自動熒光光譜成像技術(shù)助力快速評估大豆種子質(zhì)量

瀏覽次數(shù)：1492　發(fā)布日期：2022-4-19　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

自動熒光光譜成像作為一種快速、無損和可靠地評估大豆種子質(zhì)量的創(chuàng)新方法

摘要：在農(nóng)業(yè)工業(yè)中，基于快速和非破壞性方法的光學(xué)成像技術(shù)的進(jìn)步有助于為不斷增長的人口增加糧食產(chǎn)量。本研究采用自發(fā)熒光光譜成像和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來開發(fā)不同的模型，用于對人工老化后生理質(zhì)量不同的大豆種子進(jìn)行分類。來自365/400 nm 激發(fā)-發(fā)射組合的自發(fā)熒光信號（與胚胎中的總酚類表現(xiàn)出完美的相關(guān)性）能夠有效地分離處理。此外，還可以證明自發(fā)熒光光譜數(shù)據(jù)與幾個質(zhì)量指標(biāo)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，例如早期發(fā)芽和種子對壓力條件的耐受性。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)或線性判別分析開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型在對不同質(zhì)量水平的種子進(jìn)行分類時表現(xiàn)出較高的性能（0.99 準(zhǔn)確度）�？傊覀兊难芯勘砻�，大豆種子的生理潛力隨著濃度的變化而降低，并且可能在自發(fā)熒光化合物的結(jié)構(gòu)中。此外，改變種子的自發(fā)熒光特性會影響幼苗的光合作用裝置。從實用的角度來看，基于自發(fā)熒光的成像可用于檢查大豆種子組織光學(xué)特性的變化，并始終區(qū)分高活力和低活力的種子。

發(fā)芽率隨著種子老化而降低，尤其是在播種后5天（圖1）。雖然電導(dǎo)率（種子膜完整性的間接指標(biāo)）在老化24小時和48 小時的種子中增加（圖1），但飽和鹽加速老化（SSAA）將種子分為兩組，即種子老化0和12小時與陳化24和48小時的種子。同時，傳統(tǒng)的人工老化（AA）進(jìn)一步從老化的種子中切下未老化的種子。出苗試驗無法區(qū)分種子類別（圖1）。

圖1.非老化大豆種子和老化12、24和48小時種子的發(fā)芽和活力測試

種子的平均自發(fā)熒光光譜在365至540nm（470nm除外）的激發(fā)波長下較高（圖 3a）。在365/400nm、405/500nm和630/700nm激發(fā)發(fā)射組合下有效分離未老化種子；在這些組合中，365/400 nm 提供了對種子類別最精細(xì)的區(qū)分（圖3a）。帶寬之間的最高相關(guān)系數(shù)為：1.00（515/600 nm 對 540/600 nm）、0.99（430/500 nm 對 450/500 nm；630/700 nm 對 645/700 nm）和 0.97（405/500 nm vs 430/500；645/700 nm vs 660/700 nm）（圖 3b）。

圖3.使用來自不同激發(fā)-發(fā)射組合的自發(fā)熒光光譜數(shù)據(jù)比較非老化大豆種子和老化 12、24和48小時的種子類別

使用nCDA算法，通過去除異常觀察值來轉(zhuǎn)換結(jié)合365/400nm獲得的自發(fā)熒光圖像的像素值，從而可以計算修剪后的平均值。該技術(shù)有助于消除可能影響均值的異常值的影響，從而提供更真實的圖像。使用從紅色(0)到藍(lán)色(256)的假色代碼創(chuàng)建的像素到像素映射在圖像中顯示自發(fā)熒光強(qiáng)度，其中較高的像素值表示具有較高自發(fā)熒光的組織（圖 4）。盡管所有類別都顯示出相似的 RGB 圖像，但在存在種皮的情況下捕獲圖像時存在不同的自發(fā)熒光模式（圖 4a），其中老化24和48小時的種子表現(xiàn)出最低的自發(fā)熒光信號（較低的像素值））。然而，去除種皮后，所有種子類別都呈現(xiàn)出相似的自發(fā)熒光模式，而與老化期無關(guān)（圖 4b）。在第8天的發(fā)芽試驗中，存在種皮的種子自發(fā)熒光信號越低，幼苗性能越低（圖4c）。

圖4.來自大豆種子類別的非老化種子和老化12、24和48小時種子的原始 RGB 圖像，以及在 365/400 nm 激發(fā)發(fā)射組合下捕獲的熒光圖像（灰度和 nCDA），顯示存在下的自發(fā)熒光模式（a )和缺少 (b)種皮。

自發(fā)熒光測量與種子質(zhì)量指標(biāo)之間的相關(guān)性。Pearson相關(guān)分析（圖5）顯示 365/400nm 組合與胚胎中總酚（- 1.00）之間存在完美的負(fù)相關(guān)，而 660/700 nm 組合與 SSAA 測試（1.00）之間存在完美的正相關(guān) . 其他帶寬的相關(guān)系數(shù)也很高：0.99（515/600 nm 或 540/600 nm vs 木質(zhì)素），- 0.99（630/700 nm vs 電導(dǎo)率；645/700nm vs 胚胎中的總酚），0.98 (430/500 nm vs 木質(zhì)素), 0.97 (405/500 nm vs 木質(zhì)素), - 0.97 (570/600 nm vs 葉綠素a或葉綠素 b), 0.96 (450/500 nm vs 木質(zhì)素) 和 0.95 (470/500 納米與木質(zhì)素）。