基于光学成像技术的柑橘黄龙病快速检测方法研究

发布时间：2020-04-28 22:13

【摘要】：黄龙病(Huanglongbing,HLB)是柑橘最具有毁灭性的病害,传染性极强,然而却尚无有效根治的方法。染病植株会经历一段从几个月到几年不等的潜伏期后才会显现典型的黄龙病症状,而处于潜伏期未显症的染病植株会继续充当传染源的角色,导致柑橘黄龙病在果园中进一步的传播。另一方面,宿主对病原菌侵染的响应会因生长环境条件、树龄、长势和品种的差异而不同,从而加大了黄龙病检测的难度。因此,及早发现并挖除病树是目前最有效的控制策略。光学成像技术作为一种先进的植物病害检测方法,具有快速、操作简单、无损等优点,在植物病害高通量检测中具有重要的应用前景。因此,本实验以柑橘为研究对象,采集不同季节、果园以及染病程度条件下柑橘叶片高光谱图像和叶绿素荧光图像,并测量淀粉、蔗糖、葡萄糖和果糖含量,探索基于光学成像技术的柑橘黄龙病快速检测方法研究,分析季节变化、果园以及染病程度差异等因素对宿主生理代谢、光合作用和柑橘黄龙病检测效果的影响。本研究的内容和结论如下:首先,研究了不同季节、果园以及染病程度条件下柑橘叶片糖代谢的动态变化规律。病原菌的侵染导致叶片在未显症时期就出现了糖代谢异常,并且成熟叶片中的碳水化合物的累积程度大于新叶(嫩叶),其中蔗糖和葡萄糖对HLB的响应速度大于淀粉。虽然缺铁和黄龙病侵染均会引起叶片黄化,但是两者对柑橘叶片碳水化合物代谢的影响呈相反的趋势。其次,探究了黄龙病对柑橘叶片光谱反射率的影响。病原菌的侵染引发染病叶片韧皮部堵塞,碳水化合物异常累积,进而影响叶片的光学组织特性。在可见光区域,染病和缺素叶片的反射率均升高;在近红外区域,染病叶片的反射率上升,而缺素叶片则降低;利用特征波段选择算法493、515、665、716和739nm五个波段的图谱信息与可作为不同季节、果园以及染病程度条件下HLB的光谱“指纹”特征。进一步将特征波段反射率、特征波段图像纹理特征以及对应的第二主成分图像的纹理特征进行融合,建立最小二乘支持向量机(Least squares-support vector machine,LS-SVM)判别模型。模型对染病程度较严重的果园1和较轻的果园2柑橘叶片黄龙病的总体识别正确率分别为91.6%和89%。最后,采用模型传递的方法实现了利用温州蜜柑建立的判别模型对i*柑黄龙病的检测,得到了 93.5%的总体识别正确率。再次,分析了宿主在光合作用水平上对黄龙病病原菌的响应。黄龙病的侵染导致未显症柑橘叶片的光合作用系统就受到了不可逆的损伤,引起最小荧光产量Fo上升,PSII的最大光量子效率Fv/Fm值下降及PSII中有活性的光反应中心数量减少(Fv/Fo值下降)。同时,病原菌影响了叶片对光能的分配,降低了宿主将吸收光能转化为光化学反应(ΦPSⅡ)的能力,激发能转换成不可调制荧光淬灭(ΦNO)的比例上升。最后,分析了采用叶绿素荧光成像技术对不同季节、果园以及染病程度条件下柑橘黄龙病的识别效果。结果表明,测量程序L4获得的53个叶绿素荧光参数构建的LS-SVM判别模型对染病程度较为严重的果园1中不同月份的柑橘黄龙病的总体识别正确率均能大于95%;而对处于潜伏期果园2,除了健康和染病叶片长势差异较小的5月和9月,在其他月份的识别正确率均大于89%。最后,融合高光谱成像和叶绿素荧光成像技术,建立了稳健的柑橘黄龙病诊断模型。可见-近红外高光谱图像和叶绿素荧光图像分别提供代谢生理和光合作用的信息。因此,融合两种信息有望获得更加全面的柑橘黄龙病病理特征,增强对柑橘黄龙病的表征能力。结果表明,融合五个特征波段(493nm、515nm、665nm、716nm和739 nm)的反射率和测量程序L2获得的29个叶绿素荧光参数构建的LS-SVM判别模型能够降低漏判率(果园2中5月和9月的漏判率分别减少了 11.6%和17.6%),缩短单个样本的检测时间(减少了 56.7%),减少模型的输入参数(减少了 35.8%)。对染病程度较大的果园1和较低的果园2整个实验周期的总体识别正确率分别为96.7%和89.5%,优于单独使用基于特征波段光谱反射率(果园1和果园2分别为85.9%和79.4%)或者测量程序L2获得的叶绿素荧光参数(果园1和果园2分别为95.5%和84.6%),说明融合高光谱成像和叶绿素荧光成像技术能够实现不同季节、果园以及染病程度的柑橘黄龙病的检测,降低了季节变动、果园以及染病程度差异等因素对柑橘黄龙病判别模型预测性能的影响。
【图文】：

