CN103353445B - 一种利用近红外光谱仪快速鉴定小麦抗旱性的技术方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种利用近红外光谱仪快速鉴定小麦抗旱性的技术方法，包括以下步骤：A、选择具有代表性的、在各个抗旱级别上均有分布的小麦籽粒样品作为定标样品集，B、采用国标法小麦抗旱性鉴定方法确定定标样品集中所有小麦籽粒样品的抗旱指数，C、对定标样品集进行近红外光谱采集并确定数学模型，D、对待测样品进行检测。本发明利用同抗旱类型的小麦籽粒在近红外光谱上存在的差异建立小麦抗旱材料筛选和鉴定的数学模型，可靠性和适用性高，可以不受周期限制，随时鉴定，不受数量限制，可以大规模、简便、有效的进行抗旱资源筛选，且可快速、无损、有效的对小麦的早代及高代材料进行抗旱性鉴定。

Description

一种利用近红外光谱仪快速鉴定小麦抗旱性的技术方法

技术领域

本发明属于植物生物学领域，具体涉及一种利用近红外光谱仪快速鉴定小麦抗旱性的技术方法。

背景技术

干旱是全球普遍存在的自然灾害。我国干旱面积约占耕地面积的47%，干旱灾害是我国最严重的气象灾害之一。由于气候的全球性恶性变化,导致了干旱发生的周期缩短、程度加重，对粮食生产构成了严重的威胁。中国地域辽阔，各地降水量相差悬殊，因此干旱程度也差异很大。中国南方年均降水量达850~1800mm，少数地区达2000mm以上，北方除长白山地区年降水量达1000mm左右，其它地区年均降水量一般都在850mm以下，中国北部和西部的内蒙、宁夏、青海、新疆、甘肃、西藏的大部分地区年均降水量不足400mm。而我国冬小麦在长城以南青藏高原以东地区种植广泛，集中在秦岭淮河以北，黄河中下游的河南、河北、山东、陕西、山西五省，其次是长江中下游的安徽四川江苏等省份，是我国最大的小麦生产区，播种面积和产量均占全国的2/3以上，有我国麦仓之称。而干旱又是我国小麦生产区的重要环境胁迫，是小麦生产发展的重要限制因素。节水抗旱是目前以及将来小麦生产中不得不面对的难题。提高小麦的抗旱性，首先有赖于对小麦抗旱性科学而准确的评价，即要完善小麦抗旱性能的鉴定和分析方法。因此科学、准确地鉴定评价小麦品种及种质资源的抗旱性，是一项重要的基础性工作。

小麦的抗旱性是一项复杂的生物性状，它反映在一系列生理和形态变化上,以及生长发育的节奏与农业气候因素变化相配合的程度，并最终对产量产生一定影响。因此，给抗旱性鉴定工作带来了一定的难度。多年来，国内外学者在抗旱鉴定方面作了大量工作，并从不同角度提出了许多鉴定方法和指标，2008年由中国农科院景蕊莲研究员牵头，洛阳农林科学院张灿军研究员起草的小麦抗旱性鉴定评价技术形成了《GB/T 21127-2007小麦抗旱性鉴定评价技术规范》（以下简称国标）。本标准规定了小麦抗旱性的鉴定方法及判定规则，确定了该标准适用于小麦抗旱性检测。本标准小麦抗旱性鉴定时期分为种子萌发期、苗期、全生育期和水分临界期。种子萌发期抗旱性鉴定采用高渗溶液法进行，以种子发芽率为鉴定指标；苗期抗旱性鉴定采用两次干旱胁迫-复水法进行，以幼苗干旱存活率为鉴定指标；水分临界期抗旱性鉴定法在旱棚或田间进行，以小区籽粒产量计算抗旱指数；全生育期抗旱性鉴定采用旱棚鉴定法，以抗旱指数为鉴定指标。

它是目前农业部承认的唯一的小麦抗旱性鉴定技术规范。该方法不受降雨影响，且与大田生产条件接近，结果准确可靠，重演性好，年度间可比性好，便于控制水分胁迫程度和时期。洛阳农林科学院是作为农业部国家农作物品种审定委员会唯一指定的国家小麦品种抗旱性鉴定单位。由此方法得到的抗旱级别最为直观、最为可靠、最接近生产实际、最适宜于抗旱育种和区试工作采用的综合性评价指标，现已广泛用于小麦品种的抗旱性鉴定。

由上所述，现行的国标抗旱性鉴定技术规范受旱棚面积的限制，每年鉴定的数量有限，而对于大量小麦抗旱育种资源鉴定和早代材料选择较为不适宜，仍存在较大的局限。因此建立简便、有效、快速的评价技术仍是学者们非常关注的问题。

