一種檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法
2023-06-04 10:54:31 1
專利名稱：一種檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法
技術領域：
本發明屬於植物生理指標檢測方法，具體涉及一種檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法。
背景技術：
葉綠素是植物進行光合作用的物質基礎，其含量是植物生理研究中的重要指標之一。葉片的顏色與其色素含量有著密不可分的關係，人們往往把葉片顏色變化作為判斷植物生長狀態、生理特性和營養狀況的依據。因此，研究和建立葉片色素含量測定的方法意義重大。傳統的植物葉片色素分析方法首先要提取然後採用分光光度法測定，它基於葉綠素a和葉綠素b在645nm和663nm處有最大吸收，且兩吸收曲線相交於652nm處。測定提取液在645nm、663nm、652nm波長下的吸光值，並根據經驗公式分別計算出葉綠素a、葉綠素 b和類胡蘿蔔素的含量。這種測定方法需要破壞大量的植物葉片，不能監測隨著時間或生育期而變化的同一葉片中不同色素的動態變化；色素提取需要用到易揮發的有機溶劑，如丙酮、乙醇、二甲基亞碸等，有的對人體有害，提取時葉綠素也會受光氧化而引起測量誤差；提取過程和測定過程都也比較費時耗力。近年來根據葉片對光吸收和反射的光學測定方法得到了廣泛的應用。其方法之一的工作原理是是根據葉片對紅光和近紅外光兩種波長的吸收特徵，在紅光區葉綠素有強烈的吸收，近紅外光用於調節不同葉片結構的參比波長，通過葉綠素測定儀測量葉片在兩種波長範圍內的透光係數來確定葉片當前葉綠素的相對數量；方法之二是根據葉片中各種色素對光譜反射特性不同，光譜儀能夠定量測定植物葉片對可見光到近紅外光範圍(300 IlOOnm)內任何一段波長的反射，通過測定葉片對不同光譜的反射特性便能測定多種不同色素的含量。與分光光度計法相比，這類測定方法簡便、快速、省時、省力，但測量精度不如分光光度計法高，而且需要專用儀器；讀取的數值僅是儀器探觸點處的色素含量值，不能代表整個葉片的色素含量水平。此外，利用葉綠素測定儀測定還存在著因不同材料葉片厚度不同而影響測定結果的問題；而利用光譜儀測定時還需要針對不同材料和不同生育期所使用的雙波長組合進行優化。目前，我國已授權的植物葉綠素含量測定方法的專利有兩個，一是「快速檢測葉片葉綠素含量的建模方法及檢測方法」(授權公告號CN10171868;3B)，採用CCD照相機與高光譜掃描儀連接，用於採集高光譜掃描儀掃描到的載物臺上所載作物的光譜圖像；計算機與所述CCD照相機連接，用於對光譜圖像進行處理，以得到檢測葉綠素含量的預測模型。該方法可快速、無汙染檢測，檢測準確度高，但需要一整套檢測裝置，包括CCD照相機、高光譜掃描儀、載物臺、電控平移臺、運動控制器、計算機及帶有反饋控制器的光源供給系統等；另一個是「一種基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測」(授權公告號CN10176246;3B)，採用多光譜輻射計對團棵期到現蕾前期的烤菸冠層光譜進行測定，構建植被指數，並在實驗室採用比色法測定對應植株倒數第5片葉中部的葉綠素含量，利用統計學方法建立利用冠層光譜參數反演葉片葉綠素含量的模型和根據測定待測樣本的冠層光譜參數實現對烤菸葉片葉綠素含量的測定。該方法原位測定、無損傷、不需化學試劑，但需要專門的設備—— 光譜輻射計，測定時期限於團棵期到現蕾前期，只測定倒數第5片葉中部的葉綠素含量。此外，這兩種方法直接在田間採集光譜圖像和光譜，易受自然光強變化的影響。
發明內容
