山西农业大学农学院/分子农业与生物能源研究所，晋中 030801
丙酮酸激酶(PK)是调控糖酵解途径的关键限速酶，在植物基础物质代谢等生物学过程中起着重要的作用。油莎豆(Cyperus esculentus L.)的块茎富含油脂、淀粉、糖等营养物质，是研究碳代谢及调控机制的一个理想模型。本研究基于转录组分析鉴定出7个油莎豆CePK基因，包括3个质体型CePKp(CePKpα、CePKpβ1和CePKpβ2)和4个细胞质型CePKc(CePKc1、CePKc2、 CePKc3和 CePKc4)。CePK编码的CePK蛋白均具有典型的PK和PK_C结构域，同一类型的CePK蛋白的序列长度、相对分子质量、稳定性和等电点等基本相似。CePKp为亲水蛋白，亚细胞定位预测位于叶绿体。CePKc为稳定的疏水蛋白，亚细胞定位预测位于细胞质。三级结构预测结果显示，CePK均为同源四聚体。在块茎发芽和幼苗建成时期，CePK基因的表达模式具有时空特异性，预示着CePK基因可能差异化调控块茎营养物质的代谢途径。该研究为深入解析油莎豆块茎发芽和幼苗建成的碳流通以及分配等生物学过程协同调控机制和油莎豆高产优质育种提供了新的科学依据。
油莎豆 丙酮酸激酶 块茎发芽和幼苗建成 碳流通 转录组分析 Cyperus esculentus L. pyruvate kinase tuber germination and seedling establishing carbon flux transcriptome analysis
武汉理工大学信息工程学院，湖北 武汉 438300
针对SENet的通道注意力机制特征提取单一和分割的幼苗数据集图片存在部分缺失的难点问题，设计了一种基于双通道注意力机制的残差网络。该网络融合通道注意力机制和空间注意力机制模块，可同时获得通道和空间维度特征权重，提升网络的特征学习能力。提出了一种随机擦除方法，来解决分割样本数据中目标部分缺失的难点问题。在自制的穴盘幼苗Plant_seed数据集上的实验结果表明，在ResNet34残差模块和conv*_x模块之间均引入注意力机制模块的改进网络ResNet34+CBAM_basic_conv的准确率最优，达到93.8%，同时对数据集部分图片进行随机擦除后，模型分类的错误率下降，验证了所提方法的优异性能。
图像处理 图像分类 注意力机制 残差网络 随机擦除 穴盘幼苗 激光与光电子学进展
2022, 59(22): 2210002
吉林大学生物与农业工程学院, 吉林 长春 130022
光温环境胁迫是影响作物优质高产的一个主要制约因素, 传统的作物胁迫监测, 敏锐性不足、 耗时费力且多为有损检测。 近年来随着信息技术的快速发展, 高光谱技术能够快速无损的获取作物生理信息, 并对逆境胁迫响应进行动态监测, 为现代农业的精准化生产和智能化决策提供了数字化支撑, 对实现传统农业向精准化、 数字化的现代农业转变具有重要意义。 以玉米苗期为研究对象, 获取不同光温环境下叶片的高光谱数据和生理参数, 探究玉米苗期叶片对不同光温环境的响应规律, 进行高光谱差异性分析, 并构建生理参数的高光谱反演模型。 利用相关分析法筛选光谱敏感波段, 采用多元散射校正(MSC)、 标准正态变量变换(SNV)、 Savitzky-Golaay(S-G)平滑相结合的预处理方法, 分别与偏最小二乘回归法(PLS)、 主成分回归法(PCR)、 逐步多元线性回归法(SMLR)三种建模方法组合, 以模型相关系数和均方根误差作为模型效果评价指标, 探索高光谱反演叶片生理参数模型的最优方法。 结果表明: 不同光温环境下玉米的高光谱特性在整体上变化趋势一致, 但仍存在差异, 在500~700 nm波段内, 光谱反射率的升高表明光强的增强; 在760~900 nm波段内, 光谱反射率的升高表明温度的增强; 且光温胁迫环境的变化, 均可反映在高光谱特性上, 波段760~900 nm内光谱的反射率在高温胁迫环境下较高, 在弱光胁迫环境下较低, 在低温胁迫环境下反射率显著降低; 所构建的SPAD和Fv/Fm的反演模型中, 建模最优方法为PLS-MSC-SG, 模型验证集相关系数分别为0.958和0.976, 训练集相关系数分别为0.979和0.995。 模型的预测性精度较高, 表明利用高光谱技术, 可以实现光温环境胁迫下玉米植株的定量监测, 提高田间精细化管理水平, 为玉米优质高产的智能化管理提供参考依据。