近红外区域是指波长在780-2526nm范围的电磁波，是人类最早发现的非可见光区域，距今已有近200年的历史。在近红外光谱区产生吸收的官能团主要是含氢基团，包括：C-H（甲基、亚甲基、甲氧基，羧基、芳基等），羟基O-H，巯基S-H，氨基N-H（伯胺、仲胺、叔胺和铵盐）等。其他官能团，如羧基碳与氧原子的伸缩振动、C-N伸缩振动、C-C伸缩振动在近红外区域也能够产生多级倍频吸收。几乎所有有机物的主要结构和组成都可以在它们的近红外光谱中找到信号，且谱图稳定。

1978年美国和加拿大就采用近红外法作为分析小麦蛋白质的标准方法，1998年美国材料试验学会制订了近红外光谱测定多元醇（聚亚安酯原材料）中羟值含量的ASTM D6342标准方法。2003年，在我国也正式实施了近红外光谱方法测定饲料中水分、粗蛋白质、粗纤维、粗脂肪、赖氨酸、蛋氨酸的国家标准GB/T 18868-2002。近红外光谱分析技术在农业和食品工业中的应用几乎遍及到了每一个角落，它为农业生产和食品加工提供了一种简单、快速、准确的质量控制手段，大大地提高了经济效益。

近红外分析技术在品质育种，特别是抗性育种中的应用研究也已锋芒初露。在抗病虫育种中，由于不同的植物具有不同的抗性机理和特征，用常规的方法来鉴定病虫害操作复杂，周期长。而用近红外分析技术可通过测定作物中各种化学成分变化来间接测定各项抗性指标，如植物几丁质酶与真菌抗性密切相关，Robert等研究了酥油草中几丁质酶的近红外分析定标方程，相关系数达0.9，南非Coetzee等用近红外分析芽鳞抽提物来预测对ELDANA SACCHARINA的抗性。这些信息有助于抗病虫品种的选育和育种计划中抗性亲本的选择。中国农科院利用78份谷子品种进行抗栗芒蝇试验，近红外分析测定结果与田间鉴定结果吻合率94.7%。并利用74份谷子品种进行抗玉米螟试验，近红外分析结果与田间鉴定结果吻合率82.7%。因此，NIRS有望成为农作物抗性鉴定的一条新途径。

近红外光谱在农作物抗病虫选育中的研究已有见报道，但利用近红外光谱分析法建立小麦抗旱材料的筛选体系及其机理研究还未见报道，此方面研究仍为空白。如果能根据抗旱材料在近红外区光谱信息，建立特征方程，就可作为筛选指标使用，为我们提供一种方便、无损、有效的筛选方法。

作为新兴技术领域，近红外光谱在农作物中的应用是在近20年逐步发展起来的，检测样品由原来的磨粉到现在的无损检测，检测精度逐渐提高。基于《GB/T 21127-2007小麦抗旱性鉴定评价技术规范》全生育期抗旱性鉴定得到不同抗旱级别的若干小麦材料作为定标样本，利用Perton DA7200型固定光栅连续光谱近红外分析仪进行扫描，采集近红外区丰富的光谱信息，利用定标模型的化学计量学软件（The Unscrambler）得到光谱信息和小麦抗旱指数之间的相关性，建立预测方程，并通过试验检验方程。建立一套简便、无损、高效的小麦抗旱材料筛选与鉴定体系。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用近红外漫反射光谱分析技术建立起来的抗旱性鉴定方法，可以有效地解决国标法限制因素，不受鉴定数量限制，可以大规模的快速、简便、有效进行抗旱资源筛选，并且能够在旱地小麦的早代育种中应用，初步确定早代材料的抗旱性。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：一种利用近红外光谱仪快速鉴定小麦抗旱性的技术方法，包括以下步骤：

A、选择具有代表性的、在各个抗旱级别上均有分布的小麦籽粒样品作为定标样品集，备用；

B、采用国标法小麦抗旱性鉴定方法确定定标样品集中所有小麦籽粒样品的抗旱指数；

C、对定标样品集进行近红外光谱采集并确定数学模型，方法为：

1）将定标样品集中的小麦籽粒干燥，并用近红外分析仪测定小麦籽粒水分，水分控制在10～11%，之后将定标样品集置于温度为25℃的条件下储藏；

2）将定标样品集中的小麦籽粒样品分别放入近红外分析仪操作室静置一昼夜；

3）将静置后的定标样品集小麦籽粒样品分别放入近红外分析仪的样品槽内，调整近红外分析仪扫描区间950～1650nm，扫描步长5nm；

4）用近红外分析仪对定标样品集内的样品分别进行全区间扫描，每个样品做5～10次重复，取其平均光谱，并以吸光度值表示，之后将采集的各个样品的吸光度值存储到计算机；

5）导出计算机存储的吸光度值，并将其与对应样品的抗旱指数形成建模矩阵,使用Unscrambler化学计量学软件去除定标样品集光谱测量数据中的高频噪声和基线漂移，提取和放大样品光谱差异信号，使用PLS法建立吸光度和抗旱指数的矩阵公式，此公式即为预测抗旱指数的近红外计算公式；

