基于双光谱技术的高温紫外胁迫下小麦多糖反演模型研究
张郡赫, 于海业, 党敬民*
吉林大学生物与农业工程学院, 吉林 长春 130022
*通讯作者 e-mail: jmdang@jlu.edu.cn

作者简介: 张郡赫, 女, 1996年生, 吉林大学生物与农业工程学院博士研究生 e-mail: 448558874@qq.com

摘要

小麦是我国的主要粮食作物之一, 对国民经济发展具有显著的影响。 然而, 高温与紫外线胁迫导致其产量大幅下降。 胁迫发生时, 细胞壁内多糖物质会发生不同程度的转变。 作为此类多糖重要组成成分的果胶, 在决定细胞间孔隙度、 识别病菌、 维持结构完整等方面扮演着重要角色。 当前, 常见的果胶检测方法有重量法、 滴定法、 酸提取法等, 这些方法多为有损检测, 测定步骤繁琐, 样本损耗量大。 近年来, 光谱检测因其检测速度快、 分辨率高、 实时性强等优点, 在植物生理信息检测领域得到了广泛应用。 因此, 研究采用光谱检测果胶含量。 以济麦22为研究对象, 采取水培方式, 通过调控人工气候培养箱温度及紫外线灯辐照强度对小麦生长过程中遇到的高温及紫外线胁迫环境进行模拟; 在小麦分蘖期, 分别采集叶片高光谱数据与叶绿素荧光光谱数据, 测定叶片果胶含量, 通过小波分析方法对两种原始光谱数据进行平滑与降噪处理, 采用相关系数分析法得到两种光谱数据与果胶含量相关系数最高的重合波段(620, 651), 取该波段内两光谱数据平均值, 重塑双光谱曲线; 按照3:1比例划分训练集和验证集, 采用PLS最小二乘法分别建立高光谱反演果胶模型、 荧光光谱反演果胶模型及双光谱反演果胶模型。 结果表明: 双光谱模型反演的小麦叶片果胶含量效果较好, 对应模型的训练集与验证集相关系数分别为0.944 9及0.944 5。 该研究有助于探究逆境胁迫下小麦细胞壁内多糖物质响应情况, 并为大田作物所处胁迫环境和程度的预测及种植环境的精准管控提供参考和帮助。

关键词: 小麦; 光谱技术; 果胶; 高温胁迫; 紫外线胁迫; 模型预测
中图分类号:O433.4 文献标志码:A
Research on Inversion Model of Wheat Polysaccharide Under High Temperature and Ultraviolet Stress Based on Dual-Spectral Technique
ZHANG Jun-he, YU Hai-ye, DANG Jing-min*
College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
*Corresponding author
Abstract

Wheat is one of China's main food crops, which significantly impacts the development of the national economy. However, high temperature and UV stress led to a significant decline in its yield.When stresses occur, the polysaccharides in the cell wall will change to different degrees. As an important component of such polysaccharides, pectin plays a major role in determining intercellular porosity, identifying pathogens, and maintaining structural integrity. At present, common pectin detection methods include a gravimetric method, titration method, acid extraction method, etc. Most of these methods are damaging detection, whose determination steps are cumbersome, and the sample's loss is large. In recent years, spectral detection technology has been widely used in the field of plant physiological information detection due to its advantages of simplicity, rapidity, high resolution, and strong real-time performance. Therefore, in this study, the hyperspectral and chlorophyll fluorescence spectrum detection technology were used to determine pectin's content. Taking Ningmai 13 as the research object, the hydroponics method was adopted. The high temperature and UV stress environment was simulated during wheat growth by adjusting the temperature of the artificial climate incubator and the irradiation intensity of the UV lamp. At the tillering stage of wheat, hyperspectral data and chlorophyll fluorescence spectrum data of leaves were collected, and the pectin content in leaves was determined. The two original spectral data were smoothed and denoised by wavelet analysis. The coincidence band with the highest correlation coefficient between the two spectral data and pectin content was (620, 651) by correlation coefficient analysis. The training set and the validation set were divided in a ratio of 3:1.The hyperspectral inversion pectin model, the fluorescence spectrum inversion pectin model and the double spectrum inversion pectin model were established by the PLS least squares method. The research results show that the inversion effect of pectin content in wheat leaves by double spectrum is good. The model's correlation coefficients of the training set and verification set are 0.994 9 and 0.944 5. The conclusions of this study are helpful in explore the response of polysaccharides in the cell wall of wheat under adversity stress. They also can provide references and help for predicting the degree of stress environment of field crops and controlling the planting environment accurately.

