太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展

太赫兹波在电磁波谱中位于中红外波与微波之间,具有探测分子间或分子内部弱相互作用的独特性质,是当前研究的热点之一。近年来,随着太赫兹波产生和探测技术的快速发展,太赫兹光谱及成像技术在多个领域正逐步从实验室研究转向实际应用,包括安全成像检测、航空航天、爆炸物分子检测等,同时农业领域专家学者也积极开展了太赫兹技术的农业应用研究,取得了较好的研究进展。该文从太赫兹光谱简介、产生探测原理、样品制备及数据处理出发,系统地介绍了待测样品理化信息的太赫兹数据获取方法,然后结合太赫兹技术特性,聚焦农业领域,探讨了太赫兹光谱和成像技术在该领域中的应用研究进展及有待解决的问题,具体包括农业生物大分子检测、农产品质量安全检测、植物生理检测和环境监测等多个方面,进而揭示太赫兹技术这一新兴科技在农业领域的研究潜力和应用前景。     

基于核磁共振成像技术的作物根系无损检测

作物根系三维构型对于作物养分吸收具有十分重要的作用。该研究选用玉米、大豆和茄子3种常见作物根系作为研究对象,利用核磁共振成像(MRI)技术对其根系三维构型进行原位无损检测。试验研究和分析了生长介质、作物根系类型以及三维重建方法对作物根系成像的影响,并探讨了应用MRI技术快速无损进行作物根系研究的优势和不足。研究表明,应用MRI技术进行作物根系三维构型的研究是可行的。该研究为作物根系三维构型的定量描述和分析提供了一种新的途径。     

磁共振成像技术在郁金香花芽分化活体监测上的应用研究

应用磁共振成像（MRI）技术在活体情况下观察郁金香花芽形态建成过程,比较不同MRI序列图像即纵向弛豫时间加权像（longitudinal relaxation,简写为T1WI）、横向弛豫时间加权像（transverse relaxation time weighted imaging,简写为T2WI）、质子密度加权像（proton density weighted imaging,简写为PDWI）对郁金香花芽形态建成过程显示的准确性,探求郁金香种球及郁金香花芽发生过程的MRI图像技术。结果显示,在对郁金香种球形态以及花芽形成与建成过程的显示上,T1加权像与大体切片的结果完全一致,质子密度加权像与T1加权像具有较高的图像质量,在图像信噪比以及花芽发生的显示上明显优于T2WI（P<0.05）。本研究表明,磁共振成像技术是无创伤、活体监测与显示郁金香花芽形成及分化过程的实用技术手段。     

基于电阻抗成像的植物单根断层图像重建

为了实现植物根系结构形态的原位检测,植物根系单根的断层图像重建研究非常必要。该文应用动态电阻抗成像技术对土壤-树根模拟系统进行了图像重建,对重建图像进行二值化处理并求出树根在该系统中的位置坐标、面积和形状,并以树根的位置坐标、面积及形状的相对偏差为指标,分析了图像重建算法、土壤含水率2个因素对成像质量的影响。结果表明：电阻抗成像技术能够实现树木单根断层图像重建;将重建图像进行二值化处理,所得图像更加直观,便于定量评价成像质量;基于Newton单步残差正则化的一步牛顿误差重构（Newton's one-step error reconsruction,NOSER）算法,比基于全变差正则化的主双-内点模式（primal dual-interior point method,PD-IPM）算法的成像质量好;土壤含水率越高成像质量越好。该研究为基于电阻抗成像技术的植物根系结构形态的图像重建提供参考。     

尖孢镰刀菌碳化硅量子点标记及其长时程荧光成像

致病性尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）的荧光标记与活体细胞的长时程荧光成像示踪是研究其侵染机制较为有效的方法之一。采用化学腐蚀法制备出SiC量子点标记材料,研究了化学腐蚀法制备工艺过程,对SiC量子点标记材料的微观结构及光学性能进行检测分析,而后对尖孢镰刀菌进行标记及长时程荧光成像,结果表明,SiC量子点具有良好的生物相容性及光学性能,发射光颜色与其尺寸有内在关联性,腐蚀过程中即可在表面形成多种亲有机物功能团。尖孢镰刀菌生长初期SiC量子点将标记在分生孢子细胞膜处,而后通过内吞作用,进入活体细胞内部并形成稳定标记。进一步研究发现,SiC量子点无细胞毒性,可以实现活体细胞的长时程荧光成像,同时对其标记特征及原理进行了初步分析讨论。这对于尖孢镰刀菌侵染致病过程组织学与细胞学特征研究,揭示其致病机理、发展新型植株枯萎防治方法提供直观依据和理论分析基础。     

