Heritable variation in needle spectral reflectance of Scots pine (Pinus sylvestris L.) peaks in red edge
(Heritabilita reflektance u borovice lesní dosahuje maxima na konci viditelného spektra)
Foliar reflectance is readily used in evaluating physiological status of agricultural crops and forest stands. However, in the case of forest trees, underlying genetics of foliar spectral reflectance and pigment content have rarely been investigated. We studied a structured population of Scots pine, replicated on two sites, with the selected trees pedigree reconstructed via DNA markers. This allowed us to decompose phenotypic variance of pigment and reflectance traits into its causal genetic components, and to estimate narrow-sense heritability (h2). We found statistically significant h2 ranging from 0,07 to 0,22 for most of the established reflectance indices. Additionally, we investigated the profile of heritable variation along the reflectance curve in 1 nm wavelength (WL) bands. We show that the maximum h2 value (0,39, SE 0,13) across the 400 to 2500 nm spectral range corresponds to the red edge inflection point, in this case to 722 nm WL band. Resultant h2 distribution indicates that additive gene effects fluctuate along the reflectance curve. Furthermore, h2 of the most widely used formats of reflectance indices, i.e. the simple ratio and the normalized difference, was estimated for all WL bands combined along the observed reflectance spectrum. The highest h2 estimates for both formats were obtained by combining WL bands of the red edge spectrum. These new genetically driven pigment- and spectral reflectance- based markers (proxies of adaptive traits) may facilitate selection of stress resistant plant genotypes. Recent development of high-resolution spectral sensors carried by airborne and space-born devices make foliage spectral traits a viable technology for mass phenotyping in forest trees.
Při hodnocení fyziologického stavu zemědělských plodin a lesních porostů se používá odrazivost listů - reflektance. U lesních dřevin však byla jen zřídka zkoumána genetika spektrální reflektance v listu a obsah pigmentu. Zde jsme studovali strukturovanou populaci borovice lesní, která byla replikována na dvou lokalitách s využitím rodokmenu rekonstruovaného s pomocí DNA markerů. To nám umožnilo rozložit fenotypový rozptyl v obsahu pigmentu a reflektanci do jejích kauzálních genetických složek a odhadnout heritabilitu v užším smyslu (h2). Byla odhadnuta statisticky významná h2 v rozmezí od 0,07 do 0,22 pro většinu již zavedených reflexních indexů. Dále jsme zkoumali profil h2 podél reflektanční křivky v pásmech vlnových délek 1 nm (WL). Ukazuje se, že maximální hodnota h2 (0,39; SE 0,13) v rámci celého sledovaného pásma 400 až 2500 nm spadá na 722 nm. Výsledná distribuce h2 naznačuje, že aditivní genetický rozptyl značně kolísá podél reflektanční křivky.
Tyto nové geneticky řízené markery založené na pigmentové a spektrální odrazivosti (ukazatele adaptivních znaků) mohou usnadnit výběr genotypů rostlin rezistentních vůči stresu. Nedávný vývoj spektrálních senzorů s vysokým rozlišením jejich spojení s drony, letadly či družicemi vytváří životaschopnou technologii pro masové fenotypování v lesních porostech.