高光譜成像與葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)在生菜和玉米無損檢測中的應(yīng)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(jié)構(gòu)的能力已成為植物育種和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主要目標(biāo)，植物表型的新興研究方法在揭示植物生長、產(chǎn)量、品質(zhì)和抗各種脅迫的數(shù)量性狀方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。除了全自動(dòng)表型分析系統(tǒng)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(zhǔn)確把握各種植物性狀，例如高光譜成像與葉綠素?zé)晒獬上衤?lián)用技術(shù)（Pasquale Tripodi等，2018年）。
【案例一】利用高光譜成像與葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)檢測鮮切生菜的易腐程度
美國農(nóng)業(yè)研究所和澳大利亞高分辨率植物表型中心聯(lián)合對(duì)市場上常見的氣調(diào)保鮮包裝（Modified atmosphere packaging，MAP）中的9種生菜易腐程度進(jìn)行了研究（論文發(fā)表于Postharvest Biology and Technology期刊，2015年）。因?yàn)樯藰O易腐爛，而在腐爛早期通過肉眼檢測又很難發(fā)現(xiàn)，因此對(duì)于生菜加工產(chǎn)業(yè)和育種公司而言，一套可用于生菜新品種和育種品質(zhì)的早期腐爛檢測及其變化評(píng)估的系統(tǒng)就顯得尤為重要。
為方便閱讀和理解，編者列出了9個(gè)品種生菜的名稱和實(shí)物照片，見下。
研究人員開發(fā)了兩種生菜衰變指數(shù)（lettuce decay indices，LEDI），分別為基于三個(gè)波段高光譜成像的指數(shù)LEDI4和基于葉綠素?zé)晒獬上竦闹笖?shù)LEDICF，除了檢測生菜腐爛外，該指數(shù)還可識(shí)別受低溫凍結(jié)破壞的組織，對(duì)于紅色、深綠色、綠色、淺綠色和黃色葉子而言，兩項(xiàng)指數(shù)在新鮮/腐爛的分級(jí)評(píng)定上可達(dá)將近97%的準(zhǔn)確度。
新鮮組織和腐爛組織在反射率上的差異圖示，基于100個(gè)新鮮和腐爛樣本的高光譜成像數(shù)據(jù)
上圖左為5組生菜樣本的新鮮/腐爛可視化分級(jí)和基于LEDI4指數(shù)的高光譜分級(jí)，上圖右為2種生菜不同溫度處理后葉綠素?zé)晒獬上駡D及相應(yīng)LEDICF指數(shù)
【案例二】葉綠素?zé)晒夂透吖庾V成像無損檢測抗草甘膦型轉(zhuǎn)基因玉米莽草酸濃度
浙江大學(xué)以及農(nóng)科院的研究人員利用可見光-近紅外高光譜成像和葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)對(duì)抗草甘膦型轉(zhuǎn)基因玉米進(jìn)行了研究（Frontiers in Plant Science，2018年），對(duì)wild-type和transgenic兩種3葉期玉米幼苗分別進(jìn)行水噴灑和草甘膦噴灑實(shí)驗(yàn)，并對(duì)植物葉片內(nèi)的莽草酸濃度進(jìn)行化學(xué)方法測定，結(jié)果表明，建立在最優(yōu)波長上的偏最小二乘回歸模型有效地預(yù)測了莽草酸濃度，校準(zhǔn)組和預(yù)測組的確定系數(shù)分別達(dá)到0.79和0.82，而且，通過可視化光譜圖像預(yù)測莽草酸濃度有助于開發(fā)簡單的多光譜成像儀器用于無損表型檢測，新型的數(shù)據(jù)方法結(jié)合葉綠素?zé)晒獬上褚蔡峁┝肆钊藵M意的莽草酸濃度擬合模型。 
在草甘膦處理期間整個(gè)玉米冠層的PSII最大光量子產(chǎn)額（Fv/Fm）葉綠素?zé)晒獬上駡D，右側(cè)的顏色條表示數(shù)值范圍以及和彩圖的關(guān)系
易科泰為您提供以上無損檢測技術(shù)方案
Specim高光譜成像技術(shù)
高光譜成像是一種新的作物檢測技術(shù)，它結(jié)合了傳統(tǒng)的成像和光譜學(xué)，以同時(shí)獲得樣品的空間和光譜信息。由于功能強(qiáng)大，它已廣泛應(yīng)用于作物養(yǎng)分檢測，疾病診斷和生長狀態(tài)監(jiān)測等。Specim高光譜成像技術(shù)不僅可以檢測植物健康或者受到病害，還可以對(duì)植物病害的種類進(jìn)行鑒別、嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)、病害時(shí)期進(jìn)行判斷。
FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)
FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)是在FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)基礎(chǔ)上升級(jí)擴(kuò)展，既可用于葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像分析，又可用于長波段UV紫外光（320nm -400nm）對(duì)植物葉片激發(fā)產(chǎn)生的多光譜熒光成像測量分析。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裨缫呀?jīng)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(chǎn)生的初級(jí)及次生代謝物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于植物病害檢測，尤其是植物早期病害檢測。
