uv - b辐射对近红外光谱和识别的影响柄锈菌striiformisf . sp。tritici

文摘

基于近红外光谱的三个生理的种族柄锈菌striiformisf . sp。tritici(即。,CYR31,CYR32,和CYR33) irradiated under four UV-B intensities (i.e., 0, 150, 200, and 250 μw /厘米²),uv - b辐射对近红外光谱的影响及病原体的光谱区4000 - 10000厘米⁻¹和支持向量机模型建立识别uv - b辐射强度和生理种族,分别。结果表明,uv - b辐射治疗下的光谱曲线表现出很大的差异与相应的控制治疗(0μw /厘米²5300 - 5600厘米)的光谱区域⁻¹和7000 - 7400厘米⁻¹和吸光度值的所有三个生理比赛增强的uv - b辐射强度增加。基于近红外光谱,不同的uv - b辐射强度可以识别和不同生理种族区别彼此精度高。结果证明了该方法的实用性和稳定性确定生理比赛。

1。介绍

小麦条锈病所致柄锈菌striiformisf . sp。tritici(太平洋标准时间)是一个重要的真菌疾病。在中国,这种疾病影响小麦产量每年不同程度。通常,这种疾病造成的产量损失范围从10%到30%。如果发生严重的爆发疾病,严重的产量损失高达50%甚至100%可能会引起1]。小麦条锈病是一种典型的空气传播的疾病,它主要依赖于夏孢子的长距离传播完成疾病周期。但太平洋标准时间夏孢子对紫外线(UV)辐射敏感,水分、温度、和其他外部环境条件(1]。因此,环境变化可以在很大程度上影响小麦条锈病的发生和发展1]。由于人类活动,加剧了大气臭氧损耗导致到达地球表面的紫外线辐射的增加,然后增强紫外线辐射会影响植物病原体、宿主植物和植物疾病(2]。目前,紫外线辐射被认为是一个重要的环境因素,会影响发展和植物病害流行3,4]。因此,加强研究紫外辐射对植物病原体和疾病的影响是至关重要的可持续控制植物病害和粮食安全。

在全球气候变化的背景下,普遍的注意力已经被吸引到农作物和植物病原体的紫外线辐射的影响。紫外线辐射的影响研究生理学、生物化学、植物的增长,发展表明,紫外线辐射会影响作物光合作用[5- - - - - -7),调节二次代谢物(8,9),形态结构(10),等等。紫外线辐射会影响孢子萌发、芽管伸长,菌丝的生长,和病原体的生存3,11- - - - - -14]。几项研究的影响紫外线辐射对小麦条锈病和因果代理进行。京et al。15)报道,紫外线辐射可能会改变的致病性太平洋标准时间小麦条锈病,延长潜伏期,减少感染类型,uredinium长度、孢子形成数量,和疾病严重程度,缩短孢子形成时期。七个毒性突变株被获得太平洋标准时间孢子,暴露在紫外线辐射(16]。紫外线辐射可能导致一些基因组DNA的变化太平洋标准时间和野生型之间有显著差异DNA多态性太平洋标准时间紫外线照射后获得的菌株和毒性突变株(17,18]。上述研究表明,紫外线辐射可能影响太平洋标准时间并可能导致一些变化太平洋标准时间特征。在先前的研究中,近红外光谱(NIRS)应用于确定小麦条锈病病原体和小麦叶锈病菌(P。reconditaf . sp。tritici),识别精度高了(19]。然而,随着外部环境因素,紫外线辐射是否会影响近红外(NIR)光谱特征太平洋标准时间以及是否可以进一步影响的识别太平洋标准时间还不知道。因此,为了检测小麦条锈病的病原生物学指标和确定的生理种族太平洋标准时间,急需开展的研究影响紫外线辐射近红外光谱学和识别的性能Pst。因此,这将提供的基础和支持病原体监测和小麦条锈病的流行预测。