玉米苗期 光温耦合 高光谱数据 环境胁迫 Corn seedling Light-temperature coupling Hyperspectral data Environmental stress 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3545
1 云南师范大学 可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室， 云南 昆明 650500
2 云南师范大学 化学化工学院， 云南 昆明 650500
3 云南民族大学 化学与环境学院， 云南 昆明 650500
以大麦苗为碳源，采用一锅热解法成功获得碳点(CDs)，并对其硼、氮及混合掺杂体系进行了研究。该类型碳点在水溶液中表现出很强的紫外光区宽带吸收，并产生独特的近紫外光和蓝光双发射光学特性;单掺硼及硼氮共掺的CDs粉体表现出良好的固体发光特性，在蓝光区具有较强激发并产生明亮的绿光发射。将这两种CDs作为荧光粉与蓝光GaN芯片结合，制作出LED器件，表现出良好的发光性能。通过K2SiF6∶Mn4+红粉的引入可得到高效、高显色性的白光LED。
碳点 大麦苗 发光性能 LED器件 carbon dots barley seedling luminescent properties LED devices
1 曲靖师范学院物理与电子工程学院, 云南 曲靖 655011
2 云南师范大学物理与电子信息学院, 云南 昆明 650500
为了鉴别残留包衣剂农药的玉米幼苗, 使用傅里叶变换红外光谱结合主成分分析研究了玉米幼苗的根和叶片。 包衣剂包裹的玉米种子和未经过包衣剂包裹的玉米种子在相同条件下种植, 并测试它们幼苗根和叶片的红外光谱, 进行平行对照试验。 同时测试纤维素和包衣剂的红外光谱用于参考。 包衣剂包裹种子的幼苗根和叶片的红外光谱在1 384 cm-1附近出现C—H的弯曲振动吸收峰, 而未经过包衣剂包裹种子的幼苗根和叶片的红外光谱中C—H的弯曲振动特征吸收峰出现在1 375 cm-1附近。 参考纤维素和包衣剂的红外光谱, 可以确定1 384 cm-1吸收峰源自包衣剂残留的吸收。 在根的红外光谱中, 1 384 cm-1的包衣剂农药残留吸收峰尤为明显, 与1 375 cm-1的峰形对比, 较为尖锐。 随着玉米植株的生长, 根中1 384 cm-1的特征峰相对强度有减弱的趋势, 这是由于包衣剂农药残留被不断输送到植株的地上器官, 导致根中的农药残留浓度降低。 在经过包衣剂包裹种子的幼苗叶片的红外光谱中, 除了1 384 cm-1的农药残留特征峰外, 酰胺Ⅱ带的吸收峰呈现明显的肩峰, 而这一肩峰在种子没有被包衣剂包裹的幼苗叶片中未被观察到。 光谱分析显示一些农药残留的特征吸收峰被较强的纤维素吸收峰所掩盖, 而纤维素的一系列特征吸收峰又造成了光谱信息的重叠和数据冗余, 因此主成分分析被用于挖掘光谱中的特征信息。 在根的主成分1和主成分2得分图中, 含农药残留的样本和未含农药残留的样本被聚为两类, 两类样本散点没有重叠, 正确识别率为100%。 在叶片的主成分1和主成分2得分图中, 含农药残留的样本和未含农药残留的样本虽然也分为两类, 但是少量样本散点存在重叠, 正确识别率为93%。 结果表明, 傅里叶变换红外光谱结合主成分分析可以作为一种客观、 便捷的方法鉴别含有包衣剂农药残留的玉米幼苗。
傅里叶变换红外光谱 玉米幼苗 农药残留 主成分分析 种子包衣剂 Fourier transform infrared spectroscopy Maize seedling Pesticide residues Principal component analysis Seeds coating agent 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1554
