基于植物電信號(hào)的作物耐鹽性評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于植物電信號(hào)的作物耐鹽性評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種自然因素和人為因素使得土壤鹽漬化程度日趨嚴(yán) 重。全球20%的耕地出現(xiàn)了不同程度的鹽堿化，廣泛分布于100多個(gè)國家和地區(qū)。大量土壤 的鹽漬化對(duì)全球糧食安全帶來了極大威脅，成為嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生存的最重要的 生態(tài)問題之一。在這種形勢下，利用各種手段對(duì)鹽漬化土壤進(jìn)行控制和改良，開發(fā)和培育耐 鹽作物，提高鹽漬化土壤利用率，維持糧食生產(chǎn)，成為當(dāng)今人類的重大課題。
[0003] 要開發(fā)利用和培育耐鹽作物，首先需要建立作物耐鹽性評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系，能 夠?qū)ψ魑锬望}性強(qiáng)弱進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。然而，至今沒有形成簡單、準(zhǔn)確和能夠?qū)崿F(xiàn)無損測量的 評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系，制約了耐鹽作物的培育和機(jī)理研究，導(dǎo)致優(yōu)異種質(zhì)資源的發(fā)掘與利 用工作進(jìn)展較慢，阻礙了鹽漬化土地綜合利用的步伐。
[0004] 長期以來，評(píng)價(jià)作物耐鹽性的指標(biāo)主要有形態(tài)指標(biāo)和生理生化指標(biāo)兩種，前者包 括基于鹽脅迫下種子萌發(fā)狀況的種子萌芽耐鹽指數(shù)、種子活力耐鹽指數(shù)、相對(duì)發(fā)芽率、貯藏 物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等等，以及相對(duì)生長量(苗長、根長、苗重）、幼苗存活率等 等;后者以鹽脅迫下作物生理生化反應(yīng)的變化為依據(jù)，涉及葉綠素、光合速率、游離脯氨酸、 ABA、可溶性糖、甜菜堿、質(zhì)膜和液泡膜H+-ATPase、MDA、SOD、CAT、P0D、質(zhì)膜透性、氣孔導(dǎo)度、K +、Na+及K+/Na+值等等。
[0005] 上述傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法有很多問題。例如，形態(tài)指標(biāo)測定繁雜，工作量大和周期長，不 能進(jìn)行早期診斷;生理生化指標(biāo)大多是通過試管實(shí)驗(yàn)的破壞性測量獲取的，而耐鹽性是在 細(xì)胞層面上所呈現(xiàn)的綜合性狀，單一的生理生化指標(biāo)無法反映活體的整體耐鹽性;樣品使 用量大，不能進(jìn)行無損和在位測量，不適合珍稀品種的鑒定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于植物電信號(hào)的作物耐鹽性評(píng)價(jià)方法，解決了現(xiàn)有作 物耐鹽性評(píng)價(jià)方法樣品用量大、周期長、不能早期診斷，以及破壞性測量，不適合珍稀品種 評(píng)價(jià)的問題。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于植物電信號(hào)的作物耐鹽性評(píng)價(jià)方法，通過采集 作物萌發(fā)幼苗鹽脅迫前后的表面電位信號(hào)，分別計(jì)算鹽脅迫前后電位信號(hào)的特征值，根據(jù) 特征值的變化定義作物的耐鹽性評(píng)價(jià)系數(shù)，評(píng)價(jià)作物的耐鹽性。
[0008] 本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，
[0009] 基于植物電信號(hào)的作物耐鹽性評(píng)價(jià)方法，具體按以下步驟實(shí)施：
[0010] 步驟1，將待檢測的作物種子放在恒溫箱中萌發(fā)，待發(fā)芽后移栽到水培培養(yǎng)皿生 長，待到作物萌發(fā)；
[0011] 步驟2,將萌發(fā)后的作物幼苗連同培養(yǎng)皿一同放入封閉網(wǎng)狀電磁屏蔽籠中，采集幼 苗的表面電位波動(dòng)信號(hào)s;
