基于细胞光电信息的作物耐盐性活体评价方法研究

Soil salinization is an important environmental factor affecting global food production. Cultivate salt-tolerant crops, improve the utilization of salinization land and maintain food production is a major issue of concern to humanity. Among them, the fundamental scientific issues that must be solved is to establish the evaluation and identification technology about salt tolerant crop varieties. This project analyzed the research advances and defects on evaluation of crop salt tolerance, proposed a new idea of evaluating crop salt tolerance at the cellular level according to photoelectric information of crop leaf cells under salt stress. For this purpose, the project will first research the changes of ultraweak photon emission from crop leaves under salt stress including spontaneous luminescence and delayed luminescence induced by external light and their biological significance, and than establish the measurement and evaluation method of cell state according to the biological significance of the ultraweak photon emission of leaf cells, evaluate salt tolerance of crop in accordance with the changes of cell state. The project will also study the variation and significance of power spectrum distribution about electric signal of crop leaves under salt stress, and establish evaluation method of crop salt tolerance based on the characteristic parameters of the power spectrum distribution. This project will help to solve the problem of evaluating salt tolerance of crops in cellular level with non-destructive, accurate and quantitative characteristics. The results of research can be generalized to study various plant stress resistance and plant senescence.

土壤盐渍化是影响全球粮食生产的重要环境因素，开发和培育耐盐作物，提高盐渍化土地利用率，维持粮食生产是人类关注的重大问题，其中，建立耐盐作物品种评价和鉴定技术是必须解决的基础科学问题之一。本项目在分析作物耐盐性评价研究现状和不足的基础上，提出了根据盐胁迫下作物细胞光电信息分析细胞有序状态的变化，在活体细胞层面评价作物耐盐性的思路。为此，本项目首先研究盐胁迫下萌发种子超弱光子辐射中自发发光和外界光诱导的延迟发光的变化规律和意义，建立基于自发发光和延迟发光的评价作物萌发期耐盐性的方法；然后，研究盐胁迫下作物苗期叶片电信号功率谱分布的变化规律和意义，建立基于叶片电信号功率谱分布特征参数的作物苗期耐盐性评价方法。本项目的开展有助于解决从活体细胞层面无损、在位、准确和定量评价作物耐盐性的难题，研究结果可以推广到各种植物抗逆性和植物衰老的研究。

开发和培育耐盐作物，提高盐渍化土地利用率、是人类关注的重大问题，其中，建立耐盐作物品种评价和鉴定技术是必须解决的基础科学问题。然而，现有评价方法存在费时费力、周期过长和破坏性测量等弊端。针对这一问题，本项目提出了基于种子超弱光子辐射定量评价作物萌发期耐盐性和基于作物叶片电位波动信息定量评价作物苗期耐盐性的研究目标。. 本项目首先设计和搭建了生物超弱光子辐射采集系统，研究了玉米和高粱种子萌发过程中自发光子辐射和在LED激发下的延迟光子辐射的变化规律。然后，使用蛋白质合成抑制剂和呼吸代谢抑制剂，揭示了种子萌发过程中自发光子辐射和延迟光子辐射的生物学意义。在此基础上，通过NaCl胁迫下不同玉米品种萌发时自发光子辐射和延迟光子辐射的差异性研究，以及与常规生理生化指标的对比研究，证明了种子萌发中的超弱光子辐射的变化灵敏地反映了种子细胞生命活动对盐胁迫的响应、适应和伤害的动态变化过程，建立了基于自发光子辐射和延迟光子辐射的作物种子萌发期耐盐性的评价指标和评价方法。. 为了实现作物幼苗期耐盐性无损和在位检测，本项目搭建了植物叶片电信号采集系统。通过采集和分析玉米等作物叶片电位波动信息的特征，建立了基于HHT变换的作物叶片电位波动的边际谱特征参数体系。在此基础上，分别研究了渗透胁迫和复合盐碱胁迫下耐盐性不同的玉米叶片电位波动边际谱特征参数变化的差异及其生物学意义，发现基于叶片电位波动信号边际谱特征参数的变化可以对盐碱胁迫下玉米叶片细胞离子运输和细胞膜伤害的影响程度进行灵敏和早期的定量诊断，进而实现对玉米幼苗耐盐碱性强弱的在位和无损伤的评价。. 本项目评价作物耐盐性的信息获取早于形态变化，具有灵敏、早期、快速和无损伤的特点，有可能成为作物耐盐性评价研究的实用性强、适用面广、稳定可靠和高效的新方法，应用于耐盐性作物的鉴定与培育。此外，研究结果也可推广到各种非生物胁迫对作物的影响和植物衰老的定量评价与鉴定。