一种检测植物健康指数和菌核病发病指数的方法

摘要

本发明提供了一种检测植物健康指数和菌核病发病指数的方法，构建植物叶片的生理电容、生理容抗、生理感抗、生理电阻和生理阻抗随夹持力变化模型，利用上述模型的参数计算植物叶片固有生理容抗、固有生理感抗、固有生理电阻、固有生理阻抗以及叶片养分转移速率和养分主动转运能力，进而获取植物叶片代谢流及植物叶片代谢速率，最后得到植物相对代谢活力，通过与健康植株相对代谢活力相比较，判断植物的健康情况和菌核病感染情况，检测待测植株健康指数以及菌核病发病指数，实现植物健康在线、实时监测以及植物菌核病的早期预测，为植物生产管理和作物菌核病绿色高效防控和农药减量使用提供重要的技术支撑。

说明书

技术领域

本发明属于农业工程、植物保护和农作物信息检测，具体涉及一种利用植物电生理信息检测植物健康指数和菌核病发病指数的方法。

背景技术

植物的生长发育及整个生命活动如营养吸收、物质和能量代谢和信号传导等都有质子和介电电荷的传输和分离。植物生理过程中的各种变化，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、物质流、能量代谢和植物生长都与电信号直接或间接相关。叶片是植物最重要的功能器官，对光能利用、能量代谢等过程最为敏感，在植物的生长发育中起着至关举足轻重的作用。因此植物的健康状况可以从来自植物叶片的电生理信息中获知。快速、实时、在线、无损、动态定量植物的健康状况，为植物生产管理奠定了基础。

油菜是我国重要的油料作物，其种植面积占全世界种植面积的30％以上，占全国油料作物总面积的40％以上，油菜油产量占植物油生产的40～50％，居世界首位。菌核病是我国油菜、诸葛菜等作物种植中最常见和最严重的病害，严重影响着油菜、诸葛菜等作物产量和菜籽油质量。油菜整个生长期均易发生菌核病，开花期后发病状况尤其严重，能一直危害到成熟期，主要危害油菜的叶、茎、花，之后甚至会危害角果。因此，快速、准确地识别油菜、诸葛菜等作物菌核病对其高效、安全、绿色防控具有重要意义。

传统的菌核病诊断和鉴定主要有科赫式法则、农业病害图谱、分类检索及专家进行诊断等方法，这些方法往往存在流程繁琐、滞后性强、及时性差等缺点。近年来，分子生物学手段在植物病原菌的检测中得到了应用，如免疫学技术和核酸技术，但酶联免疫法(ELISA) 在植物细菌和真菌病害检测方面成功的实例较少。随后，PCR和荧光定量PCR等技术可以在病原菌侵入期和潜育期阶段进行特异性检测，准确性高。但该法仪器昂贵、成本高、耗时长、专业知识要求高，还不能广泛用于农田大范围的快速监测。此外，陈欣欢利用搭载高光谱成像仪和热红外成像仪的无人机模拟平台，分别从油菜冠层尺度和叶片尺度对健康及染菌核病病的油菜样本实现了判别分析。光谱和多光谱图像技术对油菜菌核病进行快速识别和早期诊断也被应用。赵艳茹运用多种光谱开展了核盘菌侵染油菜叶片、花瓣和茎秆组织的早期识别。但这些光谱与多光谱检测技术在菌核病检测中仍然处于探索研究阶段，且仪器昂贵，专业知识要求高，广泛用于农田大范围的快速监测仍然受到限制。

植物电信号起源于植物生命初期，并伴随着植物的整个生命活动。植物电信号与化学信号、生物信号协同调控植物的生长发育以及其对环境胁迫的适应。植物在受到胁迫时，细胞和组织的代谢活动是不稳定的，这必然导致植物电生理特性的变化。然而，植物在受到胁迫时的外表视觉症状与内在生理状态有很大的时差性，直观症状往往具有很长的滞后性。许多研究表明，植物对胁迫变化的电生理反应比其直观症状来得快，通常比症状早出现数日。此外，直观的症状只能反映植物以前的生命过程，而电生理信息可以真实实时地反映植物的生理状态。植物电生理信息的变化被认为是植物对环境变化最快的反应。电容、阻抗、电阻、容抗和感抗是植物重要的电生理信息，可以直接反应植物的生长生理信息。因此，植物电生理信息可作为植物病虫害早期识别和诊断的新指示器。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种利用植物电生理信息检测植物健康指数和菌核病发病指数的方法，填补了用生物物理指标来识别预测植物病害的空白，而且能快速、实时、在线、无损、动态监测植物的代谢活力和健康状况。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种检测植物健康指数和菌核病发病指数的方法，具体为：