6）把形成的近红外计算公式输入到Perton DA7200全光谱近红外分析仪中，形成预测抗旱指数的系统参数， Perton DA7200全光谱近红外分析仪对被测样品扫描后，即可得到被测样品的抗旱指数；

D、对待测样品进行检测，方法为：

1）将待测样品中的小麦籽粒干燥，并用近红外分析仪测定小麦籽粒水分，水分控制在10～11%，之后将待测样品置于温度为25℃的条件下储藏；

2）将待测样品放入Perton DA7200全光谱近红外分析仪操作室静置一昼夜；

3）打开Perton DA7200全光谱近红外分析仪，机器预热30min，打开测试系统，调至抗旱指数测定系统；

4）将静置后的待测样品放入Perton DA7200全光谱近红外分析仪的样品槽内，对待测样品扫描，即可读出待测样品的抗旱指数。

在上述方法中，定标样品集中各个小麦材料的抗旱级别要在抗旱级别上大致均匀分布，这样选择定标样品集才可保证样品的全面性和代表性。

本发明的有益效果是，不同抗旱类型的小麦籽粒在近红外光谱上存在明显差异，可利用它们在近红外光谱上的差异建立小麦抗旱材料筛选和鉴定的数学模型。本发明利用国标法进行小麦抗旱性鉴定后，作为建库样本，之后不断扩建数据库，进而形成的判定方程，更加具有可靠性和适用性，这样利用新建立的抗旱性鉴定体系，可以不受周期限制，随时鉴定，不受数量限制。通过新的鉴定体系，可以大规模、简便、有效的进行抗旱资源筛选，解决了传统方法利用产量指标进行抗旱性鉴定程序复杂、易受各种实验条件影响的难题，且利用近红外分析技术建立小麦抗旱材料筛选和鉴定体系，可快速、无损、有效的对小麦的早代及高代材料进行抗旱性鉴定。

具体实施方式

下面对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1、一种利用近红外光谱仪快速鉴定小麦抗旱性的技术方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、选择具有代表性的、在各个抗旱级别上均有分布的小麦籽粒样品作为定标样品集，备用；

B、采用国标法小麦抗旱性鉴定方法确定定标样品集中所有小麦籽粒样品的抗旱指数；

C、对定标样品集进行近红外光谱采集并确定数学模型，方法为：

1）将定标样品集中的小麦籽粒干燥，并用近红外分析仪测定小麦籽粒水分，水分控制在10～11%，之后将定标样品集置于温度为25℃的条件下储藏；

2）将定标样品集中的小麦籽粒样品分别放入近红外分析仪操作室静置一昼夜；

3）将静置后的定标样品集小麦籽粒样品分别放入近红外分析仪的样品槽内，调整近红外分析仪扫描区间950～1650nm，扫描步长5nm；

4）用近红外分析仪对定标样品集内的样品分别进行全区间扫描，每个样品做5～10次重复，取其平均光谱，并以吸光度值表示，之后将采集的各个样品的吸光度值存储到计算机；

5）导出计算机存储的吸光度值，并将其与对应样品的抗旱指数形成建模矩阵,使用Unscrambler化学计量学软件去除定标样品集光谱测量数据中的高频噪声和基线漂移，提取和放大样品光谱差异信号，使用PLS法建立吸光度和抗旱指数的矩阵公式，此公式即为预测抗旱指数的近红外计算公式；

6）把形成的近红外计算公式输入到Perton DA7200全光谱近红外分析仪中，形成预测抗旱指数的系统参数， Perton DA7200全光谱近红外分析仪对被测样品扫描后，即可得到被测样品的抗旱指数；

