寒地水稻稻瘟病害的光谱特性及早期检测机理

【摘要】水稻耕作历史悠久,是我国主要的粮食作物之一。寒地水稻是指东北地区所产的水稻,一般为单季晚稻品种。稻瘟病是寒地水稻的重要病害之一,每年均有发生,流行年减产10～20%,严重时可以减产40%～50%。近年来为提高水稻品质,大量种植优质品种,造成了品种的单一性和施用氮肥的增加,使稻瘟病发病逐年严重。黑龙江垦区虽然稻谷的种植面积相对较小,但因人口少,产量潜力大,米质优,商品率高,使其已经成为我国重要的商品粮基地。垦区每年受到病虫灾害的面积十分巨大,给农民和国家造成了巨大的损失。稳定东北水稻产量,建设绿色有机稻谷基地,需要依靠科技进步,解决水稻发展的瓶颈。稻瘟病作为影响水稻稳产、高产的主要病害,研究水稻稻瘟病内部的发病机理以及研究对水稻结构破坏的机理一直是许多研究工作者的主要方向。基于国内外在拉曼光谱和近红外光谱方面的研究成果,本文以水稻为对象进行了详细深入的研究。通过将拉曼光谱技术与水稻植株病害信息结合起来,提取相关生理信息,并运用化学和生物分子学方法实现寒地水稻稻瘟病害全方位检测和诊断。其研究的主要内容和成果有以下几个方面：1.进行了近红外光谱寒地水稻稻瘟病检测数据分析。本研究采用WQF-600N傅立叶变换近红外光谱仪采集了健康植株与染病植株不同部位,如茎、叶和籽粒的近红外光谱,对光谱进行了相关分析,结果发现,健康植株茎的光谱透过率与籽粒的光谱透过率具有很好的一致性,而叶的透过率强度与籽粒的透过率强度比茎的高,二者且相差不大。对于不同程度病害的近红外光谱,选取了三种通过人眼可以区别的三个病害程度不同和样本进行了光谱采集,可以得到发病情况严重的水稻植株透过率强度最强,随着病害严重程度的减轻逐渐减小的规律。对于单个近红外谱线分析表明,随着波数的减小,透过率强度之间的差异性越小,而波数大的地方的透过率强度具有较大差异。除了茎、叶与籽粒之间的光谱分析,还分析了五种病害程度的染病籽粒的光谱,通过测量籽粒的饱满程度挑选出籽粒,进行了五个病害等级的划分,实现了近红外光谱的分级定量分析研究。在研究过程中也发现,光谱的变化规律并非完美地符合于实际病害的程度,通过付里叶变换近红外光谱仪本身的问题、不完整数据的切趾峰值畸变以及快速傅立叶变换所产生的问题,对近红外光谱的误差进行了准确分析,为更加精确地光谱分析提供了更加有利的理论基础。2.进行了寒地水稻稻瘟病害拉曼光谱的化学键分析。提出了饱和基团(如饱和烃的CH3及CH2、硫氢及双硫键等)、不饱和基团(如碳碳双键及碳碳三键、碳氢双键和三键、碳氧双键及芳香环等)、特种基团(如C=O=C、C—O—C、N=C—N等类型的基团)等的伸缩振动、摇摆振动以及反对称伸缩振动等的拉曼光谱特征频率规律。在此基础上分别对中等激光光源强度、高光源强度以及弱光源强度下的不同曝光时间(1～6秒范围)的水稻健康叶片与稻瘟病害叶片的拉曼光谱中官能团的特征频率进行了指认。针对拉曼强度最强的C=C双键伸缩振动特征频率指认出其对应为1522cm-1和1516cm-1,C—C单键伸缩振动波数为1160cm-1,同时也分析了碳氢键及甲基平面外摇摆振动的特征频率,并将指认结果用图表的形式进行了总结归纳。在此基础上,又分别对从600～2900cm-1范围内的整个拉曼谱线上的特征峰进行了指认和分析。并针对二级碳、三级碳、四级碳以及谱线展宽与水稻叶片内结构进行了关联分析,得到了寒地水稻健康与病害叶片中大部分关键化学键的拉曼光谱分析结果。3.进行了稻瘟病害影响下化学键的拉曼特征频率偏移的研究。首先对不同稻瘟病害程度下的某些主要官能团。如C—-N伸缩振动谱峰、碳碳双键振动特征频率谱峰等进行了统计分析。由于人眼的鉴别能力有限,在区分了正常叶片与稻瘟病害叶片的情况下进行了统计分析,但是可以看出,完全可以通过频率偏移对不同的稻瘟病害程度进行等级划分。同时可以分析出,因为人眼对是否侵染稻瘟病的判断有一定误差,所以在频率时统计时,人眼判别的健康叶片与稻瘟叶片的某些频率分布是交叠在一块的。