Гиперспектральное исследование для обнаружения заболеваний листьев салата

Введение

Вторжение болезнетворных микроорганизмов в растение – это сложный и продолжительный процесс. В ходе него происходят изменения в составе листа: меняется количество эпидермальных масел, состояние клеточных стенок и целлюлозы. Кроме того, активируется врожденный иммунитет растения, что ведет к изменениям в уровнях болезнеустойчивых ферментов, белков, защитных гормонов и других органических молекул. Современные гиперспектральные технологии обладают высокой чувствительностью, позволяющей регистрировать изменения на уровне отдельных молекул. Следовательно, даже незначительные изменения в микроструктуре листа могут отражаться на его гиперспектральных характеристиках. Важно отметить, что развитие заболевания проходит через различные стадии, и характеристики болезни заметно отличаются на этапах инвазии и симбиоза (когда патоген становится паразитом). Таким образом, анализ влияния характеристик болезни на спектральные свойства листа и выявление взаимосвязей между ними является ключевым для установления корреляции между спектром и конкретным заболеванием, что позволит точно определять наличие и стадию болезни.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования использовался салат-латук (листовой салат), относящийся к семейству сложноцветных (Asteraceae) и завезенный в Китай из Средиземноморья. Благодаря своим полезным свойствам он получил широкое распространение в китайском сельском хозяйстве. Весенний и осенний периоды характеризуются повышенной восприимчивостью салата к заболеваниям. Патогены проникают в поврежденные ткани листьев через почву и удобрения, а затем распространяются в здоровые ткани, устанавливая паразитические отношения.

Образцы больных листьев салата были собраны на специализированной плантации. Для анализа отбирались листья размером 8x12 см, которые затем классифицировались по типу заболевания и стадии его развития. Примеры отобранных образцов салата представлены на рисунке (рисунок 1).

Рисунок 1 - Часть образцов салата

В работе применялась гиперспектральная камера Color Spectrum FigSpec®, использующая высокоэффективный спектральный модуль с трансмиссионной решеткой и высокочувствительную матричную камеру. Данная камера, в сочетании с интегрированной системой сканирования и вспомогательной камерой, позволяет избежать необходимости использования внешнего сканирующего механизма и сложной фокусировки, что упрощает и ускоряет процесс получения гиперспектральных изображений. Камера легко интегрируется со стандартными C-mount объективами или микроскопами.

Рисунок 2 - Гиперспектральная камера серии FS2X

Болезненный стресс и микроструктура листа салата

Эпидермис листа салата, в основном, состоит из устьиц и эпидермальных клеток. Проникновение вирусных спор в ткани листа происходит преимущественно через устьица. По мере развития инфекции, устойчивость растения к болезни проявляется, в том числе, через изменения в клеточной стенке – её утолщение за счет осаждения, например, лигнина, препятствующего распространению вируса. Таким образом, повреждение устьиц и изменения в клеточной стенке тесно связаны с прогрессированием болезни. В данном исследовании основное внимание уделено анализу этих двух характеристик: состояния устьиц и клеточной стенки. На рисунке 3 представлены микрофотографии эпидермальных клеток и образований на поверхности листьев здорового салата, а также листьев с ранней и средней стадиями антракноза.

Рисунок 3 - Микроструктура листьев салата

Механизм выявления заболеваний листьев салата: анализ спектральных свойств

При облучении листа салата внешним источником света, молекулы и группы атомов, входящие в его состав, поглощают энергию лучей определенных частот. Это приводит к колебаниям и вращениям молекул, изменяя их дипольный момент. Молекулы переходят из основного состояния в возбужденное, однако это состояние нестабильно, и молекулы возвращаются в основное, высвобождая поглощенную энергию. Часть этой энергии высвобождается в виде тепла и света, а часть – в других формах. В результате, отраженный от листа свет обладает меньшей энергией и большей длиной волны, чем возбуждающий. Изменения в микроструктуре тканей листа напрямую влияют на структуру молекулярных связей и, следовательно, на его способность поглощать свет. Это влияние отражается в спектральной кривой листа. Рисунок 4 иллюстрирует кривые спектральной отражательной способности, полученные при помощи гиперспектральной съемки для здоровых листьев салата, а также листьев с ранней и средней стадиями антракноза.

Рисунок 4 - Спектры салата на каждой стадии заболевания

Анализ кривых показывает их морфологическое сходство на разных стадиях заболевания. Это говорит о том, что, несмотря на активацию защитных механизмов и увеличение количества веществ, устойчивых к болезни, эти вещества не оказывают существенного влияния на структуру молекулярных связей в тканях листа.