Resonon | 节肢动物害虫早期侵染诱导的植物组成性状和叶片反射率的独特变化

准确、切实可行的检测和诊断节肢动物害虫的侵染是有效和可持续害虫管理面临的重要挑战。传统上，作物遭受害虫胁迫的检测和诊断主要依靠有经验的专业人员的目视检查。然而，不同的节肢动物害虫会导致不同的作物损害症状，目视检查劳动密集，成本高，而且在某些情况下，准确检测和诊断新出现的节肢动物害虫爆发可能存在问题，因为非生物和一些生物胁迫因素会导致相似的体征和/或症状，可能难以区分。遥感技术，尤其是成像系统，已成为准确、可靠的作物检测方法，并且也广泛地融入了精 准农业管理实践的发展中。

基于此，在本研究中，来自加利福尼亚大学戴维斯分校的研究团队于温室花盆中培养了菊花和非洲菊植物。并利用节肢动物害虫对植物进行实验性侵染，共有4种处理水平：（1）对照（未受侵染）；（2）植物受到15只成年雌性叶螨科-二斑叶螨的侵染；（3）植物受到20只成年-粉虱科-银叶粉虱的侵染以及（4） 植物受到20只成年蓟马科-西花蓟马的侵染。

作者总共从108个植物样品中获得了植物组成性状数据。基线样品代表了在侵染前立即收集的叶片样品，并且是从未受节肢动物侵染的植物中获得。此外还在节肢动物侵染2周后收集了四种处理的叶片样品。在数据分析中，基线和对照数据被归为一种处理（对照）。作者采集单株植物叶片后，于70℃烘干48h，研磨成细粉，分析其元素组成（N、S、P、K、Mg、Ca、Na、B、Zn、Mn、Fe和Cu）。同时，作者还测量了单个植物的4个光合活性参数，光合作用（mol CO2 m−2 s−1）、气孔导度（mol H2O m−2 s−1）、蒸腾速率（mmol H2O m−2 s−1）和细胞间CO2（μmol CO2 mol air−1）。并且利用Resonon PIKA L推扫式高光谱相机在温度和湿度可控的暗室里采集了节肢动物感染后0、3、7和14天的菊花和非洲菊植物的高光谱图像。共获得144张菊花和137张非洲菊植物的高光谱图像。

高光谱成像

结果

节肢动物侵染显著改变了植物组成性状，单个菊花和非洲菊植物的分类精度分别为78%和80%。基于叶片反射率，四个处理的植物个体被分类为中等准确度水平，即76%（非洲菊）和73%（菊花），但在未受侵染和侵染植物之间有着明显区分。并未实现精确和一致的生物应急源的诊断。

菊花和非洲菊植物叶片反射率数据

菊花（a）和非洲菊（b）植物叶片反射率

数据的主成分分析（PCA）

菊花植物叶片反射率数据的支持向量机分类混淆矩阵

非洲菊植物叶片反射率数据的支持向量机分类混淆矩阵

结论

该研究是第 一次将多种重要经济节肢动物害虫的侵害情况进行比较研究，并将其与叶片反射响应和植物组成性状的变化相关联。重要的是要强调施加胁迫水平较低，侵染期较短，并基于大数据集(菊花3826个叶片反射率分布数据和非洲菊4041个叶片反射率分布数据)获得了4个时间点的高光谱遥感数据。这为研究作物对不同生物胁迫因子的响应提供了新的视角，并揭示了植物组成性状与作物叶片高光谱反射率数据之间的可能联系。