作为一种无污染和非破坏性技术,检测技术可以实现定量分析和定性分析的样品快速、准确,现在它已广泛应用于食品、化工、医药、农业、石油工业和其他相关领域(20.- - - - - -22]。近年来,研究植物病害的检测基于检测技术逐渐增加。冯et al。23)实现快速和早期无损检测大豆pod炭疽病使用可见/近红外光谱技术结合连续投影算法(SPA)和最小二乘支持向量机(二)。陈等人。24]估计疾病严重程度的抗黄萎病棉花叶子上使用可见/近红外光谱和所有多个反演模型建立评估疾病严重程度达到最好的显著水平。吴et al。25)建造了一个反向传播(BP)模型对茄子叶片灰霉病的早期检测使用可见/近红外光谱技术和正确的率为88%。使用检测技术结合判别偏最小二乘(dpl),李et al。26)开发了一种方法来区分小麦条锈病和小麦叶锈病,和这两个重大疾病的早期诊断对小麦可以通过使用该方法。然而,还没有报告关于近红外光谱和紫外辐射的影响的识别Pst。

在这项研究中,三个当前主要的种族(即。,CYR31,CYR32,和CYR33) of wheat stripe rust pathogen were irradiated under different UV-B intensities (i.e., 0, 150, 200, and 250 w /厘米²)和uv - b辐射对近红外光谱的影响和识别太平洋标准时间被调查。uv - b强度模型和识别太平洋标准时间种族识别模型使用uv - b照射后检测技术结合支持向量机(SVM)。

2。材料

三个主要生理比赛包括CYR31、CYR32 CYR33在中国被用于这项研究。Mingxian 169年小麦品种容易受到所有已知的生理种族太平洋标准时间被选为主持人品种小麦条锈病病菌繁殖。比赛增多在实验室人工气候室的植物病害流行病学、中国农业大学植物病理学系。

小麦种植如下:首先,Mingxian 169的种子在无菌水浸泡24小时,然后被播种在锅(直径10厘米)约20每锅种子;随后,壶是孵化的人工气候室在11 - 13°C和60 - 70%相对湿度(RH) 12 h每天光(10000勒克斯)。

作为第一个小麦幼苗的叶子完全展开,人工喷雾接种太平洋标准时间进行了。病菌孢子储存在液氮容器取出,在温水中被激活的40°C 5分钟,然后在4°C 12 h水化。提高接种效率,在叶表面蜡被摩擦表面用手指蘸在接种无菌水。孢子悬液用0.2% 80年渐变,然后喷在小麦幼苗的叶子用小洒。小麦幼苗立即放入湿室在黑暗条件下在11 - 13°C 24 h。然后接种小麦苗孵化在上述条件下的人工气候室。15天后,uredinia开始出现在接种幼苗的叶子。以确保有足够的病原孢子进行进一步实验,110罐的小麦幼苗被用来繁殖的孢子生理种族,分别。减少实验误差引起的多个集合,每个种族的足够的孢子收集在峰值期间只有一次疾病的进展,然后被保留在三个不同的玻璃管在4°C以下干燥实验。

3所示。方法

3.1。uv - b辐射的小麦条锈病病原体

紫外线辐射是由三个30 W紫外线灯(波长范围:290 - 320海里;最大发射波长:313海里)(北京照明研究所,北京,中国),安装在一个密封的盒子。不同的uv - b辐射强度是通过调整灯之间的距离和实验材料。uv - b辐射测量使用uv - b辐射297米(它可以测量波长范围:275 - 330海里;可以测量峰值波长:297海里;灵敏度:0.1w /厘米²)(北京师范大学光电仪器厂,北京)。在这项研究中,三个当前主要的生理种族太平洋标准时间辐照60分钟在四个不同的uv - b辐射强度(即。0,150,200,250w /厘米²),分别。然后NIR光谱辐照孢子收集每个生理的竞赛。获取uv - b强度(150、200和250w /厘米²),紫外线灯之间的距离和病原孢子是14日,10.5,分别和7厘米。

