叶绿素荧光成像技术与LIBS元素分析技术用于植物病虫害早期检测

       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，现代农业需要快速、可重复的方法来尽早检测病原体攻击，以防止生产损失。部分研究利用叶绿素荧光成像（CFI）和激光诱导击穿光谱（LIBS）技术构建高精度的植物病原体早期检测模型。LIBS是一种检测原子跃迁的技术，从而提供有关植物元素组成的数据，而CFI则侧面提供有关叶绿素含量的相关信息，这与植物的光合性能密切相关，两种技术的结合使用基于它们所提供信息的互补性。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（Fm）的变化，这表明叶绿素荧光参数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也明显减少，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。

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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.