Keyword: Wheat; Spectral technology; Pectin; High tempurature stress; Ultraviolet stress; Model predicton
引言

工业革命以来, 温室气体排放量逐年增加, IPCC《1.5 ℃增暖特别报告》明确指出全球平均温度已升高1 ℃, 且仍处于上升趋势[1]。 日均温度为15.8~27.7 ℃时, 气温每上升1 ℃, 小麦粒重会降低2.8 mg, 升温幅度越大, 粒重降幅越大[2]。 温室气体增加还会导致臭氧层变薄, 直达地表的紫外线(UVB)辐射增强, 植物体内叶绿素含量骤降, 光合速率降低, 植株生长受到抑制[3], 小麦大幅减产。 由此可见, 高温和紫外线胁迫对小麦的生长与产量有着严重影响。 但植物自身拥有强大的调节机制响应胁迫, 细胞壁作为植物细胞抵抗外界胁迫的主要防线, 会在胁迫发生时做出响应。 高温胁迫下, 细胞质液膨胀, 细胞壁破裂, 可溶性物质流失[4], 细胞壁中果胶多糖会发生不同的转变来保护细胞结构与胞内物质[5]。 紫外线胁迫下, 细胞壁结构组分代谢加速, 延展性降低, 细胞会以果胶多糖组分含量增加, 细胞壁增厚形式响应胁迫[6]。 因此, 果胶作为能够反映植物响应高温和紫外线胁迫的重要多糖物质, 可作为研究植物内部物质响应胁迫规律的重要指标。

因传统的果胶检测方法步骤繁琐、 耗时较长、 样品损耗量大, 具有简单快速、 分辨率高、 实时性强等优点的光谱检测得到了广泛应用。 研究人员通过不同的光谱检测技术、 数据处理方法及模型建立方法开展了大量的植物生理信息检测研究, 均实现了精准检测。 研究表明: 基于高光谱遥感检测技术, 将包络线去除一阶导数变换后的光谱数据与虫害胁迫下毛竹叶绿素含量值通过多元逐步回归法建立毛竹叶绿素含量反演模型, 校正决定系数为0.835[7]; 基于多光谱检测技术, 将平滑降噪后的光谱数据与小麦相对叶绿素含量SPAD通过逐步回归法构建小麦SPAD反演模型, 校正决定系数为0.77[8]; 基于近红外光谱检测技术, 将多元散射校正及二阶导数处理后的光谱数据与香菇总糖含量值通过偏最小二乘法建立香菇总糖含量反演模型, 校正集决定系数为0.940 04[9]。 为提高小麦叶片果胶含量反演精度, 本研究通过高光谱与叶绿素荧光光谱两种光谱检测, 对小麦叶片光谱信息进行测定。 在小麦分蘖期, 模拟高温与紫外线胁迫环境, 获取不同胁迫下小麦叶片果胶含量值与两种光谱数据, 建立果胶含量反演模型。 相比于单一光谱反演果胶含量模型, 两种光谱数据复合后的双光谱反演果胶含量模型效果更好, 检测精度更高, 可实现基本无损的果胶含量实时检测。

1 实验部分
1.1 实验概况及设计

实验于吉林大学生物与农业工程学院日光温室进行。 温室设有集中控制箱, 可对室内温度、 光照、 湿度等进行调控, 模拟小麦生长环境。 将济麦22作为研究对象, 于25 ℃恒温培养箱内完成小麦催芽后, 选取长势一致的幼苗移栽至配有霍格兰标准营养液的供氧型水培种植箱中, 保持每日10 h供氧。

