我有妙招！易科泰光譜成像技術(shù)植保領(lǐng)域應(yīng)用-植物病害檢測(cè)

病害是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素之一，早期識(shí)別、發(fā)現(xiàn)病害，及早控制，有利于提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，保障食品安全，為抗病育種提供數(shù)據(jù)支持等。隨著科技發(fā)展，應(yīng)用于植物病害檢測(cè)的越來(lái)越多，其中基于圖像的光譜成像技術(shù)已十分成熟，其具有早期、無(wú)損、靈敏、高通量等特點(diǎn)，正逐漸廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)等領(lǐng)域的植物病害檢測(cè)。

易科泰在光譜成像技術(shù)領(lǐng)域深耕多年，具有全面、先進(jìn)的植物病害檢測(cè)技術(shù)方案，完備的產(chǎn)品線和技術(shù)能力，擁有成熟的葉綠素?zé)晒獬上?、高光譜成像、葉綠素?zé)晒舛喙庾V/高光譜成像、Thermo-RGB熱成像、表型成像分析平臺(tái)等全套產(chǎn)品，以下便通過(guò)幾則研究案例推薦一些病害檢測(cè)的技術(shù)方案：

案例一：葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量技術(shù)+高光譜測(cè)量技術(shù)：監(jiān)測(cè)小麥穗赤霉病

赤霉病（FHB）由多種鐮刀菌引起，該病菌通過(guò)加重小麥穗的色素沉著，破壞生理結(jié)構(gòu)，干擾光合作用過(guò)程等，影響小麥生產(chǎn)。因此，利用實(shí)時(shí)、非破壞性的方法進(jìn)行頻繁檢測(cè)，對(duì)于指導(dǎo)針對(duì)性施藥、控制病原體傳播、保障糧食生產(chǎn)十分重要。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員2023年發(fā)表在《Frontiers in Plant Science》上的一篇文章，對(duì)如何利用機(jī)器學(xué)習(xí)和多模態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別、監(jiān)測(cè)小麥穗期的鐮刀菌枯萎病（FHB）進(jìn)行了研究。

研究中利用高光譜成像技術(shù)、葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)、高通量表型平臺(tái)等，連續(xù)兩年測(cè)量，獲得了麥穗從無(wú)癥狀到有赤霉病癥狀期間的高光譜反射率（HR）、葉綠素?zé)晒獬上瘢?/span>CFI）和高通量表型（HTP）的大量數(shù)據(jù)。研究中還用到了光合儀測(cè)定凈光合速率，使用高通量表型平臺(tái)獲取表型數(shù)據(jù)等。

基于這些數(shù)據(jù)，采用Boruta方法選擇疾病敏感特征，然后通過(guò)方差膨脹因子（VIF）分析，通過(guò)ML-SFFS對(duì)選定的疾病敏感特征（SDSF）進(jìn)行部分融合，開(kāi)發(fā)了一種用于識(shí)別小麥穗赤霉病、估算病害嚴(yán)重程度的方法。結(jié)果表明，生化參數(shù)、光譜反射、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和其他表型參數(shù)在麥穗-病原體相互作用期間顯示出一致的變化。使用ML-SFFS進(jìn)行無(wú)癥狀疾病檢測(cè)的特征組合為兩種到三種，平均分類準(zhǔn)確度為87.04%，隨著疾病嚴(yán)重程度的提高，準(zhǔn)確度逐漸提高到95%。

案例二：葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)：番茄幼苗青枯病早期檢測(cè)

番茄青枯病由青枯病菌（Ralstonia solanacearum）引起，嚴(yán)重影響番茄幼苗和果實(shí)生產(chǎn)。為了有效管理和減少該病的傳播，需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)和早期檢測(cè)。在韓國(guó)全州國(guó)立大學(xué)的Kim等人發(fā)表的一項(xiàng)研究中，對(duì)溫室條件下種植的30個(gè)不同青枯病抗性的番茄品種幼苗進(jìn)行青枯病菌接種，接種采用傷口接種法（Wound）和非傷口接種法（non-Wound）。使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)照及接種幼苗接種5天后（dpi）的光合變化，以及統(tǒng)計(jì)16dpi的視覺(jué)疾病指數(shù)（DI）。

由結(jié)果可知，Fv/Fm在大多數(shù)品種中在2 dpi開(kāi)始下降，并在5 dpi達(dá)到值。16個(gè)品種在3 dpi開(kāi)始出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的病害整株，所有中度抗性和敏感品種在5 dpi顯示肉眼可見(jiàn)的性狀變化，4個(gè)抗性品種未在5dpi出現(xiàn)視覺(jué)性狀變化?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)DI和葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm可以對(duì)比篩選抗青枯病番茄品種，但Fv/Fm在出現(xiàn)視覺(jué)可見(jiàn)的癥狀之前更有效，實(shí)現(xiàn)早期檢測(cè)。

案例三：多光譜/高光譜熒光成像：甜瓜白粉病影響光合作用和次生代謝

瓜類白粉病主要是由Podosphaera xanthii引起的，是限制瓜類作物生產(chǎn)的主要因素之一。然而對(duì)于控制這一疾病的生理過(guò)程的遺傳和分子基礎(chǔ)，我們知之甚少。Scientific Reports發(fā)表過(guò)的一項(xiàng)研究針對(duì)此進(jìn)行了探究，

研究中使用RNA測(cè)序技術(shù)，通過(guò)在早期感染階段的不同時(shí)間點(diǎn)獲得的RNA樣本，鑒定了在Cucumis melo葉片上接種P. xanthii后的差異化表達(dá)基因，與未感染對(duì)照樣本進(jìn)行了比較。同時(shí)，使用FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)對(duì)甜瓜植株進(jìn)行了光合表型檢測(cè)。  

研究發(fā)現(xiàn)感染植物中參與光合作用及其相關(guān)過(guò)程的基因被上調(diào)，而參與次生代謝途徑（如苯丙素生物合成）的基因被下調(diào)。這些基因表達(dá)的變化可以通過(guò)葉綠素?zé)晒獬上窈退{(lán)綠熒光成像分析得到驗(yàn)證，成像結(jié)果證實(shí)了病原菌侵染引發(fā)的甜瓜光合作用活性的改變和酚類化合物生物合成的抑制。

參考文獻(xiàn)：

[1] Mustafa G, Zheng H, Li W, et al. Fusarium head blight monitoring in wheat ears using machine learning and multimodal data from asymptomatic to symptomatic periods[J]. Frontiers in Plant Science, 2023, 13: 1102341.

[2] Kim JiHyeon K J H, Bhandari S R, Chae SooYoung C S Y, et al. Application of maximum quantum yield, a parameter of chlorophyll fluorescence, for early determination of bacterial wilt in tomato seedlings[J]. 2019.

[3] Polonio á, Pineda M, Bautista R, et al. RNA-seq analysis and fluorescence imaging of melon powdery mildew disease reveal an orchestrated reprogramming of host physiology[J]. Scientific Reports, 2019, 9(1): 7978.