依据植物叶片固有生理容抗IXC、植物叶片固有生理感抗IXL以及植物叶片养分转移速率STR，获取植物叶片单位面积养分主动转运流量UAF和植物叶片养分主动转运能力NAC；

所述

依据植物叶片固有生理电阻IR、植物叶片固有生理阻抗IZ、植物叶片固有生理容抗IXC 以及植物叶片固有生理感抗IXL，获取植物叶片代谢流MF；

所述

依据植物叶片养分转移速率STR和植物叶片养分主动转运能力NAC，获取植物叶片代谢速率MR；所述MR＝STR×NAC；

依据植物叶片代谢流MF以及植物叶片代谢速率MR，获取植物相对代谢活力MA；所述

与健康植株的相对代谢活力相比较，获得待测植株的健康指数；

以待测植株相对代谢活力的下降程度，判断待测植株菌核病感染情况，获取待测植株菌核病病情指数。

进一步的技术方案，所述植物叶片养分转移速率STR等于植物叶片胞内水分转移速率 VT，且

进一步的技术方案，所述获得待测植株的健康指数，具体为：

定义MA

更进一步的技术方案，所述待测植株菌核病病情指数SI为：

进一步的技术方案，所述IXC＝y

更进一步的技术方案，所述

更进一步的技术方案，所述IWHT＝ICP×IZ。

更进一步的技术方案，所述生理容抗、生理感抗、生理电阻、生理阻抗随夹持力变化模型分别根据不同夹持力下待测叶片的生理电容、生理电阻和生理阻抗进行构建的。

更进一步的技术方案，所述不同夹持力下待测叶片的生理电容、生理电阻和生理阻抗的测定，是待测植株和参照的健康植株基部成熟叶片进行的。

本发明的有益效果为：

本发明通过植物叶片固有生理容抗和固有生理感抗获取植物叶片单位面积养分主动转运流量，再结合植物叶片养分转移速率，获取植物叶片养分主动转运能力，继而得到植物叶片代谢速率；本发明还通过植物叶片固有生理电阻、固有生理阻抗、固有生理容抗以及固有生理感抗，获取植物叶片代谢流；基于植物叶片代谢流及植物叶片代谢速率，获取植物相对代谢活力；将植物相对代谢活力与健康植株的相对代谢活力相比较，获得待测植株的健康指数；以待测植株相对代谢活力的下降程度，判断待测植株菌核病感染情况，获取待测植株菌核病病情指数；不仅可以快速、实时、在线、无损、动态定量监测植物的健康状况以及植物菌核病的发病情况，而且还可以预测植物的长势、产量与菌核病的发病趋势，为油菜、诸葛菜等作物的克服了油菜、诸葛菜等作物生产过程菌核病预测难、防效差、产量品质下降等缺陷，为植物的生产管理以及油菜、诸葛菜等作物菌核病绿色高效防控和农药减量施用提供技术支撑。

具体实施方式

本发明的基本原理为：

植物叶片的生理电容C随夹持力F变化模型为：

其中：U为测试电压，ΔH为系统(由细胞组成的植物叶片系统)的内能，d为植物叶片的比有效厚度，F为夹持力；令

C＝x

这里x

植物叶片的生理电阻、生理阻抗、生理容抗、生理抗感抗随夹持力变化模型均可根据现有技术推到出来，在此不再赘述。植物叶片的生理电阻、生理阻抗、生理容抗、生理抗感抗随夹持力变化模型可分别表示为：

植物叶片的生理电阻随夹持力变化模型为：

其中：y

植物叶片的生理阻抗随夹持力变化模型为：

其中：y

植物叶片的生理容抗随夹持力变化模型为：

其中：y

植物叶片的生理感抗随夹持力变化模型为：

其中：y

当夹持力F＝0，则可将植物叶片固有生理电阻IR表示为：IR＝y

依据固有生理容抗IXC计算固有生理电容ICP的方法为：

由于细胞(器)是球形结构，细胞的生长和体积的增长紧密相关，同一种植物器官尤其是叶片，细胞的体积与其内的液胞体积大小成正相关，而液胞的主要成分则是水分；因此，植物细胞的电容可借用同心球形电容器的计算公式：

其中，π是圆周率，本实施例中π取3.1416；C为同心球形电容器的电容，ε为电解质的介电常数，R

(8)式中，α为常数，且对于同一植物组织和器官的同一类细胞(器)来说，α的值一定，又由于细胞(器)尤其是展开叶叶片的细胞(器)，体积与持水量成正比，也即细胞的持水量与