实验中采用人工气候培养箱(RXZ-1000C)调控温度及紫外线灯(TL 20W/01 RS SLV/25 PHILIPS)辐照对高温及紫外线胁迫环境分别进行模拟, 紫外线照射强度使用紫外线辐照计测量。 实验由单一胁迫及复合胁迫两种方式构成, 两种胁迫方式均设立对照组(CK)。 胁迫水平设计如表1所示。

表1 高温及紫外线胁迫实验设计 Table 1 Experimental design of heat and UV-B stresses
1.2 数据采集与处理

统一选择分蘖数相同的小麦, 取相应植株叶面积最大的叶片进行测量。 采集的数据包括小麦叶片高光谱数据、 叶绿素荧光光谱数据及叶片果胶含量值。 (1)高光谱: 使用Analytical Spectral Devices 公司的Hand held 2便捷式地物光谱仪进行测量。 (2)荧光光谱: 采用Avantes公司的AvaSpec-2048光纤光谱仪进行测量。 (3)果胶含量: 使用南京优选生物公司研制的试剂盒进行果胶含量测定。

小麦叶片高光谱及叶绿素荧光光谱数据通过Matlab进行光谱数据预处理; 预处理后最优光谱数据采用相关系数分析法在SPSS软件中与叶片果胶含量值建立关系, 选取高相关系数特征波段; 利用TQ Analyst软件对叶片果胶含量及特征波段光谱数据分析处理, 建立果胶反演模型。

2 结果与讨论
2.1 不同胁迫条件下小麦叶片果胶含量变化

根据实验设计方案进行为期10 d的胁迫实验, 单一胁迫和复合胁迫条件下小麦叶片果胶含量变化情况如图1所示。 可以看出, 随着胁迫时间增加, U1、 U2胁迫组果胶含量呈上升趋势, UVB胁迫前期, 果胶含量与辐射强度成正相关, 与Ken Yokawa研究结果一致[10], 这是因为在增强的UVB胁迫下, 小麦会通过降低细胞内多糖酶含量、 增加果胶等多糖含量、 硬化细胞壁等方式响应胁迫。 T1U1、 T1U2胁迫组果胶含量呈先上升后下降趋势, 同许多植物经受胁迫预处理后响应方式相似, 胁迫初期细胞壁中多糖含量大幅上升响应胁迫, 胁迫后期细胞壁适应能力增强, 细胞壁各组分含量回归正常。

图1 10 d内不同胁迫条件下小麦叶片果胶含量变化
(a): 单一胁迫下果胶含量变化; (b): 复合胁迫下果胶含量变化
Fig.1 Changes of pectin content of wheat leaves under different stress factors during ten days
(a): Under single stress factor; (b): Under multiple stress factors

2.2 光谱数据预处理

在光谱数据采集中, 数据极易受到基线漂移、 噪声侵扰的影响, 为提取高精度光谱数据, 需要对原始光谱数据进行预处理。 目前, 小波分析(WA)已然是一种常态化的噪声处理方式[11, 12]。 基于Matlab算法实现光谱数据的小波分析预处理, 通过Haar小波、 Daubechies(dbN)小波与Mexican Hat小波函数对光谱原始数据进行预处理。 对比发现使用Daubechies小波基db5进行光谱数据预处理结果最优。 结果如图2所示, 原始光谱在db5小波处理下得到6层小波分解曲线图, 其中L0层为原始光谱曲线, 受噪声影响较大, 表现为不规则“ 锯齿” 形状, L1— L6层分别为降噪1~6次后的光谱曲线。 光谱曲线中高频信号随着降噪次数的增加不断被筛除, 不规则“ 锯齿” 形状逐渐减少, 曲线趋于平滑。 随着层数增加, 光谱特征增强, 当高光谱与荧光光谱曲线分别降噪到第4层与第3层时, 重塑光谱曲线不再保留原始光谱曲线局部信号, 呈过度平滑状态。 综合考虑降噪后曲线平滑度及信噪比等因素, 最优高光谱小波降噪曲线选择其降噪后的第3层, 最优荧光光谱小波降噪曲线选择其降噪后的第2层。