空间频域成像在农产品品质检测中的应用现状与展望

空间频域成像,作为一种新兴的光学成像技术,具备宽场非接触、成像深度辨析和有效信号增强等特点,能够提供与组织物理结构、化学成分相关的信息,被广泛应用于农产品组织光学特性表征和品质无损检测等领域。该文首先概述了空间频域成像技术的起源和发展,继而阐明了该技术的工作原理,包括光在生物组织中的传输理论与正向问题、测量与数据处理、逆向反演,然后描述了该技术的多种实施方式,如常规空间频域成像、多光谱空间频域成像、高光谱空间频域成像以及高频空间频域成像,并总结其在苹果、梨、桃等农产品组织光学特性表征和品质检测方面的应用现状,最后讨论了该技术面临的挑战,如测量双层/多层农产品组织光学特性时误差较大、测量深度局限于毫米级、缺乏标准化的光学参考样本、检测耗时较长等,为该技术在未来的研究提供参考。     

高光谱成像技术在茶叶中的应用研究进展

高光谱成像技术是一种融合了图像和光谱的检测技术,能同时获取待测物体的空间信息和光谱信息,因此该技术既可以直观反映研究对象外观纹理特征,又可以像光谱信息一样间接反映物体内部物理结构和品质成分特性。茶叶含有多种对人体有益的功能成分,具有较高的开发和实用价值。本文简述了高光谱成像技术的检测原理,分类综述了该技术在茶叶栽培管理、病虫害监测、生产加工、等级划分等方面的应用及不足,并提出了相应的解决措施,同时对其在茶叶领域的发展进行了展望,以期为促进茶叶精细化发展提供参考。     

植物根系成像技术研究进展及马铃薯根系研究应用前景

根系是植物从土壤中吸收营养物质和水分并支撑植物地上部分的重要器官,是植物研究的热点之一。然而,由于植物根系生长环境的复杂性和不透明性,导致植物根系研究发展相对缓慢。近年来,根系成像技术的出现和快速发展为植物根系的研究提供了更直观、有效的研究方法。马铃薯是收获地下块茎的主粮作物,地下根系成像技术在马铃薯研究中的应用尤为重要。本文通过系统整理和对比传统成像技术(玻璃板法和玻璃管法)和现代成像技术(中子成像技术、X射线扫描技术、核磁共振成像技术、探地雷达、荧光成像技术、激光共聚焦成像技术、多光谱成像技术、高光谱成像技术和计算机断层扫描成像技术等)的优缺点和应用范围。根据马铃薯的生长特性以及生长环境的综合评价,筛选出能够原位监测马铃薯根系发育且不破坏其生长的成像技术和高效的图像分析系统,以期为今后成像技术在块根块茎类植物根系研究中广泛应用提供理论依据。     

基于计算机视觉技术参考物法测量叶片面积

该研究利用计算机视觉技术采用参考物法测量叶片的面积,研制了无需采摘叶片测量其面积的活体采样光箱,并进行了光箱参数的优化,研究了用极值法求得阈值,并对图像进行阈值化,研究了去除图像中残留杂点的方法,最后验证利用计算机视觉技术参考物法测量叶片面积的可行性,且测量精度和效率都很高     

分子标记技术及其在水稻基因定位上的应用

分子标记作为一种新兴的遗传标记手段,因其特有的优势而得到广泛的应用,带动了许多领域的快速发展。本文主要对分子标记的一般特点,基于全基因序列、简单重复序列、已知的特定序列、反转录转座子、单核苷酸的分子标记的类型及各类型代表性技术的基本原理和各自的优缺点进行详尽的综述,并进一步介绍了近年来分子标记在水稻基因定位上的相关应用,如水稻高产、优质、抗逆和抗病等重要农艺性状基因的分离克隆。最后还对分子标记技术在遗传图谱构建、基因定位和分子标记辅助育种等方面的应用前景予以展望,以期该技术能发挥更大的作用。     