依据欧姆定律可知：电流I

由于养分是溶于水中的，因此，植物叶片胞内水分转移速率和植物叶片养分转移速率在概念上相同，植物叶片养分转移速率STR等于植物叶片胞内水分转移速率VT；其计算公式为：

引起生物组织感抗的蛋白质-结合蛋白质(内在蛋白质)与养分的主动运输最密切相关。因此，可定义植物叶片单位面积养分主动转运流量UAF为：

因此，植物叶片养分主动转运能力NAC为植物叶片单位面积养分主动转运流量UAF乘以植物叶片养分转移速率STR：计算植物叶片养分主动转运能力NAC方法为：NAC＝UAF×STR。

代谢能力与生物电流有关。生物电流越大，代谢越完善，因此，基于电阻的生物电流I

营养物质的主动运输与代谢速率有关。营养物质的主动运输能力越强，代表着代谢速率也大。因此，定义植物叶片代谢速率MR：MR＝STR×NAC。

依据植物叶片代谢流MF和植物叶片代谢速率MR，再定义基于电生理信息的植物相对代谢活力MA：

定义MA

实施例

供试植物：甘蓝型油菜种子，品种为宝油旱12，由贵州禾睦福种子有限公司(中国，贵阳)提供。于中国科学院地球化学研究所老所园区采集诸葛菜种子。采用蛭石与珍珠岩2：1 混合作为油菜和诸葛菜种子萌发生长基质，定期添加适量的1/2倍的霍格兰营养液。待幼苗长出3片叶时，选取生长一致的幼苗进行移植至盛有土壤的盆栽钵(口径30cm，高度24cm，底径20cm)中生长。5天浇一次水，苗期和花期各施一次适量的复合肥和有机肥。油菜生长 4周左右至具有7～8片叶(植株高度约为30～40cm)时，选择生长一致的植株进行苗期接种菌核病侵染实验。油菜和诸葛菜生长至花期时，选择生长一致的植株进行花期固有接种菌核病侵染实验。

供试病原菌：购买的核盘菌菌株首先在马铃薯(PDA)培养基上活化培养7天后，切取同一直径下的9mm菌块接种于新的PDA平板中心点培养，菌丝体朝下接触培养基。培养皿直径均为9cm，PDA均为10mL的液体培养基凝固后的平板。新培养7天的核盘菌菌块被用于接种菌核侵染实验。

接种菌核侵染实验：选取生长一致的油菜和诸葛菜植株，每株植物的基部成熟叶(第5～6 片完全展开叶)被用为接种叶，该叶片是健康生长的，无病虫害、无缺刻等。每张叶片沿中间大叶脉的左右两部叶的赤道部位作为接种点。将不同直径的核盘菌菌块接种至接种点，菌丝体朝下接触叶片，然后用相同大小的棉花浸水(或草酸溶液)后覆盖接种体进行保湿培养，植株置于恒温光照培养箱培养。实验设7个处理，分别为6mm菌块、9mm菌块、12mm菌块、9mm菌块+0.1mM草酸溶液、0.1mM草酸溶液、9mm PDA块和空白对照，每个处理3 次重复；0.1mM草酸溶液、9mm PDA块和空白对照3个处理是对照处理。其中6mm菌块、9mm菌块、12mm菌块、9mm PDA块和空白对照5个处理中保湿用的湿棉花为灭菌水浸湿， 9mm菌块+0.1mM草酸溶液和0.1mM草酸溶液2个处理中保湿用的湿棉花为0.1mM草酸浸湿。每3天定时浸湿一次保湿棉花。分别对苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片进行接种处理。接种实验在早上8:30～9:30进行，接种环境温度为20.0±2.0℃。光照温度和光照时长分别为20.0/19.0℃(白天/黑夜)和12h/12h(白天/黑夜)，光照强度为500μmol/m

将待测叶片非接种部位(靠近接种部位)夹在测定装置平行电极板之间，设置测定电压、频率，通过改变铁块的质量来设置不同的夹持力，并联模式测定不同夹持力下的植物叶片生理电容、生理电阻、生理阻抗，计算生理容抗、生理感抗；根据植物叶片生理电容计算生理容抗，

表1苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜的生理电容(C)随夹持力(F)变化模型(C-F)及参数

表2苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜的生理阻抗(Z)、生理电阻(R)、生理容抗(Xc) 和生理感抗(Xl)随夹持力(F)变化模型(Z-F、R-F、Xc-F、Xl-F)及参数