本發明提供了一種檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法，測定結果穩定，操作簡便、成本低、速度快，無需化學試劑和提取，解決了植物葉片色素傳統測量方法耗時長、環節多、操作複雜等問題。—種檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法，包括以下步驟(1)選取一種待測農作物的一組葉色深淺明顯不同的葉片作為葉片樣品；(2)用掃描儀對該組葉片樣品分別進行掃描，並以圖片格式保存為不同的葉片圖像文件；再分別用計算機圖像分析軟體打開所述葉片圖像文件，選定所述葉片圖像上固定大小的區域，獲取該區域葉片圖像的亮度平均值，作為每個葉片樣品的圖像亮度值，最後獲得該組葉片樣品的圖像亮度值；(3)採用分光光度法準確測定這一組葉片的葉綠素a和類胡蘿蔔素含量，結合步驟(2)所獲取的該組葉片樣品的圖像亮度值，分別建立葉綠素a與葉片的圖像亮度值的函數關係，以及類胡蘿蔔素與葉片的圖像亮度值的函數關係；(4)用所述掃描儀對同種農作物的待測葉片進行掃描，並以所述圖片格式保存為葉片圖像文件；再用所述計算機圖像分析軟體打開所述葉片圖像文件，選定所述葉片圖像上固定大小的區域，獲取該區域葉片圖像的亮度平均值，作為該待測葉片的圖像亮度值；(5)根據步驟(4)所獲取的待測葉片的圖像亮度值和步驟(3)中建立的函數關係， 分別計算出待測葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量。優選的技術方案中，所述圖片格式為tiff格式。優選的技術方案中，所述計算機圖像分析軟體為Image J圖像處理軟體。為了檢驗結果的準確性，本發明將採用上述方法檢測的葉綠素a和類胡蘿蔔素含量與採用傳統分光光度法測定的結果進行了比較，結果顯示兩種方法測定的葉綠素a含量差值變化於0. 04-0. 023之間，類胡蘿蔔素含量的差值變化於0. 0011-0. 0054之間，誤差均小於4%，效果好。本發明中，根據植物葉片顏色隨其葉色素含量的不同而變化，通過掃描獲得葉片圖像，用計算機圖象分析技術將葉片顏色的變化進行數位化，計算出葉片圖像亮度值，建立葉片圖像亮度值與葉片葉綠素a、類胡蘿蔔素含量間的函數關係，對待測樣品只要依據其葉片圖像亮度值，就可通過這種函數關係計算其葉片葉綠素a和類胡蘿蔔素的含量。與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果本發明方法測定結果穩定，操作簡便、成本低、速度快，無需化學試劑和提取，解決了植物葉片色素傳統測量方法耗時長、環節多、操作複雜等問題。本發明方法還採用室內掃描葉片圖像，光強穩定性好，克服了自然光下採集葉片圖像時光強變化的誤差影響，檢測不受時間和外部環境的影響。此外，本發明方法所採用的設備簡單，只需日常的辦公設備——計算機和掃描儀，在現代社會辦公環境中隨處可得，無需增加額外的設備成本。因此，採取本發明方法，可實現隨時隨地快速檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡
蘿蔔素含量。
圖1為葉綠素a含量(mg/g)與葉片的圖像亮度值的關係以及擬合曲線。圖2為類胡蘿蔔素(mg/g)與葉片的圖像亮度值的關係以及擬合曲線。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖來詳細說明本發明，但本發明並不僅限於此。以下以水稻葉片為例來說明本發明方法一種檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法，包括以下步驟(1)以水稻作為種待測農作物，以成熟前不同水稻品種劍葉為測定對象，選取一組共12張葉色深淺不同的葉片，取整張葉或整個葉片的2/3，避光、保溼，作為葉片樣品；(2)用掃描儀對所取的該組葉片樣品分別進行掃描，並以tiff格式保存為不同的葉片圖像文件；再分別用計算機圖像分析軟體(此處採用Image J圖像處理軟體)對每個葉片圖像文件進行處理，即打開葉片圖像文件，選定葉片圖像上固定大小的區域，獲取該區域葉片圖像的亮度平均值，作為每個葉片樣品的圖像亮度值，最後獲得該組葉片樣品的圖像亮度值，在60 1 之間變化；(3)採用分光光度法準確測定這組葉片的葉綠素a和類胡蘿蔔素含量，結合步驟 (2)所獲取的該組葉片樣品的圖像亮度值，分別建立葉綠素a與葉片的圖像亮度值的函數關係，以及類胡蘿蔔素與葉片的圖像亮度值的函數關係。