在频率分布统计的基础上,寻找出某些典型的偏移谱峰进行了相关分析,从分析中可以看出,虽然不同的拉曼谱峰的偏移方向有所不同,但是仍然可以根据不同病害程度得到谱峰偏移量之间的关系。本部分内容尤以828cm-1的特征频率谱峰最具典型性。同时,通过指定内标的方法,也建立了峰值变化规律与稻瘟病害程度之间的关系。为稻瘟病害的诊断提供了分析方法。4.进行了水稻植株中蛋白质和遗传物质的二级结构定量估计分析。分析了稻瘟真菌的化学物质结构与水稻细胞的化学结构的不同,并针对儿丁质、纤维素、半胱氨酸等大分子物质进行了化学结构分析。在此基础上,分别对组成水稻细胞的蛋白质的二级结构和遗传物质的二级结构进行了定量估计分析。首先分析了蛋白质中α-螺旋、p-折叠、p-回折和无规卷曲方面的信息,并且对含有羧基(CO-2)、巯基(一SH)、S-S键、Υ—S键的构象基团进行了分析。其次,分析了酰胺结构的六个峰值谱线中的构象灵敏谱线,计算了酪氨酸中残基的埋藏比例与显露比例的数量关系。再次,分析了苯丙氨酸中的S—S键中的扭扭曲-扭曲-扭曲、扭曲-扭曲-反式和反式-扭曲-反式三种构象与谱峰之间的对应关系,分析了遗传物质中的DNA、RNA以及四种脱氧核苷酸的对应构象。最后,分析了RNA和DNA中骨架磷酸基团的谱线,针对其中的磷酸离子以及磷酸二酯的谱线进行了分析,核糖作为遗传物质的辅助性物质也进行了其相应的指认和构象分析。虽然最终未能在三维基础上将蛋白质结构进行表述,但是在二级结构层面上给出了全面的分析和解释。为寒地稻瘟病早期光谱检测研究提供了理论基础。5.进行了寒地水稻稻瘟病害早期检测的机理与方法研究。利用拉曼光谱的散射截面方法,分析了特征官能团与稻瘟病害敏感谱线的拉曼光散射截面随稻瘟病害严重程度的变化规律,得到稻瘟病害利用散射截面进行诊断的方法；通过对拉曼光谱相关性分析,得到光谱数据相关系数与稻瘟病病害程度无明显对应关系,如对稻瘟病敏感拉曼谱段光谱相关性分析,则表明光谱数据相关系数与稻瘟病病害程度有显著关系；利用稻瘟病敏感拉曼谱段的相对强度值方法,提高稻瘟病诊断灵敏度,并在此基础上提出了早期诊断寒地水稻稻瘟病的检测方法。通过研究表明,利用稻瘟病害敏感拉曼谱段相对谱峰强度方法和近红外光谱检测方法为寒地水稻稻瘟病的早期检测提供理论依据与方法,为水稻病害预防工作提供技术支撑。
【作者】谭峰；
【导师】汪春；
【作者基本信息】黑龙江八一农垦大学，农业机械化工程，2012，博士
【关键词】拉曼光谱；近红外光谱；稻瘟病；特征频率；官能团；

【参考文献】
[1]李筱彤.公司内部控制质量影响因素及其内控缺陷经济后果分析[D].华东理工大学,会计（专业学位）,2014,硕士.
[2]吕佳.基于车桥耦合动力作用的高速铁路桥梁状态评估方法研究[D].哈尔滨工业大学,桥梁与隧道工程,2014,硕士.
[3]邓景毅.事务间数值型关联规则的数据挖掘[D].暨南大学,2003.
[4]郑杰.历史进程理论：爱，责任和宽恕的重新确立——对托尼·库什勒的剧作《天使在美国》的互文性研究[D].广东外语外贸大学,英语语言文学,2004,硕士.
[5]李川.宽带频率步进雷达穿墙探测与成像技术研究[D].合肥工业大学,仪器科学与技术,2014,硕士.
[6]张远志.超声图像甲状腺肿瘤自动检测方法研究[D].西南交通大学,计算机技术,2014,硕士.
[7]郑凯.芯片级封装互连体在电流作用下的损伤行为[D].沈阳航空航天大学,材料学,2013,硕士.
[8]蒋娟.库滨带典型植物土壤有机碳氮矿化潜势[D].华中农业大学,水土保持与荒漠化防治,2014,硕士.
[9]雍俊海.曲线曲面造型中几何逼近问题的研究[D].清华大学,2000.
[10]孙庆文.紧密耦合下XML数据的存储方式研究[D].山东大学,2005.
[11]陈壮龙.深圳农村商业银行市场开发战略研究[D].西安科技大学,工商管理,2014,硕士.
[12]霍光青.螺旋升降式立木整枝机的研究[D].北京林业大学,2008.
[13]王璐莹.外加磁场诱导Fe-B-P非晶亚微米棒的制备及磁性能[D].东北大学,材料学,2010,硕士.
