小麦重金属胁迫光谱识别的细胞超微结构机理与模型研究

Based on the former research about heavy metal pollution stress on wheat cell ultrastructure, peroxidase and antioxidant enzymes, this research focuses on the mechanism and model of spectral identification on wheat cell ultrastructure under heavy metal pollution stress through a series of controlled plot experiments. After the comprehensive analysis of stress tolerance among different various organelles under heavy metal stress and their spectral response in the visible and infrared spectrum and remote sensing parameters among different growth stages, this research will distinguish the pollution stress caused by different kinds of heavy metals among different growth stages using spectral data. Based on the results including data, knowledge, characteristics and model acquired from the plot experiments, and the characteristics of hyper spectral data, including image map and make full use of high spectral resolution imaging characteristics, this research will extract the multidimensional characteristics both spectra and their equal changing during whole growth stages. Combined with hyper spectral image analysis technology, the multidimensional characteristics will be used to build hyper spectral identification models for wheat heavy metal pollution stress which make it is possible that the hyper spectral identification models for wheat heavy metal pollution stress would be expended on the spectral and spatial dimensions.

本研究拟在前人关于小麦重金属胁迫细胞超微结构、膜脂过氧化酶、抗氧化酶活性变化等研究的基础上，通过开展系统的小区控制试验，弄清小麦重金属单一/协同胁迫的细胞超微结构变化光谱响应机制。通过综合分析不同重金属胁迫下各细胞器的耐受性差异及其在可见光至红外谱段的光谱响应模式特点及各光谱参量的时相变化规律，对不同重金属胁迫类型以及重金属胁迫不同时相间的光谱可区分性进行评价。筛选并构建适于进行重金属胁迫识别的光谱模型和识别方法。在小区试验获得的数据、知识及特征、模型基础上，充分利用高光谱分辨率成像影像图谱合一的特点，提取光谱和时相等多维特征，结合高光谱图像分析技术，建立小麦重金属胁迫高光谱识别模型，使基于细胞超微结构的小麦重金属胁迫光谱识别模型在光谱维上进行空间展开应用。实现在重金属胁迫监测的同时，识别不同重金属胁迫类型。

本课题在前人研究的基础上，系统的研究了在重金属胁迫下，在不同发育时期，小麦体内重金属的积累规律，叶细胞超微结构的变化，生理、生化指标变化以及冠状层反射光谱的变化规律。主要结果如下： 1）通过对小麦湿样不同细胞结构的重金属含量分析发现，在不同的发育时期，随着土壤中重金属浓度的增加，细胞中重金属总含量也随之增加，重金属在细胞中主要富集部位也会发生变化。在研究重金属复合胁迫小麦时发现，重金属之间存在拮抗或协同作用，影响了重金属的吸收与积累；2）通过分析小麦干样根、茎叶、穗中重金属含量发现，不同时期小麦各个器官的重金属积累都有上升趋势，但规律不尽相同，这或许与不同发育时期的小麦对重金属的防御机制和营养转移机制有关；3）利用透射电镜发现在不同胁迫条件下，小麦叶细胞中的细胞壁、线粒体、叶绿体、细胞核等结构均有不同程度的损伤，叶绿体是对重金属胁迫最敏感的细胞器，其次是线粒体；4）研究了不同胁迫条件下胞间CO2浓度、净光合速率等光合参数以及荧光参数，发现在小麦的不同发育时期，上述参数随着重金属种类和胁迫浓度的不同而发生变化，但变化规律不尽相同；5）在对小麦生化指标的研究中发现，总体上，MDA含量随重金属浓度的增加而增加，POD活性、可溶性蛋白含量、叶绿素含量随着重金属浓度的增加呈现出先上升后下降的趋势。6）测量了全生育期的小麦冠状层光谱反射率，分析了不同重金属胁迫下在可见光至红外谱段的光谱响应模式特点及各光谱参量的变化规律，通过对光谱参量与小麦叶、穗中的重金属含量之间的相关性分析，筛选出了敏感光谱参数，建立了不同种类的重金属含量预测模型，并对其预测精确性进行了验证分析，得到了共27个能够预测小麦叶、穗中不同重金属含量的预测模型。.本研究在亚细胞及分子水平上揭示了镉、铜、锌及其组合对小麦胁迫的机理，同时为利用遥感技术实现重金属胁迫小麦的快速无损化鉴定奠定了坚实的基础。