葉綠素a含量(mg/g)與葉片的圖像亮度值的關係以及擬合曲線如圖1所示，類胡蘿蔔素(mg/g)與葉片的圖像亮度值的關係以及擬合曲線如圖2所示，所建立的葉綠素a含量與葉片得圖像亮度值的函數關係為Y =-0. 0126X+1. 6429，決定係數R2 = 0. 9503，達極顯著水平。所建立的類胡蘿蔔素含量與葉片圖像亮度值的函數關係為Y =-0. 0029Χ+0. 4698，決定係數R2 = 0. 9737，達極顯著水平。(4)分別選取粳稻秀水110、日本晴、秈稻錢江1號和黃玉A共4個水稻品種灌漿後期的葉片作為待測葉片，用同一掃描儀分別對上述的4個待測葉片進行掃描，並以tiff 格式保存為不同的葉片圖像文件；再分別用計算機圖像分析軟體(此處採用Image J圖像處理軟體)對每個葉片圖像文件進行處理，即打開葉片圖像文件，選定葉片圖像上固定大小的區域，獲取該區域葉片圖像的亮度平均值，作為每個待測葉片的圖像亮度值，記載於下表1中；(5)根據步驟⑷所獲取的待測葉片的圖像亮度值和步驟⑶中建立的函數關係， 分別計算出待測葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量，同樣記載於下表1中。表1中還記載了採用傳統分光光度法對上述4個待測樣品進行葉綠素a和類胡蘿蔔素含量測定的結果，用於進行比較。表 權利要求
1.一種檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)選取一種待測農作物的一組葉色深淺明顯不同的葉片作為葉片樣品；(2)用掃描儀對該組葉片樣品分別進行掃描，並以圖片格式保存為不同的葉片圖像文件；再分別用計算機圖像分析軟體打開所述葉片圖像文件，選定所述葉片圖像上固定大小的區域，獲取該區域葉片圖像的亮度平均值，作為每個葉片樣品的圖像亮度值，最後獲得該組葉片樣品的圖像亮度值；(3)採用分光光度法準確測定這一組葉片的葉綠素a和類胡蘿蔔素含量，結合步驟(2) 所獲取的該組葉片樣品的圖像亮度值，分別建立葉綠素a與葉片的圖像亮度值的函數關係，以及類胡蘿蔔素與葉片的圖像亮度值的函數關係；(4)用所述掃描儀對同種農作物的待測葉片進行掃描，並以所述圖片格式保存為葉片圖像文件；再用所述計算機圖像分析軟體打開所述葉片圖像文件，選定所述葉片圖像上固定大小的區域，獲取該區域葉片圖像的亮度平均值，作為該待測葉片的圖像亮度值；(5)根據步驟(4)所獲取的待測葉片的圖像亮度值和步驟C3)中建立的函數關係，分別計算出待測葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量。
2.如權利要求1所述的檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法，其特徵在於，所述圖片格式為tiff格式。
3.如權利要求1所述的檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法，其特徵在於，所述計算機圖像分析軟體為Image J圖像處理軟體。
全文摘要
本發明公開了一種檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量的方法，包括選取一組葉色深淺明顯不同的葉片，通過掃描和圖像分析處理獲得該組葉片樣品的圖像亮度值，再結合分光光度法準確測定的該組葉片的葉綠素a和類胡蘿蔔素含量，分別建立葉綠素a與葉片的圖像亮度值的函數關係，以及類胡蘿蔔素與葉片的圖像亮度值的函數關係；再通過掃描和圖像分析處理獲得待測葉片的圖像亮度值，並根據所述的函數關係分別計算出待測葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量。本發明所用設備簡單，操作簡便、成本低、速度快，無需化學試劑和提取，檢測不受時間和外部環境的影響，測定結果穩定，可實現隨時隨地快速檢測農作物葉片中葉綠素a和類胡蘿蔔素含量。
文檔編號G01N21/25GK102519886SQ20111042619
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者崔海瑞, 王偉博, 舒慶堯 申請人:浙江大學