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多光譜熒光成像技術(shù):助力油菜健康檢測(cè),,應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)
時(shí)間:2025-02-21    作者:易科泰 點(diǎn)擊量:

  在氣候變化日益嚴(yán)峻的背景下,,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著諸多挑戰(zhàn),,油菜作為重要的農(nóng)作物之一,,其健康狀況受到廣泛關(guān)注,。近幾年,,西班牙的Mónica Pineda團(tuán)隊(duì)在利用多光譜熒光成像等技術(shù)氣候評(píng)估油菜健康的應(yīng)用研究中取得了多項(xiàng)成果,,為油菜種植的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持,。相關(guān)論文發(fā)表在Plants,、Agronomy等期刊雜志上(原文附后)。

● 氣候變化對(duì)油菜健康的挑戰(zhàn)

  氣候變化導(dǎo)致的溫度升高,、降水模式改變等因素,,對(duì)油菜的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。研究模擬了不同的代表性濃度路徑(RCP,,RCP越大,,溫度、CO2濃度越高)研究不同條件下油菜的健康狀態(tài)和病害發(fā)生差異,。

不同RCP代表的氣候條件

應(yīng)對(duì)氣候變化,,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)再添利器
  傳統(tǒng)病害檢測(cè)依賴(lài)肉眼觀察,往往錯(cuò)過(guò)最佳防控時(shí)機(jī),。而Mónica Pineda團(tuán)隊(duì)的幾項(xiàng)研究,,創(chuàng)新性地采用多光譜熒光成像技術(shù),通過(guò)捕捉葉片在紫外光激發(fā)下發(fā)出的藍(lán)(F440),、綠(F520),、紅(F680)和遠(yuǎn)紅(F740)熒光信號(hào),精準(zhǔn)識(shí)別植物生理狀態(tài)的細(xì)微變化,。

油菜健康評(píng)估:

  研究表明,,在不同的代表性濃度路徑(RCP)情景下,油菜的生理指標(biāo)發(fā)生了顯著變化,。RCP4.5下,,第25天開(kāi)始F440、F520高于對(duì)照,,葉脈尤其明顯,。但到第32天,F(xiàn)520與對(duì)照差異不明顯,。RCP8.5下,,F(xiàn)440、F520與對(duì)照有顯著差異,。F680/F740與葉綠素含量成反比,,對(duì)照處理期間無(wú)變化,處理組則有明顯升高,,但到第32天兩個(gè)處理組基本一致,。

不同氣候條件處理的油菜葉片和多光譜熒光成像結(jié)果。F440藍(lán)色熒光,;F520綠色熒光通常發(fā)生在細(xì)胞壁上,,F(xiàn)680/740與葉綠素含量成反比。

  • AI賦能:油菜黑腐病早期診斷

  研究表明,氣候變化除了會(huì)損害植物健康,,還可能加劇病原體的出現(xiàn),,早期檢測(cè)病害技術(shù)對(duì)于應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化下的病害挑戰(zhàn)至關(guān)重要。檢測(cè)傳感器技術(shù)+AI技術(shù)結(jié)合應(yīng)用,,是一種聚焦病害檢測(cè),,促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的新技術(shù)。在Mónica Pineda團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)氣候變化條件下油菜黑腐病的評(píng)估方法研究中,,結(jié)合生化方法和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù),,分析了油菜與黑腐病菌(Xanthomonas campestris pv. campestris,Xcc)的相互作用,。研究發(fā)現(xiàn),,氣候變化使Xcc癥狀提前出現(xiàn),并加劇了氧化應(yīng)激和色素組成的變化,。Xcc感染加速了氣候條件下已誘導(dǎo)的葉片衰老,。通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)算法,研究者能夠利用多光譜熒光成像等傳感器技術(shù),,早期無(wú)損識(shí)別受感染的油菜,,分類(lèi)準(zhǔn)確率超過(guò)85%。

  通過(guò)ROI選區(qū)(上圖圓圈),、使用ROI直方圖數(shù)據(jù)(多光譜熒光成像系統(tǒng)可直接導(dǎo)出該數(shù)據(jù))及其數(shù)據(jù)特征參數(shù),優(yōu)化數(shù)據(jù),,并通過(guò)4種深度學(xué)習(xí)算法,,篩選出獲得顯著體現(xiàn)病害與對(duì)照組差異的參數(shù)(p<0.05),病害識(shí)別精度均高于85%

多光譜熒光成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

  “氣候變化下,,植物與病原體的博弈正在升級(jí),。多光譜熒光成像與AI的結(jié)合,不僅是技術(shù)突破,,更是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán),。”研究負(fù)責(zé)人Mónica Pineda強(qiáng)調(diào)。該技術(shù)能夠通過(guò)捕捉油菜葉片在不同波長(zhǎng)下的熒光信號(hào),,快速,、無(wú)損地評(píng)估油菜的生理狀態(tài)。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比,,它不僅具有高靈敏度和高分辨率的特點(diǎn),,還能實(shí)現(xiàn)大面積的快速檢測(cè),為油菜種植者提供及時(shí),、準(zhǔn)確,、早期的健康信息。而通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和分類(lèi)算法,結(jié)合多光譜熒光成像技術(shù),,可以建立一種早期病害檢測(cè)評(píng)估模型,,為油菜病害的早期防治提供了有力支持。是走出實(shí)驗(yàn)室,、走向田野的重要技術(shù)手段,,將大大提高病害診斷、健康評(píng)估等效率,,從而提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,。

多維分析:紅外熱成像與高光譜成像的協(xié)同應(yīng)用

  除了多光譜熒光成像技術(shù)外,紅外熱成像和高光譜成像技術(shù)也發(fā)揮了協(xié)同作用,。在RCP情景下,,溫度升高可能是氣候變化引起蒸騰減少的結(jié)果,而高光譜成像測(cè)量的植被指數(shù)(VIs)顯著下降,,表明植物活力降低,。通過(guò)提出新的植被指數(shù),并結(jié)合紅外熱成像和高光譜成像技術(shù),,研究人員能夠更全面地評(píng)估油菜的生理狀態(tài)和健康狀況,。

不同條件下的油菜葉紅外熱成像結(jié)果(左)及西藍(lán)花葉高光譜成像獲得的植被指數(shù)(VIs)(右)

 

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參考文獻(xiàn)

[1] Pineda Mónica, and Matilde Barón. "Health status of oilseed rape plants grown under potential future climatic conditions assessed by invasive and non-invasive techniques." Agronomy 12.8 (2022): 1845.

[2] Pineda Mónica, and Matilde Barón. "Assessment of Black Rot in Oilseed Rape Grown under Climate Change Conditions Using Biochemical Methods and Computer Vision." Plants 12.6 (2023): 1322.

[3] Pineda Mónica, Matilde Barón, and María Luisa Pérez‐Bueno. "Diverse projected climate change scenarios affect the physiology of broccoli plants to different extents." Physiologia Plantarum 176.2 (2024): e14269.

 

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