[14]张灿华.基于主成分分析法的结构损伤识别研究[D].重庆交通大学,桥梁与隧道工程,2012,硕士.
[15]王霞.作为类型的恐怖电影研究[D].内蒙古大学,文艺学,2014,硕士.
[16]盛小平.数字图书馆功能剖析[J].图书馆杂志,2004,02:2-8.
[17]段学召.橡胶/粘土纳米复合材料的制备方法及结构与性能的研究[D].中北大学,高分子化学与物理,2014,硕士.
[18]罗联社.基于网络环境的管理信息系统的研究与实现[D].西北工业大学,机械制造及自动化,2003,硕士.
[19]李义开.济南DR置业有限公司发展战略研究[D].山东大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[20]许永涛.龚贤与黄宾虹笔墨程式的比较研究[D].西安美术学院,美术学,2014,硕士.
[21]涂立超.水稻细条病的发生发展与田水中噬菌体量消长关系研究[D].华中农业大学,植物病理学,2001,硕士.
[22]王泽民.FP2500A型有机肥翻抛机关键部件的有限元分析与优化[D].南京农业大学,农业机械化工程,2013,硕士.
[23]李俊.东方山羊豆赤霉素受体和水通道蛋白基因功能研究[D].中国农业科学院,草业科学,2014,博士.
[24]苏思.序批式斜板动态膜生物反应器（SIDMBR）处理乳化石油污水的室内试验研究[D].兰州理工大学,环境工程,2014,硕士.
[25]廖佳龙.交通肇事罪疑难问题研究[D].沈阳师范大学,法律,2014,硕士.
[26]邓丽博.高中学生立体几何学习质量评价研究[D].湖南师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[27]牛鹏程.数控机床热误差建模理论技术研究[D].合肥工业大学,精密仪器及机械,2014,硕士.
[28]李翠云.基于DNA的人工免疫算法及应用研究[D].浙江大学,模式识别与智能系统,2013,硕士.
[29]牛问哲.热力过程数学模型与建模方法研究[D].华北电力大学（北京）,动力工程,2004,硕士.
[30]何丽芸.基于SysML的CTCS-3级列控系统建模和分析[D].北京交通大学,2014.
[31]吴崧霖.GIS和RS技术在深圳市龙岗区蚊媒传染病监测中的应用研究[D].广东药学院,流行病与卫生统计学,2012,硕士.
[32]李河.当前形势下银行和信托在交通运输领域的合作模式探讨[D].电子科技大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[33]陈静.中职语文课堂教学生成的策略研究[D].杭州师范大学,学科教学（专业学位）,2011,硕士.
[34]姜凯.基于门限处理的信道估计算法研究[D].天津理工大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[35]陈烽.大学英语四级考试对于大学英语教学的反拨效应[D].大连海事大学,外国语言学及应用语言学,2004,硕士.
[36]薛天赐.保险代理人法律问题研究[D].大连海事大学,法律,2013,硕士.
[37]王浩然,陈超,杜劲松.重力梯度张量数据的三维反演方法与应用[J].石油地球物理勘探,2013,03:474-481+506+331.
[38]张佳静.武都区地质灾害承灾体易损性时空格局评价[D].兰州大学,自然地理学,2013,硕士.
[39]崔亚琪.城镇化进程中保障性住房的供给与需求研究[D].山东财经大学,社会保障,2013,硕士.
[40]孙彦君.基于Android的个人财务管理系统的设计与实现[D].湖南大学,软件工程,2013,硕士.
[41]路兴慧,丁易,臧润国,邹正冲,黄卢标.海南岛热带低地雨林老龄林木本植物幼苗的功能性状分析[J].植物生态学报,2011,12:1300-1309.
[42]沙鲁川.高校BOT项目风险管理研究[D].西南交通大学,行政管理,2013,硕士.
[43]高文中.金砖五国服务贸易竞争力比较分析[D].吉林财经大学,世界经济,2014,硕士.
[44]李雨.轻微犯罪者出狱后的社会融入问题研究[D].中国社会科学院研究生院,社会工作（专业学位）,2014,硕士.
[45]吴敬华.主成分分析与二维主成分分析之比较研究[D].云南财经大学,统计学,2014,硕士.
[46]常颖.高中生物教师学科知识需求的调查研究[D].东北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[47]敖都布仁.传播学视阈下的《蒙古语卫视春晚》分析[D].内蒙古大学,新闻与传播,2014,硕士.
[48]吕军辉.株洲县旅游休闲产业发展战略研究[D].中南大学,2003.
[49]唐艳.产权视角下台湾都市更新实施方法研究及对大陆的启示[D].哈尔滨工业大学,风景园林,2013,硕士.
[50]宋东峰.移动小车运动分析、模糊优化及仿真[D].大连理工大学,机械制造及自动化,2004,硕士.