核盘菌侵染植物的光谱成像早期快速诊断机理和方法研究

Broad-spectrumetiology fungi nuclear discomycetes could make demage to more than 450 plant varieties within 75 families, which can cause great product quantity and ecomonical lost to oilseed rape, soybean, sunflower and cruciferae plant. Therefore, the early diagnosis and prevention is meaningful for crop product quanlity and quantity. In this project, the arabidopsis and oilseed rape were applied for the experimental study. We detect the changes and component content of polysaccharide constituent of the cell wall by confocal Raman microscopy imaging technology during penetration stage; and study anti-oxidant enzyme activity, pH, chlorophyll and water distribution of leaf tissue by hyperspectral imaging technology during incubation stage. This project aims to explore the rules on the changes of polysaccharide constituent of the cell wall and enzyme enzyme activity, and to build the dynamic and multi-component simultaneous detection models and chemical imaging methods of polysaccharide constituent of the cell wall and anti-oxidant enzyme activity of leaf tissue. The performance will be confirmed in oilseed rape and arabidopsis disease diagnosis. Furthermore, the in situ detection methods will be developed for chemical constituents and physiological activity changes during penetration process, which would be helpful for the early, fast and accurate diagnosis of Sclerotinia sclerotiorum. The project would be meaningful for uncover the defense mechanism of plant Sclerotinia sclerotiorum.

广谱性病原真菌核盘菌能危害75科450多种植物，引起的菌核病严重危害着我国的油菜、大豆、向日葵和十字花科蔬菜的生产，造成巨大的经济损失。因此，菌核病的早期诊断与防治对保障经济作物产量与品质安全意义重大。本项目以模式植物拟南芥和经济作物油菜为例，采用共聚焦显微拉曼成像技术进行植物菌核病侵入期的细胞壁多糖组分和含量变化的检测来判断病菌入侵情况；应用高光谱成像技术，通过检测植物病理状态下叶片组织的抗氧化酶活力、pH值、叶绿素和水分分布等的改变来判断病菌的潜伏状态；探明菌核病侵染细胞壁变化和寄主抗氧化酶防御规律，建立细胞壁多糖和叶片组织抗氧化酶体系多指标的同步动态检测模型和化学成像诊断方法，并在油菜和拟南芥菌核病防治中加以验证，以实现菌核病的早期、快速和准确诊断。实现染病过程中宿主化学成分及生理活动变化的原位在体检测，还能为进一步揭示植物的抗菌核病防卫机制提供新的证据。

油菜菌核病是位居油菜三大病害之首的真菌性病害，严重影响油菜的产量和品质，进行核盘菌侵染油菜的快速检测具有重要意义。本研究围绕核盘菌早期侵染拟南芥、油菜等作物后宿主与病原菌互作的问题，按计划重点研究了健康与染病植物的拉曼、高光谱图像以及细胞、细胞壁多糖、叶片水分、pH、抗氧化酶活性、叶绿素等生理指标；研究其光谱特征的变化，探索病害发生时的物质基础和光谱响应机理，并实现拟南芥、油菜菌核病病害在叶片、茎秆和花瓣等空间维度的可视化表达，取得了多项进展。一、阐明了菌核病胁迫下油菜和拟南芥与可见近红外、高光谱和拉曼光谱反射特性的响应规律；二、解析核盘菌对油菜等细胞、细胞壁侵入后的拉曼光谱归属及响应，明确了互作关系的物质基础与光谱响应机理；三、研究了不同批次实验对油菜菌核病检测的稳定性、灵敏性和精确性的影响。确定了能用于检测病害指标的最优波长范围和敏感波段，建立了光谱特性与病害、病害程度以及病害下生理指标之间的检测模型，探索了高光谱图像特征与核盘菌侵染程度之间的内在联系和响应规律。提出了油菜和拟南芥等植物核盘菌侵染早期的快速检测模型和方法。. 从宏观角度（叶片、茎秆、花瓣表面）以及微观角度（细胞、细胞壁 ）出发，运用多种光谱实现了核盘菌侵染油菜叶片、花瓣和茎秆组织的早期诊断。系统研究并深入解析了了油菜-核盘菌之间的互作关系，及其在拉曼、近红外、高光谱的响应机制，为深入研究寄主-病原物在细胞层面上的互作机制提供新的研究途径，也为农业田间作物的科学施药和精准化管理提供理论基础和技术支撑。. 授权发明专利 3 项，并申请发明专利2项、实用新型3 项；建立了有自主知识产权的植物病害评估软件，获计算软件著作权2 项；发表SCI/EI 收录论文 18 篇。相关成果已获得2015年国家科技进步二等奖以及2015年教育部科学技术进步一等奖。培养博士3名、硕士2名。按计划完成了四年的研究任务，实现了预期目标。