叶绿素,电子,质体蓝素,铁硫蛋白

从反应中心上解离，将电子交给细胞色素复合体电子和质子在ｃｊｖｈ／以Ｑ逡逑循环的形式进行。其中的一个电子以线性电子传递的形式通过质体蓝素逡逑（Ｐｌａｓｔｏｃｙａｎｉｎ，ＰＣ）向ＰＳ丨转移，另一个则环形的途径进行（图１－３虚线所示）。传逡逑到ＰＳ丨的电子首先被电子受体（Ｊｇ）接收，接着叶绿醒（山），电子经过一系列膜结逡逑合铁硫蛋白的传递后，到达Ｆｄ，再传递给ＦＮＲ，，最后将ＮＡＤＰ＋还原成ＮＡＤＰＨ。叶逡逑绿体类囊体膜上的电子传递链是否正常持续进行直接影响着能量在荧光、热能以及逡逑光化学反应三种途径中的分配比例。逡逑７逡逑

中电子,光合作用,方案,方式

逡逑图１－２叶绿素吸收的光和发射的光。（ａ）为能级图，叶绿素分子吸收光子后从基态变逡逑成激发态。（ｂ）为叶绿素的吸收光谱和荧光光谱逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｌｉｇｈｔ邋ａｂｓｏｒｂｅｄ邋ａｎｄ邋ｅｍｉｔｔｅｄ邋ｂｙ邋ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ，邋（ａ）邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｌｅｖｅｌ邋ｄｉａｇｒａｍ，邋ａｎｄ逡逑ｔｈｅ邋ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅ邋ｃｈａｎｇｅｓ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋ｇｒｏｕｎｄ邋ｓｔａｔｅ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｅｘｃｉｔｅｄ邋ｓｔａｔｅｓ邋ａｆｔｅｒ邋ｔａｋｉｎｇ逡逑ｐｈｏｔｏｎｓ，邋（ｂ）邋ｔｈｅ邋ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｏｆ邋ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ逡逑叶绿素分子（Ｐ６８０＊）被络氨酸（Ｙｚ）重新还原，并得到来自水中的１个电子。在光逡逑反应中心ＩＩ邋（ＰＳＩＩ）的还原侧，电子从脱镁叶绿素（Ｐｈｅｏ）向初级电子受体＾转移，逡逑两个电子转移到，使其还原成并结合两个质子，产生ＰＱＨ２。紧接着ＰＱＨ２逡逑从反应中心上解离，将电子交给细胞色素复合体电子和质子在ｃｊｖｈ／以Ｑ逡逑循环的形式进行。其中的一个电子以线性电子传递的形式通过质体蓝素逡逑（Ｐｌａｓｔｏｃｙａｎｉｎ，ＰＣ）向ＰＳ丨转移，另一个则环形的途径进行（图１－３虚线所示）。传逡逑到ＰＳ丨的电子首先被电子受体（Ｊｇ）接收
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S436.66

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