3.2。收购的近红外光谱

后三个当前主要的比赛太平洋标准时间辐照不同uv - b强度下,近红外光谱的采集太平洋标准时间是由使用FT-NIR MPA光谱仪(力量、德国)。虽然近红外光谱采集,30样品每个生理种族每个uv - b辐射治疗。所以120光谱收集在四个不同的uv - b辐射强度为每一个生理种族,因此360光谱。积分球的光谱漫反射系数方法用于收集太平洋标准时间。测量光谱范围是4000 - 12000厘米⁻¹,光谱分辨率设置为8厘米⁻¹,扫描过程的数量是32。在扫描之前,40毫克小麦条锈病夏孢子被置于一个样品杯(直径4毫米)。闷的孢子样品杯应该保持在相同的一致性,以减少实验误差造成的不同的紧张。对于每个生理种族,平均每个uv - b辐射治疗的30光谱进行,然后四个光谱得到如图1。同样的,对于每一个紫外线辐射治疗,平均30每个生理进行了种族和三个光谱的光谱被获得,如图2。在数据1和2一定程度的噪音可以从光谱中观察到的。减少噪声的干扰,光谱在4000 - 10000厘米⁻¹被用来建立识别模型和uv - b强度太平洋标准时间生理种族识别模型。

3.3。建立识别模型和uv - b强度太平洋标准时间生理种族识别模型

支持向量机良好的泛化能力是一种模式识别方法基于VC维理论和结构风险最小化原则27]。在这项研究中,支持向量机模式识别和uv - b辐射强度太平洋标准时间种族建立了识别采用LIBSVM林智仁集团开发的包从台湾28]。完全,四个uv - b强度识别模型和五个种族识别模型建立了在这个研究。建立强度识别模型,为个人比赛,20光谱被随机选择30光谱强度的uv - b处理建立训练集包括80光谱,和其他被视为测试设备包括40光谱;生理种族混合的三个种族,训练集240年成立谱随机选择从紫外线辐射治疗(60光谱/治疗)和其余120光谱被视为测试集。建立种族识别模型,为个体紫外线强度、20光谱被随机选择30每个种族的光谱建立训练集包括60光谱,和其他被视为测试设备包括30光谱;混合治疗四uv - b辐射强度,训练集240年成立谱随机选择从不同种族的光谱(80光谱/竞赛)和其余120光谱被视为测试集。在光谱区域4000 - 10000厘米⁻¹径向基函数(RBF),最好是可以处理复杂的非线性数据作为支持向量机的核函数建立识别模型。利用网格搜索算法,最优惩罚参数和最优核函数参数搜索在搜索范围2⁻¹⁰2¹⁰每个模型的搜索步骤1。分类精度计算在网格内的所有点的值和被选为最优参数作为训练集的分类精度是最高的。然后识别模型被用来确定uv - b辐射强度和太平洋标准时间分别为生理的种族。

4所示。结果

4.1。近红外光谱的变化太平洋标准时间紫外线照射后

如图1,同样的生理的种族太平洋标准时间、近红外光谱特征在很大程度上受紫外线辐射的影响。吸光度值相同的生理的种族太平洋标准时间uv - b辐射强度的增加而增加。如图2(一个),光谱之间的差异的三个生理种族没有紫外线辐射(紫外线强度= 0w /厘米²)相对较小,差异可能源于生理种族之间的差异太平洋标准时间。数据2 (b),2 (c),2 (d)显示有很大的差异在光谱范围5300 - 5600厘米⁻¹和7000 - 7400厘米⁻¹光谱之间的三个生理种族在uv - b辐射(紫外线强度= 150、200和250w /厘米²)和相应的生理种族的光谱图所示2(一个)。和uv - b辐射强度的增加而增强的差别。

4.2。基于svm识别不同的uv - b强度治疗的结果

为每一个生理的种族太平洋标准时间,支持向量机模型建立了识别不同的uv - b辐射强度。的搜索结果参数和当强度识别精度最高的是表所示1(模型1、模型2和模型3)。为建立的支持向量机模型来识别不同的uv - b辐射强度的光谱三种不同生理种族混合在一起,搜索结果的参数和被显示在表1(4)模型。对不同生理种族(CYR31, CYR32、CYR33和混合生理与三个种族的种族),不同的uv - b辐射强度的识别结果见表2。

