应用光谱技术无损检测油菜叶片中乙酰乳酸合成酶

作者:刘飞;方慧;张帆;金宗来;周伟军;何勇 刊名:分析化学 上传者:陈中慧

【摘要】应用可见/近红外光谱技术实现了油菜叶片中乙酰乳酸合成酶(ALS)的快速无损检测。对99个油菜样本进行光谱扫描,经过平滑、变量标准化、一阶求导等预处理后,应用偏最小二乘法(PLS)建立了ALS的预测模型。同时提取有效特征变量,作为反向传输人工神经网络(BPNN)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)的输入值,并建立相应的模型。用66个样本建模,33个样本验证。结果表明,LS-SVM模型能够获得最优的预测结果,预测集样本的相关系数(r)、预测标准差(RMSEP)和偏差(Bias)分别为0.998、0.715和0.079,获得了满意的预测精度。结果表明,应用可见/近红外光谱技术结合LS-SVM检测油菜中乙酰乳酸合成酶是可行的,并能获得满意的预测精度,为进一步应用光谱技术进行油菜生长状况的大田监测奠定了基础。

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1引言油菜是一种非常重要的油料作物,在我国广泛种植。油菜不同时期的生长状况关系到油菜籽的产量和质量。油菜叶片中的乙酰乳酸合成酶(acetolactatesynthase,ALS)的活力是油菜生长过程中一项非常重要的生理指标。ALS能够反映油菜叶片的生长状况,因此可以通过检测油菜叶片中的ALS,得到油菜的生长状况。近年来,油菜种植中使用了大量的除草剂,丙酯草醚除草剂是一种新型的ALS抑制剂。该除草剂可以阻止直链氨基酸的生物合成[1,2],具有对油菜安全、杀草谱较广、除草活性高、持效期长,且低毒、低残留,与环境相容等特点[3]。目前,丙酯草醚除草剂对油菜生长的影响及作用机理的研究还很少。而对油菜叶片中ALS活力的检测,可以反映出丙酯草醚除草剂对油菜生长状况的影响。传统的ALS检测方法,需将油菜叶片离体采回,在实验室进行破坏性的实验[4,5],才能得到分析结果。该方法不能够实现长期对同一株或同一小区内油菜生长过程中ALS的连续检测。因此,开展简单、快速、无损的ALS检测技术研究是很有必要的。这对实现油菜生长状况的大田检测和连续监测,提高油菜籽的产量和质量有重要意义。可见/近红外光谱技术是一种快速简便无损的分析方法。它已被广泛应用于农业、食品、石油化工、医药等行业[68]。可见/近红外光谱技术已在油菜籽的品质分析中有所应用,如油菜籽的含油量和蛋白质含量[9]、脂肪酸[10]、芥酸和硫苷含量[11,12]以及酸性洗涤纤维[13,14]等。冯雷等[15]应用多光谱视觉传感技术检测了油菜中的氮含量。潘玲玲等[16]应用紫外/可见光谱检测了玉米叶片中叶绿素含量。而应用光谱技术对能反映油菜生长状况的乙酰乳酸合成酶的检测还少有报道。本研究通过对丙酯草醚除草剂处理后的油菜叶片的可见/近红外漫反射光谱进行分析,结合现代化学计量学的方法,得到一种快速无损检测油菜叶片中ALS活力的方法,为进一步研究油菜生长状况的其它生理指标和实现其大田活体连续监测奠定基础。2实验部分2.1仪器设备HandheldFieldSpec光谱仪(美国AnalyticalSpectralDevice公司),光谱测定范围3251075nm,采样间隔为1.5nm,探头视场角为20,光谱扫描次数设定为30次。光源采用14.5V卤素灯。实验采用漫反射模式,光谱仪探头和光源对准样本中心成45角,并使油菜叶片样本、光谱仪探头和光源分布于同一条直线上。分析软件采用ASDViewSpecPro,UnscramblerV9.6(CAMOASA,Oslo,Norway),MatlabV7.0(TheMathWorks,Natick,USA)。2.2油菜样本制备及ALS的测定实验所用油菜样本来自浙江大学试验农场,采用一般的油菜田间管理方法,对油菜施用丙酯草醚除草剂,浓度梯度为0、100、500和1000mg/L。共收集了99个样本,其中30、24、24和21个样本分别对应的除草剂的浓度为0、100、500和1000mg/L。每个浓度梯度随机选择2/3的样本作为建模集样本(n=66),剩余的样本作为预测集样本(n=33)。首先使用ASD光谱仪对油菜叶片所有样本进行光谱扫描,获得叶片的光谱曲线,再应用所获得的光谱数据结合化学计量学方法建模,即可实现油菜叶片中乙酰乳酸合成酶的检测。后续应用所建模型,无需对油菜叶片进行破坏性化学方法检测,只需获得光谱数据,即可实现油菜叶片中ALS的无损检测。建模中油菜叶片ALS的测定采用传统的分析方法。剪取油菜叶片,称量,剪碎,加入液氮速冻样品,研磨成粉末状。再按12(V/V)比例加入提取缓冲液

参考文献

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