Thermo-RGB紅外熱成像技術(shù)
紅外熱成像技術(shù)具有高靈敏度、非接觸式、圖像精度高、測量范圍廣和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化能夠?qū)崟r(shí)觀測的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今無損檢測研究的熱點(diǎn)。Thermo-RGB紅外熱成像技術(shù)結(jié)合了紅外熱成像技術(shù)與RGB技術(shù)，不僅可以對(duì)病害植物進(jìn)行RGB成像，還可以通過紅外熱成像檢測病害早期感染時(shí)植物表面溫度差異，揭示受到病害脅迫后氣孔異質(zhì)性開閉情況，反映作物感染病害后的早期特征。 
【案例一】利用高光譜成像與葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)檢測鮮切生菜的易腐程度
美國農(nóng)業(yè)研究所和澳大利亞高分辨率植物表型中心聯(lián)合對(duì)市場上常見的氣調(diào)保鮮包裝（Modified atmosphere packaging，MAP）中的9種生菜易腐程度進(jìn)行了研究（論文發(fā)表于Postharvest Biology and Technology期刊，2015年）。因?yàn)樯藰O易腐爛，而在腐爛早期通過肉眼檢測又很難發(fā)現(xiàn)，因此對(duì)于生菜加工產(chǎn)業(yè)和育種公司而言，一套可用于生菜新品種和育種品質(zhì)的早期腐爛檢測及其變化評(píng)估的系統(tǒng)就顯得尤為重要。
為方便閱讀和理解，編者列出了9個(gè)品種生菜的名稱和實(shí)物照片，見下。
葉綠素?zé)晒庵笖?shù)LEDICF和高光譜指數(shù)LEDI4相關(guān)關(guān)系圖
【案例二】葉綠素?zé)晒夂透吖庾V成像無損檢測抗草甘膦型轉(zhuǎn)基因玉米莽草酸濃度
浙江大學(xué)以及農(nóng)科院的研究人員利用可見光-近紅外高光譜成像和葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)對(duì)抗草甘膦型轉(zhuǎn)基因玉米進(jìn)行了研究（Frontiers in Plant Science，2018年），對(duì)wild-type和transgenic兩種3葉期玉米幼苗分別進(jìn)行水噴灑和草甘膦噴灑實(shí)驗(yàn)，并對(duì)植物葉片內(nèi)的莽草酸濃度進(jìn)行化學(xué)方法測定，結(jié)果表明，建立在最優(yōu)波長上的偏最小二乘回歸模型有效地預(yù)測了莽草酸濃度，校準(zhǔn)組和預(yù)測組的確定系數(shù)分別達(dá)到0.79和0.82，而且，通過可視化光譜圖像預(yù)測莽草酸濃度有助于開發(fā)簡單的多光譜成像儀器用于無損表型檢測，新型的數(shù)據(jù)方法結(jié)合葉綠素?zé)晒獬上褚蔡峁┝肆钊藵M意的莽草酸濃度擬合模型。
基于葉綠素?zé)晒獬上窈透吖庾V成像的玉米葉片莽草酸流程確定圖
上圖左為可見光下玉米葉片隨時(shí)間變化；上圖右為利用高光譜所做的可視化分級(jí)，顏色條從藍(lán)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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Specim高光譜成像技術(shù)
高光譜成像是一種新的作物檢測技術(shù)，它結(jié)合了傳統(tǒng)的成像和光譜學(xué)，以同時(shí)獲得樣品的空間和光譜信息。由于功能強(qiáng)大，它已廣泛應(yīng)用于作物養(yǎng)分檢測，疾病診斷和生長狀態(tài)監(jiān)測等。Specim高光譜成像技術(shù)不僅可以檢測植物健康或者受到病害，還可以對(duì)植物病害的種類進(jìn)行鑒別、嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)、病害時(shí)期進(jìn)行判斷。
FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)
FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)是在FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)基礎(chǔ)上升級(jí)擴(kuò)展，既可用于葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像分析，又可用于長波段UV紫外光（320nm -400nm）對(duì)植物葉片激發(fā)產(chǎn)生的多光譜熒光成像測量分析。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裨缫呀?jīng)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(chǎn)生的初級(jí)及次生代謝物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于植物病害檢測，尤其是植物早期病害檢測。
Thermo-RGB紅外熱成像技術(shù)
紅外熱成像技術(shù)具有高靈敏度、非接觸式、圖像精度高、測量范圍廣和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化能夠?qū)崟r(shí)觀測的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今無損檢測研究的熱點(diǎn)。Thermo-RGB紅外熱成像技術(shù)結(jié)合了紅外熱成像技術(shù)與RGB技術(shù)，不僅可以對(duì)病害植物進(jìn)行RGB成像，還可以通過紅外熱成像檢測病害早期感染時(shí)植物表面溫度差異，揭示受到病害脅迫后氣孔異質(zhì)性開閉情況，反映作物感染病害后的早期特征。
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