一种全新的植保技术方案：叶绿素荧光成像技术结合LIBS元素分析用于病虫害早期检测

       植物与病原体的相互作用会影响植物的生产力和其对生物及非生物胁迫的耐受性，病虫害的检测与防治只植物保护领域的重点工作。无损、早期、多视角的检测技术，越来越多的应用于这一领域，本文将分享一种叶绿素荧光成像与LIBS元素分析相结合的全新植保技术方案。

       叶绿素荧光成像技术（CFI）侧面提供有关叶绿体运行机理的相关信息，这与植物的光合性能密切相关，常用于植物表型研究，其对胁迫反应尤为灵敏。而激光诱导击穿光谱（LIBS）技术可以快速获取植物的元素组成数据，为植物病虫害的发生机理提供元素构成和分布层面的信息。因此，LIBS和CFI产生互补信息，即LIBS可以告知植物病毒引起的植物元素组成的变化，而CFI揭示植物病毒如何影响植物的生理状态，特别是感染时其光合能力的变化。

图1. 上图：感染根结线虫的番茄叶片叶绿素荧光成像对比图；左下图：感染根结线虫的番茄叶片叶绿素a和叶绿素b提取含量对比；右下图：感染根结线虫的番茄叶片的LIBS元素分析对比光谱

       科研人员首先利用传统化学提取的方法确认了根结线虫感染对番茄叶绿素含量的影响，其中感染根结线虫的番茄叶片中叶绿素a和b含量显著减少。然后用叶绿素荧光成像技术对番茄叶片进行分析，能够明显看到叶绿素荧光参数的变化，这表明叶绿素荧光参数（Fm）对根结线虫的胁迫响应灵敏度很高。LIBS光谱数据显示感染根结线虫的番茄叶片中Mg信号强度显著高于对照，线虫胁迫中Mg元素含量上升，对其进一步分析有助于了解番茄应对线虫胁迫的响应机制。

图2. 左图：感染根结线虫的番茄茎叶绿素荧光成像对比图；右图：感染根结线虫的番茄茎和根的LIBS元素对比光谱

       对线虫感染的番茄根茎的CFI+LIBS分析结果基本与番茄叶片的实验数据一致。其中感染后的番茄茎叶绿素荧光强度显著降低，茎中Mg元素信号强度显著上升。

图3. 左图：感染建兰花叶病毒的烟草叶片叶绿素荧光成像图；右图：感染建兰花叶病毒的烟草叶片LIBS元素对比图谱

       感染建兰花叶病毒的烟草叶中叶绿素明显减少，出现黄化区域。叶绿素荧光参数在病毒感染后变化十分明显，其中叶片感染区域和非感染区域叶绿素荧光差异显著。这映证了叶绿素荧光成像技术在植物病毒感染评估方面的应用前景。与对照相比，感染样本中C元素的发射线强度增加，Mg元素的发射线强度降低。这种不同感染情境下，不同作物的元素含量变化差异可能与不同病原菌感染和植物本体的抗胁迫作用机理相关。

       以上案例用数据证明了叶绿素荧光成像与LIBS元素分析技术在病虫害领域的应用潜力，可以作为一种多维视角的技术方案应用于植保领域的各个方面。

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应用：

       遗传育种、作物表型分析、作物生理生态、光合作用与光合表型、作物生物与非生物胁迫响应、植物保护、农药效果评估等研究领域。

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应用：

土壤分析：分析土壤样本中的元素组成，评估土壤肥力和污染情况；

地质勘探：用于岩石和矿物的元素分析，辅助地质勘探和矿物成分研究；

金属材料检测：分析金属及其合金中的元素成分，用于材料科学和质量控制；

环境监测：监测环境样本（如沉积物、大气颗粒物等）中的元素，评估环境污染；

生物材料分析：测定生物样本（如毛发、血液、骨骼、肿瘤等）中的元素，用于生物医学研究；

植物分析：用于植物组织中元素含量的测定，帮助研究植物营养状况和元素吸收分布及植物在重金属胁迫下的反应和耐受性。

参考文献：

1. Senesi G S, De Pascale O, Marangoni B S, et al. Chlorophyll fluorescence imaging (CFI) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) applied to investigate tomato plants infected by the root knot nematode (RKN) Meloidogyne incognita and tobacco plants infected by Cymbidium ringspot virus[C]//Photonics. MDPI, 2022, 9(9): 627.

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