分子标记技术在黑麦研究中的应用

黑麦( L.)作为小麦的近缘植物, 是改良小麦抗病性、产量和品质等性状的重要基因源。分子标记技术作为分子生物学研究中极具价值的一种研究工具已被广泛用于黑麦研究。本文论述了目前分子标记技术在黑麦遗传连锁图谱构建、有益基因定位和黑麦特异性分子标记开发应用等方面的研究进展, 并分析了该技术在黑麦研究中的应用前景。     

碳化硅量子点制备及其活体细胞荧光成像

采用化学腐蚀法制备无细胞毒性的SiC量子点荧光材料,以硝酸及氢氟酸为腐蚀剂,通过超声分散及高速离心处理,获得碳化硅量子点水相溶液,对其微观组织、光学性能进行了检测,而后在出芽短梗霉菌(Aureobasidium pulluans)活体细胞上进行了荧光成像,结果表明,碳化硅量子点呈近球型,直径约为2.5nm,小于体材激子波尔直径(5.4nm),光致发光光谱证明了量子限制效应,激发光波长为320～360nm时,发射光强最大。激发光波长增加时,其Photo Luminescence(PL)峰发生红移,而当量子点直径减小时,会导致发射光蓝移。活体细胞荧光成像研究结果表明,该量子点无细胞毒性,对细胞生长生理机能几乎没有任何影响,可以实现活体细胞长时程的荧光成像。同时对其标记特征及原理进行了分析。     

基于光谱和成像技术的作物养分生理信息快速检测研究进展

该文阐述了应用光谱和成像技术进行作物养分生理信息快速检测的主要研究进展和发展趋势。介绍了光谱和成像技术的基本原理、常用数据处理方法、建模方法和模型评价指标,重点总结了光谱和成像技术在5种常见农作物(水稻、小麦、油菜、玉米、大豆)的养分生理信息检测中的应用成果和研究进展(主要包括叶绿素类和氮素检测,病虫害、水分、杂草、重金属、农药胁迫诊断及产量预测等方面),分析了光谱和成像技术在作物生长信息检测的发展趋势。结果表明,光谱和成像技术能够快速无损获取作物养分生理信息,并能有效地对作物长势和逆境胁迫响应进行动态监测,对实现农业的精准化、数字化、信息化及智能化管理和作业具有重要意义。     

紫薇属植物活体树干造型栽培方法

紫薇属植物活体树干文字艺术造型生产成本低,且有利于丰富其在园林中的多样化应用,因此研究紫薇活体树干文字造型栽培方法意义重大.简单介绍紫薇属植物活体树干文字造型艺术,并重点分析其活体树干造型栽培方法,具体包括苗木选择、育干单株分级、移栽和靠接育干单株、生长定型及靠接转换等技术.     

基于HRM体系的稻瘟病抗性基因Pi2特异性分子标记的开发及应用

Pi2是一个对稻瘟病生理小种具有广谱抗性的基因,对于水稻(Oryza sativa)的稻瘟病抗性育种具有非常重要的应用价值,但目前针对该基因的分子标记辅助选择(marker-assisted selection,MAS)育种所开发的分子标记操作繁杂,难以实现批量以及准确检测,严重阻碍了该基因在水稻MAS育种过程中的大量应用。本研究通过对Pi2基因及其复等位基因进行序列比对,找出其特异性变异,开发成基于高分辨率熔解曲线分析(high resolution melting analysis,HRM)技术检测的与Pi2基因完全共分离的分子标记。通过对23份两系不育系和三系保持系材料进行Pi2基因鉴定,发现它们都不含有该基因。对4个Pi2基因改良的后代分离群体进行分子标记跟踪检测,发现该标记能够很好地区分供体亲本华占与其他受体亲本以及华占与各受体在Pi2基因处的杂合基因型。与已经报道的Pi2特异性分子标记相比,本研究所开发的分子标记的检测效果更好,操作更加简便。因此,本研究中的Pi2基因特异性分子标记结合HRM的检测方法能够高效准确地进行Pi2基因的资源鉴定和对抗病性改良后代群体的高通量检测筛选,为今后的水稻高效、准确、大规模分子育种提供技术支持。     

