用于果树冷冻害个体差异评估的太赫兹光谱监测方法技术

本发明专利技术涉及一种用于果树冷冻害个体差异评估的太赫兹光谱监测方法，属于太赫兹光谱检测应用技术领域。该方法包括：S1：以一定的时间间隔，采用太赫兹时域光谱系统在透射模式下采用扫描模式对低温胁迫下果树叶片进行扫描成像检测；S2：对太赫兹光谱信息，按时间顺序排列，得到随低温胁迫发生发展的太赫兹光谱信息变化特征规律；S3：生理生化验证果树叶片随时间变化的胁迫程度，与太赫兹光谱信息特征进行相关性分析，建立果树叶片太赫兹光谱信息特征表征不同生理生化表型的评价指标体系；S4：获取对应品种果树未知低温胁迫植株叶片的太赫兹光谱信息特征，与评价指标体系对比，多指标综合验证，给出胁迫评价级别预警。给出胁迫评价级别预警。给出胁迫评价级别预警。

【技术实现步骤摘要】
用于果树冷冻害个体差异评估的太赫兹光谱监测方法


[0001]本专利技术属于太赫兹光谱检测应用
，涉及一种用于果树冷冻害个体差异评估的太赫兹光谱监测方法。

技术介绍

[0002]冻害是指越冬作物遇到0℃以下强烈低温或剧烈变温，引起植株体冰冻而丧失一切生理活动，造成植株体部枯萎或死亡的一种农业气象灾害。冻害是果树生产的重大灾害，比如长江中下游的柑橘生产。不同的冻害级别，处理方式不同，及时评估植株受冻等级，对指导减灾增产意义重大。
[0003]当前主要的评估方式来源于气象数据。但冻害的发生，除了最低温度强度和持续时间外，还与受冻期间或之后其他气候要素(风速、空气湿度、土壤温度等)、解冻时的气象条件等有密切关系；与其自身抗寒能力有重要关系，联系着品种、树龄、树势、物候期以及土壤条件、栽培管理措施等多种因素有关。单纯从温度指标判断往往不够准确。
[0004]化学法，准确，但它们具有破坏性、耗时、劳动密集且繁琐、成本高。包括ATP酶，SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(过氧化氢酶)、POD(过氧化物酶)，丙二醛等检测。
[0005]非接触、无标记光谱检测技术提供了一个无中断的视角来监测植物在水分胁迫下的行为，已被证明信息获取更加高效，是农业传感发展的方向。遥感方法更适合于田间大范围监测，受限于分辨率，诊断植株个体水平信息敏感性不足。
[0006]寒潮来临，低温胁迫，会使细胞内水分来不及外渗，直接在细胞内形成很小的冰晶，分散在原生质中，使原生质结构受到严重破坏，细胞死亡，出现严重的冻害。太赫兹(terahertz)电磁波是频率介于0.1THz
–
10THz的一段较为特殊的电磁波段，对水具有高度的敏感性是其最基本的特性之一。太赫兹检测技术完全具有定量区分不同状态水的能力，自由水、结合水及不同结晶状态的冰在太赫兹波段的介电响应完全不同。叶片作为植株的营养器官，直接暴露于环境中，是重要的环境感受器。在水分胁迫状态下，细胞液体环境有明显的变化，叶片组织水状态在不同胁迫状态下改变不一。
[0007]此外，水在生命活动中表现出不同的结构和动力学特征，它决定生物大分子构象，并事实上参与了生物分子网络调控。从理论上来讲，叶片组织水状态还包括特异性代谢物及标记物对水环境的间接影响。可以利用太赫兹技术在无标记的条件下无损、方便地获得生物样品丰富的化学成分、物理性质及结构信息。通过检测叶片中水状态的变化来评估受灾状态直接有效。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种用于果树冷冻害个体差异评估的太赫兹光谱监测方法，采用无标记无损的太赫兹光谱监测方法，通过监测叶片不同结构水状态随时间的变化来表征冷冻害胁迫。
[0009]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0010]一种用于果树冷冻害个体差异评估的太赫兹光谱监测方法，具体包括以下步骤：
[0011]S1：以一定的时间间隔(间隔长短影响监测精度)，采用太赫兹时域光谱系统在透射模式下采用扫描模式对低温胁迫下果树叶片进行扫描成像检测(光谱&成像结果均可作为结果表达方式，信息含量不同，具有不同的检测精度)，获得太赫兹光谱信息；
[0012]S2：对步骤S1获得的太赫兹光谱信息(按不同的处理方式，得到不同的太赫兹光谱信息特征参量，包含不同的生物/物理含义)，按时间顺序排列，得到随低温胁迫发生发展的太赫兹光谱信息变化特征规律；
[0013]S3：生理生化验证(多参数，多指标)果树叶片随时间变化的胁迫程度，与太赫兹光谱信息特征进行相关性分析，建立果树叶片太赫兹光谱信息特征表征不同生理生化表型的评价指标体系(状态：冷，冻；时长：短，长；模式：持续，振荡)；
