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高光譜成像與葉綠素熒光成像技術在生菜和玉米無損檢測中的應用

高光譜成像與葉綠素熒光成像技術在生菜和玉米無損檢測中的應用


近年來,通過無損檢測方法高精度地提高研究植物功能和結構的能力已成為植物育種和精準農業的主要目標,植物表型的新興研究方法在揭示植物生長、產量、品質和抗各種脅迫的數量性狀方面發揮著關鍵作用。除了全自動表型分析系統之外,其它一些成本可接受的高通量研究方案可以幫助研究人員更準確把握各種植物性狀,例如高光譜成像與葉綠素熒光成像聯用技術(Pasquale Tripodi等,2018年)。

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【案例一】利用高光譜成像與葉綠素熒光成像技術檢測鮮切生菜的易腐程度

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美國農業研究所和澳大利亞高分辨率植物表型中心聯合對市場上常見的氣調保鮮包裝(Modified atmosphere packaging,MAP)中的9種生菜易腐程度進行了研究(論文發表于Postharvest Biology and Technology期刊,2015年)。因為生菜極易腐爛,而在腐爛早期通過肉眼檢測又很難發現,因此對于生菜加工產業和育種公司而言,一套可用于生菜新品種和育種品質的早期腐爛檢測及其變化評估的系統就顯得尤為重要。

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為方便閱讀和理解,編者列出了9個品種生菜的名稱和實物照片,見下。

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研究人員開發了兩種生菜衰變指數(lettuce decay indices,LEDI),分別為基于三個波段高光譜成像的指數LEDI4和基于葉綠素熒光成像的指數LEDICF,除了檢測生菜腐爛外,該指數還可識別受低溫凍結破壞的組織,對于紅色、深綠色、綠色、淺綠色和黃色葉子而言,兩項指數在新鮮/腐爛的分級評定上可達將近97%的準確度。

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新鮮組織和腐爛組織在反射率上的差異圖示,基于100個新鮮和腐爛樣本的高光譜成像數據

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上圖左為5組生菜樣本的新鮮/腐爛可視化分級和基于LEDI4指數的高光譜分級,上圖右為2種生菜不同溫度處理后葉綠素熒光成像圖及相應LEDICF指數

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葉綠素熒光指數LEDICF和高光譜指數LEDI4相關關系圖

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【案例二】葉綠素熒光和高光譜成像無損檢測抗草甘膦型轉基因玉米莽草酸濃度

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浙江大學以及農科院的研究人員利用可見光-近紅外高光譜成像和葉綠素熒光成像技術對抗草甘膦型轉基因玉米進行了研究(Frontiers in Plant Science,2018年),對wild-type和transgenic兩種3葉期玉米幼苗分別進行水噴灑和草甘膦噴灑實驗,并對植物葉片內的莽草酸濃度進行化學方法測定,結果表明,建立在最優波長上的偏最小二乘回歸模型有效地預測了莽草酸濃度,校準組和預測組的確定系數分別達到0.79和0.82,而且,通過可視化光譜圖像預測莽草酸濃度有助于開發簡單的多光譜成像儀器用于無損表型檢測,新型的數據方法結合葉綠素熒光成像也提供了令人滿意的莽草酸濃度擬合模型。

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基于葉綠素熒光成像和高光譜成像的玉米葉片莽草酸流程確定圖

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上圖左為可見光下玉米葉片隨時間變化;上圖右為利用高光譜所做的可視化分級,顏色條從藍到紅表示莽草酸濃度增加程度

注:WT代表wild-type,TG代表transgenic,control為水噴灑處理,treat為草甘膦噴灑處理

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在草甘膦處理期間整個玉米冠層的PSII最大光量子產額(Fv/Fm)葉綠素熒光成像圖,右側的顏色條表示數值范圍以及和彩圖的關系

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易科泰為您提供以上無損檢測技術方案

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Specim高光譜成像技術

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高光譜成像是一種新的作物檢測技術,它結合了傳統的成像和光譜學,以同時獲得樣品的空間和光譜信息。由于功能強大,它已廣泛應用于作物養分檢測,疾病診斷和生長狀態監測等。Specim高光譜成像技術不僅可以檢測植物健康或者受到病害,還可以對植物病害的種類進行鑒別、嚴重程度進行分級、病害時期進行判斷。

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FluorCam多光譜熒光成像技術

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FluorCam多光譜熒光成像技術是在FluorCam葉綠素熒光成像技術基礎上升級擴展,既可用于葉綠素熒光動態成像分析,又可用于長波段UV紫外光(320nm -400nm)對植物葉片激發產生的多光譜熒光成像測量分析。FluorCam葉綠素熒光成像早已經成為檢測植物生物與非生物脅迫的重要儀器。FluorCam多光譜熒光成像可以檢測植物產生的初級及次生代謝物質,廣泛應用于植物病害檢測,尤其是植物早期病害檢測。

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Thermo-RGB紅外熱成像技術

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紅外熱成像技術具有高靈敏度、非接觸式、圖像精度高、測量范圍廣和易于實現自動化能夠實時觀測的優點,是當今無損檢測研究的熱點。Thermo-RGB紅外熱成像技術結合了紅外熱成像技術與RGB技術,不僅可以對病害植物進行RGB成像,還可以通過紅外熱成像檢測病害早期感染時植物表面溫度差異,揭示受到病害脅迫后氣孔異質性開閉情況,反映作物感染病害后的早期特征。

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