1 中国气象局沈阳大气环境研究所, 辽宁 沈阳 110166
2 辽宁省农业气象灾害重点实验室, 辽宁 沈阳 110166
3 辽宁省人工影响天气办公室, 辽宁 沈阳 110166
4 辽宁省气象服务中心, 辽宁 沈阳 110166
植被的光谱特征是监测植被生长发育状态、 健康状况的基础, 探索玉米苗期干旱胁迫后的关键发育期光谱特征变化, 不仅为植被光谱数据库的建设提供理论数据, 也为植被水分胁迫高光谱识别提供理论依据。 以辽宁西部锦州生态与农业气象站大型农田土壤水分控制场为研究区, 对玉米苗期、 拔节期、 抽雄期和乳熟期4个发育期进行苗期干旱胁迫小区和水分适宜小区光谱观测, 通过分析原始光谱、 一阶导数光谱、 光谱参数和水分敏感植被指数, 对比苗期干旱胁迫光谱与同期对照的光谱特征差异性。 结果表明: (1)对于原始光谱来说, 玉米在苗期受到干旱胁迫后, 与同期水分适宜的玉米光谱特征有较为明显区别, 在可见光波段和短波红外波段反射率均高于同期对照反射率, 近红外波段明显低于同期对照反射率, 拔节期差异性最为显著, 达到了5%左右, 随着作物的生长, 差异性逐渐减弱。 (2)4个发育期玉米一阶导数光谱在可见光波段均出现双峰, 红光位置峰值在抽雄期达到最大； 苗期干旱胁迫一阶导数光谱的红光位置峰值均低于同期对照, 拔节期差异明显, 在0.003左右, 乳熟期差别明显减小, 可区分性减弱。 (3)苗期胁迫玉米光谱参数与同期对照相比, 从苗期到乳熟期, 红边位置存在“蓝移”—“红移”—“蓝移”的现象, 绿峰位置均存在向长波方向移动的现象； 在抽雄期和乳熟期, 蓝边位置、 蓝边幅值、 黄边位置和黄边幅值两者差异不明显； 在三边面积中, 红边面积均低于同期对照, 黄边面积均高于对照, 两者的蓝边面积无明显差异。 (4)在8个水分敏感植被指数中, NDWI和NDW_2的差异性指数在玉米四个关键发育期均达到50%以上, 可区分性明显。 该研究旨在为植物水分胁迫光谱库提供基础数据, 为作物干旱识别的谱段选择及高光谱波段设置提供基础依据。
玉米苗期 干旱 光谱差异 The seedling stage of maize Drought Spectral difference 光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2222
1 湖南农业大学农学院, 长沙 410128
2 水稻油菜抗病育种湖南省重点实验室, 长沙 410128
为了探究LaCl3对干旱胁迫下水稻幼苗生长及生理特性的影响, 采用15% PEG6000模拟干旱胁迫, 研究不同浓度LaCl3对干旱胁迫下水稻幼苗生物量、壮苗指数、根系形态、抗氧化系统、丙二醛含量等的影响。研究结果表明, 喷施外源LaCl3后, 干旱胁迫下水稻幼苗的各项指标呈现低促高抑的浓度效应, 其中, 1 μmol/L的LaCl3可以显著促进植株鲜重及地上部分干重; 100 μmol/L的LaCl3可以显著提高地下干重和壮苗指数、叶片和根系SOD活性、叶片CAT活性, 降低根系MDA含量。本研究为LaCl3调控水稻幼苗耐旱机制研究奠定了基础。
水稻 氯化镧 干旱胁迫 幼苗生长 生理特性 rice lanthanum chloride drought stress seedling growth physiological characteristics
1 吉林大学 工程仿生教育部重点实验室, 吉林 长春 130025
2 长春市农业机械研究院, 吉林 长春 130052
3 吉林大学 生物与农业工程学院, 吉林 长春 130022
4 吉林大学 通信工程学院, 吉林 长春 130012
5 吉林农业大学 信息技术学院, 吉林 长春 130118