[0012]步驟3,將經(jīng)步驟2測量過的幼苗的培養(yǎng)環(huán)境中加入NaCl溶液，在恒溫環(huán)境下繼續(xù) 進(jìn)行鹽脅迫培養(yǎng)，然后采集脅迫后幼苗的表面電位波動(dòng)信號(hào)"；
[0013] 步驟4,分別求取步驟2和步驟3采集到的作物幼苗表面電位波動(dòng)信號(hào)的特征 值；
[0014] 步驟5,根據(jù)表面電位波動(dòng)信號(hào)特征值的變化，評(píng)價(jià)種子耐鹽性。
[0015] 步驟1中萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為:作物種子萌發(fā)出3~4片葉子，株高10cm~20cm。
[0016] 步驟中NaCl溶液的加入量為:使培養(yǎng)皿中NaCl濃度達(dá)到50mmol/L~1000mmol/L ; 培養(yǎng)溫度為20~45°C，培養(yǎng)時(shí)間2~360小時(shí)。
[0017]步驟4中表面電位波動(dòng)信號(hào)的特征值為相對(duì)邊際譜熵Er，具體求取過程為：
[0018]將采集到的葉片表面電位波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD分解，得到一組本征模態(tài)函數(shù)，將得到 每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分別應(yīng)用Hilbert變換，得到Hilbert幅值譜Η( ω，t)，其中，ω表示頻率， t表示時(shí)間：
[0019] 按下式計(jì)算得到信號(hào)的邊際譜：
[0020]
[0021 ]按下式計(jì)算得到邊際譜熵：
[0022]
[0023] 其中，p(k)=h(k)/2h(k)表示第k個(gè)頻率對(duì)應(yīng)幅值出現(xiàn)的概率；
[0024]按下式將熵值歸一化，得到相對(duì)邊際譜熵Er:
[0025] Er = E/log N
[0026] 其中N為表面電位波動(dòng)信號(hào)s的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)；
[0027]由此得到幼苗脅迫前的相對(duì)邊際譜熵Er和脅迫后的相對(duì)邊際譜熵E/。
[0028] 步驟5,具體為：
[0029]定義作物耐鹽性評(píng)價(jià)系數(shù)R為：
[0030]
[0031 ]評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:R值的大小在0~1之間，R值越大，作物的耐鹽性越強(qiáng);R值越小，種子 耐鹽性越弱。
[0032] 步驟4中表面電位波動(dòng)信號(hào)的特征值為重心頻率fg，具體求取過程為:利用周期圖 法、相關(guān)函數(shù)法或者AR譜方法計(jì)算作物幼苗表面電位波動(dòng)信號(hào)s的功率譜p(f)，然后利用下 式計(jì)算其重心頻率fg，
[0033]
[0034] 其中：f^ljf2為頻率范圍，f為頻率值；
[0035] 由此得到幼苗脅迫前的重心頻率fg和脅迫后的重心頻率fV。
[0036] 步驟5，具體為:定義作物耐鹽性評(píng)價(jià)系數(shù)R為：
[0037]
[0038] 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:R值的大小在0~1之間，R值越大，作物的耐鹽性越強(qiáng);R值越小，種子 耐鹽性越弱。
[0039] 步驟3中鹽脅迫后的表面電位波動(dòng)信號(hào)Y的采集方法和條件與脅迫前表面電位波 動(dòng)信號(hào)s的采集方法和條件相同。
[0040] 本發(fā)明的有益效果是，在進(jìn)行作物耐鹽性評(píng)價(jià)時(shí)，無需進(jìn)行田間試驗(yàn)，只需對(duì)少量 的作物幼苗進(jìn)行鹽脅迫，跟蹤測量幼苗表面電位波動(dòng)信號(hào)，通過計(jì)算電信號(hào)的特征值實(shí)現(xiàn) 作物耐鹽性強(qiáng)弱的無損、快速評(píng)價(jià)。該方法種子用量少，不需要破壞種子，具有無損傷測量 的特點(diǎn)。此外，由于本方法是對(duì)同一批次種子電信號(hào)的跟蹤測量，評(píng)價(jià)方法是根據(jù)鹽脅迫前 后作物自身電信號(hào)參數(shù)變化程度的比較，避免了種子的個(gè)體差異，培養(yǎng)和測量方法簡單，評(píng) 價(jià)效果可靠。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0042] 本發(fā)明提供了一種基于植物電信號(hào)的作物耐鹽性評(píng)價(jià)方法，具體按以下步驟實(shí) 施：