如表所示1(1)模型和表2CYR31,什么时候和,uv - b辐射强度的80个样本训练集都是正确地识别和整体识别的正确率是100.00%;然而,整个测试集的识别精度为97.50%,有一个识别错误当uv - b强度是0w /厘米²。如表所示1(模型2)和表2CYR32,什么时候和80样本训练集和测试集40个样本都是正确地识别,和整体识别准确性的训练集和测试集的都是100.00%。如表所示1(3)模型和表2CYR33,什么时候和,80个样本训练集的正确识别和相应的整体识别的正确率是100.00%;然而,整个测试集的识别精度为87.50%,有两个和三个识别错误的uv - b强度下150年和200年w /厘米²,分别。如表所示1(4)模型和表2,240年建立支持向量机模型与光谱作为训练集,120光谱作为测试集,当和240样品的四个uv - b辐射强度的训练集都是正确地识别和整体uv - b强度识别准确率为100.00%;然而,整个uv - b强度测试集的识别精度为95.83%,还有四个识别错误和一个识别错误的uv - b强度下200w /厘米²(CYR33)和250年w /厘米²分别(CYR31)。结果表明,近红外光谱特征影响较大的uv - b辐射后三个生理种族太平洋标准时间辐照在四个不同的uv - b强度和不同的uv - b强度可以被识别的建立支持向量机模型与令人满意的精度。

4.3。基于svm识别的三个生理比赛的结果太平洋标准时间

对于每个uv - b辐射强度,建立了支持向量机模型来识别不同生理种族的太平洋标准时间。的搜索结果参数和当模型的种族识别精度最高的是表所示3模型(模型5,6,7,8)和模型。基于混合模型对待四uv - b辐射强度参数的搜索结果和被显示在表3(9)模型。对于不同的uv - b辐射强度(即。0,150,200,250w /厘米²和混合治疗四uv - b辐射强度),识别的结果太平洋标准时间被显示在表4。

如表所示3(5)模型和表4为0w /厘米²治疗,当和的样本中三个生理训练集和测试集都正确识别,因此整个种族识别准确性的训练集和测试集的都是100.00%。表3(模型6,7,8)模型和表4显示,使用支持向量机模型,建立三个生理种族太平洋标准时间每个uv - b辐射的强度(150、200、或250w /厘米²)仍然可以识别具有良好的精度。当使用模型6日和150年,w /厘米²治疗,60中三个生理样本训练集都是正确地识别和训练集的整体种族识别精度为100.00%;然而,整个比赛测试集的识别精度为93.33%,有两个CYR32识别错误。使用模型7,200年w /厘米²治疗,当和中三个生理的光谱样本训练集和测试集都是正确地识别,和整个种族识别准确性的训练集和测试集的都是100.00%。使用模型8,250年w /厘米²治疗,当和,整个比赛训练集的识别精度为100.00%和60中三个生理训练集的样本都是正确地识别;然而,整个比赛测试集的识别精度为90.00%,有三个CYR31识别错误。如表所示3(9)模型和表4,240年种族识别建立支持向量机模型与光谱作为训练集,120光谱作为测试集,当和,整个种族识别准确性的训练集和测试集的100.00%。

5。结论和讨论

小麦条锈病是一种典型的空气传播的疾病,其发生和流行对紫外辐射的变化高度敏感,水分、温度、和其他外部环境条件(1]。特别是,uv - b辐射对小麦条锈病的影响近年来吸引了广泛的关注。在许多的特点,紫外线辐射的影响太平洋标准时间如生物效应(15),毒性突变(16),和DNA多态性的变化17,18已报告。但是,还没有研究对紫外线辐射的影响近红外光谱的特点Pst。因此,它具有重要意义探讨紫外线辐射的影响在近红外光谱和识别太平洋标准时间对病原体监测和评估小麦条锈病流行趋势。

