FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)應(yīng)用案例——氮素營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)估

氮素是植物重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一。傳統(tǒng)的氮素分析方法需要對(duì)葉片進(jìn)行烘干消解處理，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還要使用大量對(duì)環(huán)境有污染的化學(xué)藥品，更重要的是難以對(duì)同一植株進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，在野外大田采樣測(cè)量也非常不方便。為了更加便捷準(zhǔn)確地進(jìn)行植物/作物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)估，新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)疑是必需的。

近日，Journal of Experimental Botany在線發(fā)表浙江大學(xué)題為“Optimal temporal-spatial fluorescence techniques for phenotyping nitrogen status in oilseed rape (Brassica napus L.)”的研究論文。

浙江大學(xué)的研究人員使用了三種熒光技術(shù)——OJIP快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)、脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)和多光譜熒光成像技術(shù)獲取了不同氮素處理下油菜不同生長(zhǎng)時(shí)期以及不同葉位的熒光數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)熒光信號(hào)數(shù)據(jù)的單因素方差分析和線性判別分析，闡明了不同氮素處理的油菜葉綠素?zé)晒庑盘?hào)在不同生長(zhǎng)時(shí)期的垂直分布狀態(tài)，從而揭示氮素診斷葉位、時(shí)期與熒光信號(hào)獲取技術(shù)。本研究首先在室內(nèi)通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)展開(kāi)相關(guān)研究，后進(jìn)行了田間實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，進(jìn)而確保了結(jié)果的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性。

圖1. 左：典型樣品的RGB成像；右：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

 
葉片氮素與植物的光合能力和葉綠素含量密切相關(guān)。OJIP與脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)獲得的相關(guān)參數(shù)直接反映植物的光合能力與電子傳遞鏈的生理變化。多光譜熒光技術(shù)測(cè)量的紅色熒光RF和近紅外熒光IrF則直接反映了葉綠素含量，之前的相關(guān)研究已經(jīng)指出RF/IrF這一比率與葉綠素濃度成負(fù)相關(guān)。這就是使用這三種技術(shù)進(jìn)行氮素檢測(cè)的理論基礎(chǔ)。

圖2. 左：相關(guān)葉綠素?zé)晒鈪?shù)；右：多光譜熒光RF/IrF成像圖

 
研究結(jié)果表明，在抽薹期，底層葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm（脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)）和PI_ABS（OJIP快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)）對(duì)油菜氮素狀況較為敏感，而頂葉的RF/IrF（多光譜熒光成像技術(shù)）在苗期早期敏感。在保證結(jié)果準(zhǔn)確率的前提下，相比其他兩種技術(shù)，多光譜熒光成像技術(shù)有其*的優(yōu)勢(shì)。首先，多光譜熒光成像在葉片頂部的敏感度高且檢測(cè)的時(shí)間也早；其次，相較于其他葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，多光譜熒光成像技術(shù)不需要暗適應(yīng)，因此更適合用于田間冠層尺度的檢測(cè)。綜上，本研究推斷出多光譜熒光成像技術(shù)在油菜氮素水平的田間早期診斷中擁有較高潛力。本研究可為氮素施肥管理決策和高產(chǎn)品種選育提供理論和技術(shù)支持。

    基于這三種技術(shù)，目前有可以進(jìn)行成像測(cè)量和僅能進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量的兩類儀器。而對(duì)于類似研究來(lái)說(shuō)，成像儀器無(wú)疑是具有巨大優(yōu)勢(shì)的。本研究中脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒獬上窈投喙庾V熒光成像分析都是使用的FluorCam開(kāi)放式多光譜成像系統(tǒng)。這一系統(tǒng)是目前上*份可同時(shí)進(jìn)行脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒獬上瘛⒍喙庾V熒光成像和NDVI歸一化植被指數(shù)成像的儀器。而且其升級(jí)型號(hào)更可以增加OJIP快速葉綠素?zé)晒獬上窆δ堋Ｓ捎贠JIP快速葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)難度較大，F(xiàn)luorCam也是目前*份能進(jìn)行這一成像分析的儀器。因?yàn)闂l件限制，本研究中OJIP測(cè)量則只能使用具備這一功能的手持式葉綠素?zé)晒鈨x進(jìn)行葉片單點(diǎn)測(cè)量。

圖3. 左：FluorCam開(kāi)放式多光譜成像系統(tǒng)；中：使用FluorCam系統(tǒng)進(jìn)行的擬南芥OJIP快速葉綠素?zé)晒獬上穹治觯挥遥嚎赏瑫r(shí)進(jìn)行OJIP與脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量的FluorPen手持式葉綠素?zé)晒鈨x

 
浙江大學(xué)使用FluorCam系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)表了近10篇SCI文獻(xiàn)。而在相關(guān)氮素營(yíng)養(yǎng)研究中，Specim高光譜成像技術(shù)也是被廣泛應(yīng)用的。浙江大學(xué)之前就使用這一技術(shù)研究了胡椒總氮的空間分布。高光譜成像技術(shù)與熒光成像技術(shù)結(jié)合則可以進(jìn)行更加全面的植物營(yíng)養(yǎng)表型研究。

圖4. 左：Specim IQ智能高光譜成像儀；中：PhenoPlot輕便型光譜成像技術(shù)方案；右：浙江大學(xué)使用Specim技術(shù)進(jìn)行的胡椒總氮空間分布研究

 
參考文獻(xiàn)：

• Sun D, et al. 2020. Optimal temporal–spatial fluorescence techniques for phenotyping nitrogen status in oilseed rape. Journal of Experimental Botany, doi:10.1093/jxb/eraa372
• Yu K Q, et al. 2014. Hyperspectral Imaging for Mapping of Total Nitrogen Spatial Distribution in Pepper Plant. PLoS ONE 9(12): e116205. doi:10.1371/journal.pone.0116205

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