[0014]S4：获取对应品种果树未知低温胁迫植株叶片的太赫兹光谱信息特征，与步骤S3建立的太赫兹光谱评价指标体系对比，多指标综合验证(实际样与标准样信息对比反馈修订，提高指标准确度)，给出胁迫评价级别预警。
[0015]进一步，步骤S1中，获得的太赫兹光谱信息，包括：时域光谱特征和频域光谱特征；以及通过光谱特征能计算出消光系数、吸收系统和折射率等；以及基于有效介质理论计算的组成物质含量。
[0016]进一步，步骤S2具体包括以下步骤：
[0017]S21：根据步骤S1获得的太赫兹光谱信息重构叶片图像，实现叶脉水状态时空异质性可视化及叶肉水状态时空异质性可视化，具体包括：提取带有叶片结构信息的太赫兹光谱信息特征，按时间顺序组合，获得随温度变化或时间变化的太赫兹光谱信息特征变化曲线；
[0018]S22：将步骤S21的太赫兹光谱信息特征与正常生长状态植株叶片太赫兹光谱特征对比，以其作为参考零点通过相对值表示，数值变化大小、正负、趋势强弱作为特征。
[0019]进一步，步骤S3中，建立的评价指标体系，即不同的胁迫状态下，叶片组织的太赫兹光谱特征变化规律不同，具体表现为：
[0020]1)冷胁迫，叶片叶肉组织太赫兹吸收系数降低；
[0021]2)冻害胁迫，叶片叶肉组织太赫兹吸收系数升高；
[0022]3)长时间低温驯化，叶片叶肉组织太赫兹吸收系数阶梯状变化；
[0023]3)冷冻害，结合水和自由水之比都升高；冷胁迫和冻害，自由水和结合水二者占叶片体积比例不同。
[0024]本专利技术的有益效果在于：本专利技术将基于太赫兹光谱成像技术的植物水状态时空异质性监测方法用于过程识别，得到冷冻害胁迫太赫兹光谱特征基于相关性分析实现分级评价，识别冷冻害胁迫初期阶段太赫兹光谱变化特征用于早期诊断。从太赫兹光谱“表型”分析植株环境胁迫生理“表型”，具有无标记、无损、简便和特异性的特点，信息独特，适用性广，为表型诊断评估提供一种全新的途径及思路。具体包括以下有益效果：
[0025](1)本专利技术作为一种谱学方法，与化学法相比，无标记无损。
[0026](2)本专利技术基于太赫兹波，通过识别叶片水状态信息评估所在植株个体生理状态，与遥感相比，识别尺度不同，能判断个体差异。
[0027](3)本专利技术与叶绿素荧光法相比，诊断对象不一致，太赫兹检测生理表征更直接。
[0028](4)本专利技术与已存在的太赫兹植物水检测方法相比，应用对象不同，表征内涵不同。通过监测叶片不同结构水状态随时间的变化来表征冷冻害胁迫。
[0029]本专利技术研究了低温胁迫下果树太赫兹光谱信息变化规律，建立与生理生化指标的联系，对冷冻害胁迫的动态监控，精细化管理具有一定的理论和实践指导意义，展示了太赫兹技术诊断评估植物生理状态的应用前景。
[0030]冷冻害胁迫造成生理影响的基本原因是破坏了细胞水环境。利用水对太赫兹波吸收性强的特性，在成像过程中水就如同造影剂一般，叶片中含水量的细微差别，在太赫兹频段检测中就可以出现明显不同。这一方法可面向更多水分胁迫应用场景推广。
[0031]特别适合实验室驯化培育监控、抗逆品种筛选及抗逆基因修饰作物培育筛选等。
[0032]本专利技术的其他本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于果树冷冻害个体差异评估的太赫兹光谱监测方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：以一定的时间间隔，采用太赫兹时域光谱系统在透射模式下采用扫描模式对低温胁迫下果树叶片进行扫描成像检测，获得太赫兹光谱信息；S2：对步骤S1获得的太赫兹光谱信息，按时间顺序排列，得到随低温胁迫发生发展的太赫兹光谱信息变化特征规律；S3：生理生化验证果树叶片随时间变化的胁迫程度，与太赫兹光谱信息特征进行相关性分析，建立果树叶片太赫兹光谱信息特征表征不同生理生化表型的评价指标体系；S4：获取对应品种果树未知低温胁迫植株叶片的太赫兹光谱信息特征，与步骤S3建立的评价指标体系对比，多指标综合验证，给出胁迫评价级别预警。2.根据权利要求1所述的太赫兹光谱监测方法，其特征在于，步骤S1中，获得的太赫兹光谱信息，包括：时域光谱特征和频域光谱特征；以及通过光谱特征能计算出消光系数、吸收系统和折射率；以及基于有效介质理论计算的组成物质含量。3.根据权利要求1所述的太...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜识涵，臧子漪，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：