用彗星试验检测土壤污染对蚯蚓活体基因损伤

彗星试验,又称单细胞凝胶电泳,因其能够在单细胞水平上灵敏地检验DNA链断裂,成为研究遗传毒性效应的新技术,近年来得到重要应用。比较而言,如何利用该技术来检验土壤无脊椎动物活体基因损伤的报道则很少。本研究以丝裂霉素C(MitomycinC)为遗传毒性阳性物质,研究了用彗星试验检验赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)活体基因损伤的实验方法,对尾长、“彗尾”DNA含量和尾矩三个指标定量表达实验结果的敏感性进行讨论,并以污水灌溉土壤样品为例研究了污染土壤导致的蚯蚓体内DNA单链断裂。结果表明,采用彗星试验检测蚯蚓体内DNA单链断裂的基因损伤效应可以作为生物效应标志终点,尾矩和尾长作为敏感指标可以更好地表达遗传毒性物质基因损伤的剂量-效应关系。     

光谱技术在水产品鲜度评价中的应用

光谱技术能依据食品的光谱特征研究其结构和成分变化,化学计量学法能从光谱数据中最大限度地提取有用信息,为光谱技术的定性和定量分析提供依据。光谱技术结合化学计量学法具有分析效率高、样品无需处理、操作简单、非破坏性、便于实现在线分析等特点,近年来以独特的优势在水产品鲜度评价方面得以应用。本文主要介绍了红外光谱、荧光光谱、拉曼光谱、高光谱成像技术等的特点,综述了光谱技术结合化学计量学法在水产品鲜度评价中的应用研究进展,探讨了现有技术的局限性,并对光谱技术在水产品无损检测中的发展趋势进行展望,以期促进该技术在水产品鲜度评价领域得到更广泛的应用。     

非损伤微测Zn2+选择性微电极的研发及应用

非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology, NMT)是一种通过微电极实时测定进出活体材料离子和小分子流速的技术,已广泛应用于植物的生长发育和逆境胁迫等研究领域中。目前该技术专用的重金属微电极种类非常少,因此其在重金属胁迫研究中的应用也受到了限制。本文在前期工作的基础上开发了一种基于非损伤微测技术的Zn~(2+)选择性微电极,首次实现了活体条件下植物根际Zn~(2+)离子流的实时、动态检测。研发的微电极在去离子水中对Zn~(2+)的线性响应范围为10–6～10~(–1) mol/L,能斯特斜率为30.2mV/decade(浓度每增加或减少10倍电位值的变化),响应时间t_(95%)≤1s,正常工作pH范围为3.5～7.0;在简易模拟土壤溶液(0.1mmol/L Ca(NO_3)_2、0.1 mmol/L KNO_3、0.1 mmol/L Mg(NO_3)_2和1 mmol/L NaNO_3)中,其线性响应范围变为5×10~(-5)～10~(-1) mol/L,能斯特斜率为28.1mV/decade,对土壤溶液中的共存阳离子具有较好的抗干扰性。利用构建的非损伤微测Zn~(2+)选择性微电极对Zn/Cd超积累植物伴矿景天(Sedum plumbizincicola)根际不同微区的Zn~(2+)离子流进行了实时检测。该技术的成功研发为活体条件下深入认识Zn~(2+)在植物根际的微界面过程与机制提供了一种强有力的研究手段。     

基于结构光反射成像的水果果皮和果肉光学特性参数测量

光学特性参数准确测量有助于解析光学技术的检测机理,为农产品品质安全检测提供理论依据。结构光反射成像以其宽屏非接触成像、深度辨析和成像分辨率可控等优点,逐渐成为光学特性检测领域的研究热点。该研究首先通过已知光学特性的双层样本对结构光反射成像系统进行标定,然后利用该系统采集苹果、猕猴桃和芒果的结构光反射图像,结合分步方法进行图像解调和参数拟合,从而得到果皮和果肉组织的吸收系数和约化散射系数,最后比较该技术与单积分球技术测得的光学特性差异,并分析潜在影响因素。结果表明:双层标定样本首层和次层组织的光学特性测量误差分别小于19%和28%;水果果皮组织的光学特性参数普遍高于果肉组织,果皮和果肉组织的吸收系数曲线能反映色素等成分在特定波长的吸收峰;切片组织离体时间和厚度测量误差均会对单积分球技术测量水果组织光学特性产生不可忽略的影响。该研究为双层组织光学特性参数的准确测量提供新方法。     

植物基因定点突变与定点置换技术及其在植物遗传改良中的应用

针对锌指核酶介导基因同源重组与嵌合寡核苷酸介导基因的单碱基定点突变在功能基因组学研究方面的进展和存在的问题,以及该技术在植物遗传改良方面的可能应用前景进行了较系统的综述。同时,讨论了通过对植物同源重组相关调控途径进行分子修饰以提高基因打靶效率的问题。