依据各模型中的参数，获取苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片固有生理电阻IR、固有生理阻抗IZ、固有生理容抗IXC和固有生理感抗IX，如表3-5。

表3接种核盘菌后苗期油菜的固有生理电阻IR、固有生理阻抗IZ、固有生理容抗IXC和固有生理感抗IX

表4接种核盘菌后花期油菜的固有生理电阻IR、固有生理阻抗IZ、固有生理容抗IXC和固有生理感抗IX

表5接种核盘菌后花期诸葛菜的固有生理电阻IR、固有生理阻抗IZ、固有生理容抗IXC和固有生理感抗IX

依据固有生理电阻IR、固有生理阻抗IZ、固有生理容抗IXC和固有生理感抗IXL，获取核盘菌侵染后苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片的胞内水分相对持水时间IWHT、养分转移速率STR、养分主动转运能力NAC、代谢流MF和代谢速率MR，如表6-8。

表6接种核盘菌后苗期油菜的胞内水分相对持水时间IWHT、养分转移速率STR、养分主动转运能力NAC、代谢流MF和代谢速率MR

表7接种核盘菌后花期油菜的胞内水分相对持水时间IWHT、养分转移速率STR、养分主动转运能力NAC、代谢流MF和代谢速率MR

表8接种核盘菌后花期诸葛菜的胞内水分相对持水时间IWHT、养分转移速率STR、养分主动转运能力NAC、代谢流MF和代谢速率MR

依据代谢流MF和代谢速率MR，获取核盘菌侵染后苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片的参照的健康植株的相对代谢活力MA

表9接种核盘菌后苗期油菜的参照的健康植株的相对代谢活力MA

表10接种核盘菌后花期油菜的参照的健康植株的相对代谢活力MA

表11接种核盘菌后花期诸葛菜的参照的健康植株的相对代谢活力MA

本发明的实施效果如下：

由表3-表5可知，0.10mM草酸、9mm PDA块和空白对照3个处理的苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片的固有阻抗、固有电阻、固有容抗和固有感抗在9天内变化不大。6mm核盘菌块、9mm核盘菌块、12mm核盘菌块和9mm核盘菌块+0.10mM草酸4个处理的苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片的固有阻抗、固有电阻、固有容抗和固有感抗在接种后急剧升高。此外，随着核盘菌接种量的增加(6mm<9mm<12mm)，苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片的固有阻抗、固有电阻、固有容抗和固有感抗升高趋势更加明显。

由表6-表8可知，0.10mM草酸、9mmPDA块和空白对照3个处理的苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片的胞内水分相对持水时间IWHT、养分转移速率STR、养分主动转运能力NAC、代谢流MF和相对代谢活力MA在9天内变化不大。6mm核盘菌块、9mm核盘菌块、12mm核盘菌块和9mm核盘菌块+0.10mM草酸4个处理的苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片的胞内水分相对持水时间IWHT、养分转移速率STR、养分主动转运能力NAC、代谢流MF和相对代谢活力MA在接种后急剧下降。此外，随着核盘菌接种量的增加(6mm< 9mm<12mm)，苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片的胞内水分相对持水时间IWHT、养分转移速率STR、养分主动转运能力NAC、代谢流MF和相对代谢活力MA下降趋势更加明显。

由表9-表11可知，0.10mM草酸、9mmPDA块和空白对照3个处理的苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜叶片的植株健康指数HI和植株菌核病病情指数SI在9天内变化不大。6mm核盘菌块、9mm核盘菌块、12mm核盘菌块和9mm核盘菌块+0.10mM草酸4个处理的苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜植株健康指数HI在接种后急剧下降，植株菌核病病情指数SI 在接种后急剧升高。此外，随着核盘菌接种量的增加(6mm<9mm<12mm)，苗期油菜、花期油菜和花期诸葛菜植株菌核病病情指数SI升高趋势更加明显，健康指数HI下降更显著。从表9-表11中还可以看出，刚接种菌块和草酸或PDA块，对即时的叶片代谢活力都有很大的影响，12mm菌块对油菜苗期的代谢活力有刺激作用。草酸单独作用不仅未降低代谢活力，而且对接种后的1-5天的诸葛菜的代谢活力有较大的刺激，这说明诸葛菜本身并不是致病因子，只有在菌核病的存在下才影响植物的代谢活力和健康。这些结果不仅很好地表征了菌核病的发生发展，也能很好地表征草酸或者草酸与菌核病互作对植物致病和健康的影响程度，实现了植物健康和菌核病实时、在线、快速的监测和预测，为更好地解析菌核病的致病过程和机理提供了基础数据和支撑。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。