于無人機(jī)的濕地松生長(zhǎng)生理評(píng)價(jià)技術(shù)，為解決這個(gè)問題提供了新的途徑。

　　林木表型組學(xué)發(fā)展加快林木育種進(jìn)程

　　為提升數(shù)據(jù)處理的效率和精確度，亞林所林木種質(zhì)資源研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了如林木光譜提取工具(ExtSpecR)和新抽梢智能計(jì)算工具(CountShoots)等軟件。通過改進(jìn)的輕量級(jí)實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)(YOLOX)模型和濕地松抽梢計(jì)數(shù)網(wǎng)絡(luò)(SPSC-net)模型，突破了單樹形態(tài)及光譜數(shù)據(jù)提取的技術(shù)難題，為林木育種效率的提升和表型—基因型關(guān)聯(lián)分析提供了有力的工具。這些研究成果不僅在《植物表型組學(xué)》等表型組學(xué)領(lǐng)域的主流期刊上發(fā)表了多篇SCI論文，還受到了國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注和肯定。

　　團(tuán)隊(duì)成員李彥杰副研究員表示，植物表型組學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)顯示出顯著的應(yīng)用價(jià)值。目前，多種室內(nèi)外表型平臺(tái)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。這些平臺(tái)顯著提高了作物表型特征的測(cè)量效率和準(zhǔn)確度，為理解植物對(duì)特定環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制提供了重要的研究工具。然而，專門用于林木的室內(nèi)外表型平臺(tái)，尤其是服務(wù)于林木遺傳育種的平臺(tái)相對(duì)較少。林木表型組學(xué)是一個(gè)充滿潛力的領(lǐng)域，是加快林木育種進(jìn)程、縮短育種周期的強(qiáng)大工具，團(tuán)隊(duì)在這些前沿科技上的探索和突破充分體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)在林木表型組學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位和創(chuàng)新能力。

　　交叉融合推動(dòng)數(shù)字化林業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

　　亞林所自1964年成立以來，一直致力于生態(tài)保護(hù)、森林資源培育和經(jīng)濟(jì)林領(lǐng)域的科學(xué)研究。在過去的60年里，亞林所在傳統(tǒng)林業(yè)育種和林木資源管理方面取得了顯著的成效。隨著科技不斷發(fā)展，亞林所正積極推進(jìn)高新技術(shù)與林業(yè)研究的深度融合，尤其在表型組學(xué)領(lǐng)域，以促進(jìn)林業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

　　近日，隨著亞林所建所60周年系列學(xué)術(shù)活動(dòng)之 “聚焦林木表型組學(xué)，共話智慧林業(yè)發(fā)展”首屆林木表型組學(xué)前沿論壇的舉辦，亞林所在推動(dòng)林業(yè)科技創(chuàng)新和智慧林業(yè)管理方面邁出了重要一步。論壇上，來自國(guó)內(nèi)多所科研院校的專家學(xué)者交流了林木三維表型技術(shù)、氣候變化下的林木表型研究、高光譜遙感檢測(cè)、林木病害監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域的最新研究成果，探討了林木經(jīng)營(yíng)管理與信息技術(shù)的新理論和方法，為林業(yè)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了新思路和動(dòng)力。

　　未來，亞林所林木種質(zhì)資源研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聚焦智慧林業(yè)學(xué)科發(fā)展，特別是林木表型組學(xué)領(lǐng)域。深化林木種質(zhì)資源研究，通過集成遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)和信息科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)，提升林木表型特征的測(cè)量和分析能力。同時(shí)，致力于開發(fā)智能化林業(yè)管理系統(tǒng)，加快林業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐。在生態(tài)保護(hù)、森林資源培育和經(jīng)濟(jì)林等領(lǐng)域開展更多應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為國(guó)內(nèi)林業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新提供科學(xué)支持。

　　(中國(guó)綠色時(shí)報(bào) 作者 李彥杰 楊瑩瑩 2024.02.26 4版)