在这项研究中,三个当前主要的比赛太平洋标准时间在中国在四个不同的uv - b强度辐射,然后收集病原体的近红外光谱。uv - b辐射对近红外光谱的影响病原体的调查,和uv - b强度识别模型和种族识别模型建立了基于近红外光谱的小麦条锈病病原菌利用近红外线技术与支持向量机相结合。结果表明,uv - b辐射对病原体的近红外光谱特征,每个生理种族的吸光度值与增强uv - b辐射强度增加。uv - b辐射后在150、200和250w /厘米²强度,有伟大的光谱差异三个生理比赛在5300 - 5600厘米⁻¹和7000 - 7400厘米⁻¹与相应的比赛没有紫外线辐射的光谱(uv - b强度= 0w /厘米²),并与增强的uv - b辐射强度增加的差异。的三个生理种族太平洋标准时间辐照在四个不同的uv - b强度下,紫外线强度的训练集的识别精度都是100.00%,这些测试集是97.50%,100.00%,和87.50%,分别。uv - b辐射的NIR光谱特性有很大的影响太平洋标准时间,因此不同的uv - b强度可以确定根据光谱特征的变化太平洋标准时间由于不同的uv - b辐射强度。当uv - b强度是0w /厘米²种族识别准确性的训练集和测试集的都是100.00%的种族识别中三个生理的SVM模型。uv - b强度在150、200和250w /厘米²种族识别SVM模型的三个生理比赛,比赛的训练集的识别精度测试集的都是100.00%,93.33%,100.00%,和90.00%,分别。辐照后不同uv - b强度下,近红外光谱特征的三个生理比赛很大程度上改变了,但这三个生理的种族太平洋标准时间仍然可以准确地确定使用种族识别支持向量机模型。这可能是由于以下两个原因。首先,uv - b辐射对近红外光谱特性的影响不足以影响的识别性能太平洋标准时间生理种族和种族识别SVM模型可以区分的三个生理种族太平洋标准时间根据差异。其次,uv - b辐射对近红外光谱特性的影响是显而易见的影响的识别性能太平洋标准时间生理上的种族。第二个原因,可能影响结果的变化nongenetic材料达到的程度区分生理比赛。影响也可能造成遗传物质的变化,最后导致新的生理种族的出现。因此,确定支持向量机模型仍能区分的三个生理种族太平洋标准时间。不管推理是正确的,然而,上述结果表明,小麦条锈病的识别基于检测技术在一定程度上稳定的uv - b辐射。

植物病理学家在小麦条锈病,快速、准确的识别太平洋标准时间生理上的种族是一个非常关键的问题。传统上,植物生理小种鉴定病原体的反应取决于微分东道主的比赛(1]。这种传统方法费时、劳动密集型的。这项研究提供了一个快速的生理种族的识别方法太平洋标准时间也提供了一个参考其他真菌生理小种的识别。

当小麦条锈病病原菌的孢子辐照下不同的uv - b强度,不同的uv - b强度可以确定基于近红外光谱的变化特征,以及不同生理种族也可以使用检测技术。结果显示的稳定性太平洋标准时间标识使用检测技术和显示技术的潜力来确定真菌生理小种,而不是使用不同的宿主反应的观察方法。然而,从实验室的实验结果。这些模型的实际应用,更多的样本生理种族和样品收集来自不同地区需要进一步优化模型。

紫外线照射后,可能发生突变的小麦条锈病病原体。然而,变异概率很低,它的范围从10⁻⁶到10⁻⁴(16]。所以这种现象可能不会影响生理种族的识别性能太平洋标准时间。uv - b辐射剂量范围用于这项研究可能不会引起遗传物质的变化。但是一旦uv - b辐射剂量的剂量范围太平洋标准时间可以容忍,可能造成遗传物质的变化、因此病原体变异可能导致。最后,新的种族或新的致病类型可能出现。因此,在进一步的研究中,通过增加筛查突变株可以进行uv - b辐射剂量,然后突变株的近红外光谱特征的变化和突变株是否可以区别野生菌株基于NIRS可以调查。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

李裴Cheng和枭龙同样对本文亦有贡献。

确认

本研究由中国国家重点基础研究计划(2013 cb127700),中国国家自然科学基金(31101393)和居里夫人的国际研究交流计划项目第七框架计划(Ref。pirses - ga - 2013 - 612659)。

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