多光譜技術在種子活力及種子人工老化后質量指標研究上的應用
Autofluorescence‑spectral imaging as an innovative method for rapid, non‑destructive and reliable assessing of soybean seed quality
自動熒光光譜成像作為一種快速、無損和可靠地評估大豆種子質量的創新方法
摘要：在農業工業中，基于快速和非破壞性方法的光學成像技術的進步有助于為不斷增長的人口增加糧食產量。本研究采用自發熒光光譜成像和機器學習算法來開發不同的模型，用于對人工老化后生理質量不同的大豆種子進行分類。來自 365/400 nm 激發-發射組合的自發熒光信號（與胚胎中的總酚類表現出完美的相關性）能夠有效地分離處理。此外，還可以證明自發熒光光譜數據與幾個質量指標之間存在很強的相關性，例如早期發芽和種子對壓力條件的耐受性。基于人工神經網絡、支持向量機或線性判別分析開發的機器學習模型在對不同質量水平的種子進行分類時表現出較高的性能（0.99 準確度）。總之，我們的研究表明，大豆種子的生理潛力隨著濃度的變化而降低，并且可能在自發熒光化合物的結構中。此外，改變種子的自發熒光特性會影響幼苗的光合作用裝置。從實用的角度來看，基于自發熒光的成像可用于檢查大豆種子組織光學特性的變化，并始終區分高活力和低活力的種子。自動熒光光譜成像作為一種快速、無損和可靠地評估大豆種子質量的創新方法
發芽率隨著種子老化而降低，尤其是在播種后 5 天（圖 1）。 雖然電導率（種子膜完整性的間接指標）在老化 24 小時和 48 小時的種子中增加（圖 1），但飽和鹽加速老化（SSAA）將種子分為兩組，即種子老化 0 和 12 小時與陳化 24 和 48 小時的種子。 同時，傳統的人工 老化（AA）進一步從老化的種子中切下未老化的種子。 出苗試驗無法區分種子類別（圖 1）。
圖1. 非老化大豆種子和老化 12、24 和 48 小時種子的發芽和活力測試
種子的平均自發熒光光譜在 365 至 540 nm（470 nm 除外）的激發波長下較高（圖 3a）。 在 365/400 nm、405/500 nm 和 630/700 nm 激發發射組合下有效分離未老化種子； 在這些組合中，365/400 nm 提供了對種子類別最精細的區分（圖 3a）。 帶寬之間的最高相關系數為：1.00（515/600 nm 對 540/600 nm）、0.99（430/500 nm 對 450/500 nm；630/700 nm 對 645/700 nm）和 0.97（405/500 nm vs 430/500；645/700 nm vs 660/700 nm）（圖 3b）。
圖3. 使用來自不同激發-發射組合的自發熒光光譜數據比較非老化大豆種子和老化 12、24 和 48 小時的種子類別
使用 nCDA 算法，通過去除異常觀察值來轉換結合 365/400 nm 獲得的自發熒光圖像的像素值，從而可以計算修剪后的平均值。該技術有助于消除可能影響均值的異常值的影響，從而提供更真實的圖像。使用從紅色 (0) 到藍色 (256) 的假色代碼創建的像素到像素映射在圖像中顯示自發熒光強度，其中較高的像素值表示具有較高自發熒光的組織（圖 4）。盡管所有類別都顯示出相似的 RGB 圖像，但在存在種皮的情況下捕獲圖像時存在不同的自發熒光模式（圖 4a），其中老化 24 和 48 小時的種子表現出最低的自發熒光信號（較低的像素值） ）。然而，去除種皮后，所有種子類別都呈現出相似的自發熒光模式，而與老化期無關（圖 4b）。在第8天的發芽試驗中，存在種皮的種子自發熒光信號越低，幼苗性能越低（圖4c）。
圖4. 來自大豆種子類別的非老化種子和老化 12、24 和 48 小時種子的原始 RGB 圖像，以及在 365/400 nm 激發發射組合下捕獲的熒光圖像（灰度和 nCDA），顯示存在下的自發熒光模式（a ) 和缺少 (b) 種皮。
自發熒光測量與種子質量指標之間的相關性。 Pearson 相關分析（圖 5）顯示 365/400 nm 組合與胚胎中總酚（- 1.00）之間存在完美的負相關，而 660/700 nm 組合與 SSAA 測試（1.00）之間存在完美的正相關 . 其他帶寬的相關系數也很高：0.99（515/600 nm 或 540/600 nm vs 木質素），- 0.99（630/700 nm vs 電導率；645/700 nm vs 胚胎中的總酚），0.98 (430/500 nm vs 木質素), 0.97 (405/500 nm vs 木質素), - 0.97 (570/600 nm vs 葉綠素 a 或葉綠素 b), 0.96 (450/500 nm vs 木質素) 和 0.95 (470/500 納米與木質素）。
圖5. 來自不同激發發射組合的自發熒光光譜數據與大豆種子質量指標之間的 Pearson 相關系數
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