[0043] 步驟1，將待檢測的作物種子放在恒溫箱中萌發(fā)，待發(fā)芽后移栽到水培培養(yǎng)皿生 長。每天澆適量蒸餾水，保證其正常的生長需求。待到作物萌發(fā)出3~4片葉子，株高10cm~ 20cm〇
[0044] 步驟2,將步驟1培養(yǎng)的作物幼苗和培養(yǎng)皿一同放入金屬制成的封閉網(wǎng)狀電磁屏蔽 籠中，用儀器采集一定時(shí)長內(nèi)幼苗葉片的表面電位波動(dòng)信號(hào)s;然后對(duì)作物幼苗進(jìn)行鹽脅 迫，采集脅迫后幼苗的表面電位波動(dòng)信號(hào)V，具體為:在作物幼苗的培養(yǎng)皿中加入一定量的 NaCl溶液，使得培養(yǎng)皿中的NaCl濃度達(dá)到50mmol/L~1000mmol/L，恒溫下培養(yǎng)2~360小時(shí) (溫度可在20~45°C選擇），采集脅迫后幼苗的表面電位波動(dòng)信號(hào)Y。脅迫前后采集幼苗表 面電位波動(dòng)信號(hào)的方法和條件相同，表面電位波動(dòng)信號(hào)的采集部位可以是葉片，也可以是 莖部等其它部位。
[0045] 步驟3,分別求取步驟2采集到的作物幼苗表面電位波動(dòng)信號(hào)的特征值，進(jìn)行 作物耐鹽性評(píng)價(jià)：
[0046] ( - )采用相對(duì)邊際譜熵作為作物幼苗表面電位波動(dòng)信號(hào)的特征值，進(jìn)行作物耐鹽 性評(píng)價(jià)，具體為：
[0047] 1、分別計(jì)算幼苗脅迫前的相對(duì)邊際譜熵Er和脅迫后的相對(duì)邊際譜熵Ε/ :
[0048]將步驟2中測得的葉片表面電位波動(dòng)信號(hào)s進(jìn)行EMD分解，得到一組本征模態(tài)函數(shù)， 將得到每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分別應(yīng)用Hilbert變換，得到Hilbert幅值譜Η( ω，t)，其中，ω表 示頻率，t表示時(shí)間：
[0049]用下式(1)計(jì)算出信號(hào)的邊際譜：
[0050] ⑴
[0052]
[0051] 按(2)式計(jì)算邊際譜熵：
(2)
[0053] 其中，p(k)=h(k)/2h(k)，表示第k個(gè)頻率對(duì)應(yīng)幅值出現(xiàn)的概率；
[0054]按(3)式將熵值歸一化，得到相對(duì)邊際譜熵Er:
[0055] Er = E/log N (3)
[0056] 其中N為表面電位波動(dòng)信號(hào)s的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
[0057]依照同樣的方法得到脅迫后相對(duì)邊際譜熵E/。
[0058] 2、評(píng)價(jià)作物的耐鹽性：
[0059]定義作物耐鹽性評(píng)價(jià)系數(shù)R為：
[0060](4) f
[0061] 將得到的正常培養(yǎng)的作物幼苗的相對(duì)邊際譜熵Er和鹽脅迫后作物幼苗的相對(duì)邊 際譜熵E/帶入式(4)，根據(jù)R值的大小評(píng)價(jià)作物耐鹽性的強(qiáng)弱。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:大多數(shù)情況下， R值的大小在〇~1之間，R值越大，作物的耐鹽性越強(qiáng);R值越小，作物耐鹽性越弱。若R值大于 1，則表明作物仍處于應(yīng)激反應(yīng)中，應(yīng)適當(dāng)延長作物在NaCl溶液中的培養(yǎng)時(shí)間。
[0062] (二)采用重心頻率作為作物幼苗表面電位波動(dòng)信號(hào)的特征值，進(jìn)行作物耐鹽性評(píng) 價(jià)，具體為：
[0063] 1、分別計(jì)算幼苗脅迫前的重心頻率fg和脅迫后的重心頻率f，：
[0064] 利用周期圖法、相關(guān)函數(shù)法或者AR譜方法計(jì)算作物幼苗表面電位波動(dòng)信號(hào)s的功 率譜P(f)，然后利用下式計(jì)算其重心頻率f g，
(5)
[0065] 卜h
[0066] 其中：f^ljf2為頻率范圍，f為頻率值；
[0067] 依照同樣的方法得到幼苗脅迫后的重心頻率f，。
[0068] 2、