针对机械移栽穴苗过程中如何有效识别出根系受损的幼苗, 进而及时进行分类、补救这一实际问题, 提出一种基于机器视觉的移栽穴苗识别方法。该方法根据机械手移栽穴苗特点, 对比检测图像土壤基质面积与基准面积; 进而通过测定土壤基质完整率, 判断样本合格与否。文中从理论和实际的角度说明了形态学图像处理方法处理穴苗移栽图像特点, 设计了机械手移栽穴苗识别在线测试系统。最后, 对基于形态学图像检测方法的机械手移栽穴苗识别技术和普通图像检测方法进行对比实验。结果表明, 本文提出的形态学检测方法对一个72孔穴盘合格检出率提高了6.6%, 不合格检出率提高了54.5%。同时, 一个穴苗的平均处理时间约为1.82 s。结果表明提出的方法可靠, 耗时较短, 能够匹配机械手移栽流水线作业时间上的要求, 并满足实时处理要求。
形态学 图像检测 机械手移栽 穴苗 morphology image detection mechanical transplanting seedling
1 北京工商大学计算机与信息工程学院, 北京100048
2 中国农业机械化科学研究院, 北京100083
为了提高近红外光谱技术快速测定番茄苗氮含量的准确度和稳健性, 比较分析竞争自适应重加权采样法(CARS)、蒙特卡罗无信息变量消除法(MCUVE)、向后间隔偏最小二乘法(BiPLS )和组合间隔偏最小二乘法(SiPLS)四种特征波长挑选方法, 筛选与番茄苗氮含量相关的特征光谱。在十种不同氮素处理水平下(尿素溶液浓度0～120 mg·L-1), 培育60株番茄苗样本(每个处理6株), 使其分别处于不同程度的过量氮素、氮素适度、缺氮素和无氮素状态。分别采集每株番茄苗样本的叶片, 扫描其12 500～3 600 cm-1波段的近红外光谱。比较四种方法所建立的番茄苗氮素定量分析模型可知: CARS和MCUVE挑选的特征变量所建定标模型的性能比BiPLS和SiPLS挑选的特征变量所建定标模型的性能更优, 但是预测性能远低于后者。其中, 基于BiPLS建立的番茄苗氮素含量预测模型性能最佳, 相关系数(r)、预测均方根误差(RMSEP)和性能对标准差之比(RDP)分别为0.952 7, 0.118 3和3.291 0。因此, 近红外光谱技术结合特征谱区筛选可以有效地提高番茄苗叶片氮素含量的定量分析模型指标, 使模型更实用化。但是, 特征波长挑选方法不具有普适性。基于单个波长变量筛选的方法所建立的模型较为敏感, 更适用于样本状态较为均匀的待测对象;而基于波长区间筛选的方法所建的模型相对抗干扰性更强, 更适用于样品状态不均匀, 重现性较差的待测对象。因此, 特征光谱筛选只有与样本状态及建模指标结合, 才能使其在建模过程中发挥更好的作用。
近红外 特征光谱 筛选方法 番茄苗 氮含量 Near-infrared spectroscopy Characteristic spectrum Selecting method Tomato seedling Nitrogen content
1 山西师范大学生命科学学院, 山西 临汾 041004
2 晋中学院生物科学与技术学院, 山西 榆次 030600
3 山西师范大学城市与环境科学学院, 山西 临汾 041004
为探讨He-Ne激光对紫外线-B(UV-B)辐射损伤修复途径，采用He-Ne激光辐照(5 mW·mm-2)进行照射，对增强UV-B(13.08 kJ·m-2·d-1)辐射下水稻幼苗的叶绿素含量、核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(rubisco)亚基含量及反映植物光系统II(PSII)的荧光参数值进行测定。结果表明，经UV-B处理后，水稻叶片中的叶绿素含量、rubisco亚基含量及荧光参数值(除qN以外)低于对照组(CK)，差异显著(P<0.05)，其中荧光参数Fv/Fm对环境胁迫反映最为敏感；而单独He-Ne激光(L)处理组均高于对照组(CK)，差异不显著(P>0.05)；经He-Ne激光和UV-B复合组(BL)均高于UV-B处理组，低于对照组，差异显著(P<0.05)；说明UV-B辐射对水稻幼苗的光合系统有损伤作用，而一定剂量的He-Ne激光可以提高水稻的光合能力，表明He-Ne激光对增强UV-B辐射造成的损伤具有一定修复作用。
生物光学 He-Ne激光 光合作用 紫外线-B 叶绿素荧光参数 水稻幼苗