图2 小波降噪处理后的光谱曲线
(a): 高光谱降噪曲线; (b): 叶绿素荧光光谱降噪曲线
Fig.2 Spectral curve after wavelet denoising
(a): Hyperspectral; (b): Fluorescence spectrum

2.3 最优降噪光谱数据与果胶含量相关性分析

基于SPSS软件, 采用相关系数分析法对不同胁迫下小麦叶片的果胶含量及两种光谱数据分别进行相关性分析, 结果如图3所示。 可以看出, 高光谱全波段中, 与果胶含量相关系数大于0.46(p< 0.05)的波段有515~530、 620~651、 690~717 nm; 叶绿素荧光光谱全波段中, 与果胶含量相关系数大于0.46(p< 0.05)的波长范围为547~658 nm; 为实现同波段光谱复合, 取相关系数最高的重合波段620~651 nm内两光谱数据的平均值, 得到全新的双光谱数据。

图3 相关性分析提取特征波段
(a): 高光谱曲线特征波段; (b): 叶绿素荧光光谱特征波段
Fig.3 Characteristic wavelength extraction by correlation coefficient method
(a): Characteristic bands of hyperspectral curves; (b): Characteristic band of fluorescence spectrum curve

2.4 果胶反演模型建立

以上结果表明特征波段内的光谱数据与小麦叶片果胶含量显著相关, 因此, 通过光谱反演小麦叶片果胶含量是可行的。 共采集小麦样品54个, 去除2个异常样本后按3:1比例合理划分, 训练集样本39个, 验证集样本13个。 将小波降噪后的特征波段内光谱数据与小麦叶片果胶含量作为输入量, 利用偏最小二乘回归法PLS分别建立高光谱、 叶绿素荧光光谱及双光谱反演果胶模型。 检验反演模型中训练集和验证集样本的预测值与实际值吻合程度, 结果如表2和图4所示, 将叶片果胶含量值与经db5处理后的光谱数据通过PLS法进行建模分析后, 对比模型训练集与验证集相关系数RcRp发现, 以果胶含量值与双光谱数据为建模对象得到的果胶反演模型预测性及稳健性较好。

表2 不同建模对象反演结果 Table 2 Inversion's results of different modeling objects

图4 果胶反演模型预测值与实测值吻合程度
(a): 高光谱反演果胶模型; (b): 叶绿素荧光光谱反演果胶模型; (c): 双光谱反演果胶模型
Fig.4 Comparisons of predicted value and measured value for different pectin inversion models
(a): Hyperspectral inversion model of pectin; (b): Hyperspectral inversion model of pectin; (c): Double spectral inversion model of pectin

3 结论

基于光谱技术, 将不同程度高温及紫外线胁迫下的小麦叶片果胶含量测定值与高光谱、 叶绿素荧光光谱数据进行相关性分析, 选取特征波段重叠部分光谱数据分别建立三种果胶含量反演模型, 结果表明: (1)高光谱数据与叶绿素荧光光谱数据在620~651 nm范围内变化趋势相同, 且对小麦所处胁迫环境表征情况均表现为随着胁迫程度增强, 光谱数据值升高, 随着胁迫程度减弱, 光谱数据值下降; (2)用620~651 nm波段内高光谱数据、 叶绿素荧光光谱数据及双光谱数据分别建立小麦叶片果胶含量反演模型, 相关系数Rc分别为0.889、 0.862和0.944 9, 可见双光谱反演果胶模型的效果最好, 可为逆境下小麦叶片生理信息检测提供参考依据, 并为预测大田作物所处胁迫环境及程度和种植环境的精准管控提供参考和帮助。

参考文献
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