利用高光谱和叶绿素荧光成像技术检测小麦霜旱复合胁迫

全球气候变化引发与加剧了极端的天气事件，如干旱和霜冻，对作物的生长和生产力产生威胁。在作物生长过程中，霜冻胁迫的频率、持续时间、强度的变化，以及干旱风险高的少雨或无雨是普遍存在的问题。在地中海气候下，霜冻和干旱胁迫在作物茎伸长期间重合，导致植物从营养生长阶段迅速过渡到生殖生长阶段。这种霜旱复合胁迫严重地损害了小麦的生长发育，并导致产量损失。

植物的霜冻驯化是一个复杂的过程，涉及许多形态和生理变化，包括组织的严重脱水，这间接导致干旱胁迫。霜冻引起的脱水被认为是导致膜双分子层解体和酶活性丧失的主要因素，其导致植物生长迟缓。此外，霜冻和干旱导致的脱水进一步加剧了对粮食产量的负面影响。然而，在个别干旱胁迫下，即使膜完整性丧失，酶活性仍在继续。在这种情况下，评估酶活性可以增强我们对不可见变化的理解和预测霜旱复合胁迫的能力。

最近的研究报道了遥感和近端传感技术在评估遭受霜冻损害的作物生理生化参数变化方面的潜力。这些技术通过推导特定的光谱指数和叶绿素荧光变量来检测和评估霜冻损害。例如，叶绿素荧光成像可以评估普通小麦在冷冻后立即发生的类囊体膜损伤；利用高光谱成像技术揭示了霜冻胁迫下小麦幼苗氮平衡的初步情况；利用近红外光谱技术对小麦面筋酶促过程实时监测。可知，基于高光谱数据的回归模型在生态生理研究中具有广泛的应用价值。但依旧存在的问题是，尽管已经研究了单独的霜冻和干旱胁迫传感，却不清楚霜冻和干旱复合胁迫及其检测与感知单个胁迫有何不同。虽然可以通过酶活性确定霜冻和干旱单独或复合胁迫造成的细胞损伤，但由于缺乏稳定性，酶活性会随着环境的变化而突然变化，因此测量(分析)酶活性具有挑战性。

在小麦营养发育阶段的不同时间点，同时会发生霜旱损害。然而，可见的霜冻胁迫症状通常在几天后才会显现，这使得胁迫预测具有挑战性。尽管如此，持续评估酶活性时空变异性的能力对预测个别胁迫及其对小麦产量的影响至关重要。

本研究试图了解霜旱复合胁迫是否会引起与个别胁迫条件不同的形态和生理变化，以及早期是否可以利用高光谱和叶绿素荧光成像检测霜旱复合胁迫。为了弄清楚这些问题，研究了高光谱和叶绿素荧光成像在受控环境条件下表征小麦孕穗期霜（-4℃）和干旱（40%含水量）胁迫的个体和交互响应能力。先是从旗叶中测量了HSI全反射率(280-2500 nm)、CFI和传统反应(叶片含水量、光合作用和酶活性)，再通过建立偏最小二乘回归(PLSR)模型，探索了HSI从酶活性角度检测细胞损伤的潜力，并计算了光谱指数来表征对单个和复合胁迫的响应。结果表明，光谱指数和酶活性在确定产量损失方面表现出很强的相关性，高光谱和叶绿素荧光成像技术成功地检测了小麦霜冻和干旱的复合胁迫。

CK：对照，D：干旱，F：霜，FD：兼有霜冻和干旱。上面的带帽柱表示12个重复的±SD。

根据Tukey HSD检验，顶部条形图上方的字母表示p < 0.001时的显著差异。

图中的黑色和灰色线表示平均值、最大值和最小值，而虚线表示校准样本集及其之间的平均组成。根据Tukey HSD检验，封顶柱在重复之间显示±SD，值在p < 0.001处有显著差异。

来 源Ejaz I, Li W, Naseer M A, et al. Detection of combined frost and drought stress in wheat using hyperspectral and chlorophyll fluorescence imaging[J]. Environmental Technology & Innovation, 2023: 103051.

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陈秋

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