D、对待测样品进行检测，方法为：

1）将待测样品中的小麦籽粒干燥，并用近红外分析仪测定小麦籽粒水分，水分控制在10～11%，之后将待测样品置于温度为25℃的条件下储藏；

2）将待测样品放入Perton DA7200全光谱近红外分析仪操作室静置一昼夜；

3）打开Perton DA7200全光谱近红外分析仪，机器预热30min，打开测试系统，调至抗旱指数测定系统；

4）将静置后的待测样品放入Perton DA7200全光谱近红外分析仪的样品槽内，对待测样品扫描，即可读出待测样品的抗旱指数。

实施例一

一种利用近红外漫反射快速进行小麦抗旱性鉴定的方法，包括以下步骤：

A、选择具有代表性的、在各个抗旱级别上均匀分布的小麦籽粒样品作为定标样品集，备用；

B、采用小麦抗旱性常规鉴定方法确定定标样品集中所有小麦籽粒样品的抗旱指数；

按下式计算抗旱指数：

DI = GYS.T²·GYS.W^-1·GYCK.W·（GYCK.T²）^-1

式中：

DI：抗旱指数；

GYS.T：待测材料胁迫处理籽粒产量；

GYS.W：待测材料对照处理籽粒产量；

GYCK.W：对照品种对照处理籽粒产量；

GYCK.T：对照品种胁迫处理籽粒产量。

小麦的抗旱性分为五级：极强、强、中等、弱、极弱。

全生育期抗旱性评价标准见下表1。

表一：小麦全生育期的抗旱性评价标准

C、对定标样品集进行近红外光谱采集并确定数学模型，方法为：

1）将定标样品集中的小麦籽粒干燥，并用近红外分析仪测定小麦籽粒水分，水分控制在10～11%，之后将定标样品集置于温度为25℃的条件下储藏；

2）将定标样品集中的小麦籽粒样品分别放入近红外分析仪操作室内静置一昼夜；

3）将静置后的定标样品集中的小麦籽粒样品分别放入近红外分析仪的样品槽内，调整近红外分析仪扫描区间950～1650nm，扫描步长5nm；

4）用近红外分析仪对定标样品集内的样品分别进行全区间扫描，每个样品做7次重复，取其平均光谱，并以吸光度值表示，之后将采集的各个样品的吸光度值存储到计算机；

5）导出计算机存储的吸光度值，并将其与对应样品的抗旱指数形成建模矩阵,使用The Unscrambler化学计量学软件去除定标样品集光谱测量数据中的高频噪声和基线漂移，提取和放大样品光谱差异信号，使用PLS法建立吸光度和抗旱指数的矩阵公式，此公式即为预测抗旱指数的近红外计算公式；

6）把形成的近红外计算公式输入到Perton DA7200全光谱近红外分析仪中，形成预测抗旱指数的系统参数， Perton DA7200全光谱近红外分析仪对被测样品扫描后，即可得到被测样品的抗旱指数；

D、对待测样品进行检测，方法为：

1）将待测样品中的小麦籽粒干燥，并用近红外分析仪测定小麦籽粒水分，水分控制在10～11%，之后将待测样品置于温度为25℃的条件下储藏；

2）将待测样品放入Perton DA7200全光谱近红外分析仪操作室静置一昼夜；

3）打开Perton DA7200全光谱近红外分析仪，机器预热30min，打开测试系统，调至抗旱指数测定系统；

4）用近红外分析仪对待测样品进行全区间扫描，做2次重复，取其平均光谱，并以吸光度值表示，之后将采集的吸光度值代入到步骤C获取的近红外计算公式，即得待测样品的抗旱指数。

结果分析：

表二：预测样本抗旱指数对照表

预测值：是指采用本发明方法测得检验样品的抗旱指数；

鉴定值：是根据国标法得到抗旱指数。

对通过对供试样本建立小麦抗旱性鉴定模型，抗旱指数通过国标法获得，作为国标值样本数据，抗旱指数预测值与国标值之间的相关系数（Correlation）为0.872，预测均方根误差（RMSEC）为0.112，确定系数（R-Square）为0.760。将预测样本7个未知样本籽粒通过相关模型进行预测，预测样本的抗旱指数与国标值之间的相关系数（Correlation）为0.93，验证均方根误差（EMSEP）为0.064，确定系数（R-Square）为0.869。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围之内，对本发明作用的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。

Claims (1)

1. 一种利用近红外光谱仪快速鉴定小麦抗旱性的技术方法，其特征在于，包括以下步骤 ：

A、选择具有代表性的、在各个抗旱级别上均有分布的小麦籽粒样品作为定标样品集，备用 ；

B、采用国标法小麦抗旱性鉴定方法确定定标样品集中所有小麦籽粒样品的抗旱指数 ；

C、对定标样品集进行近红外光谱采集并确定数学模型，方法为 ：

1）将定标样品集中的小麦籽粒干燥，并用近红外分析仪测定小麦籽粒水分，水分控制在 10-11 %，之后将定标样品集置于温度为 25℃的条件下储藏 ；

2）将定标样品集中的小麦籽粒样品分别放入近红外分析仪操作室静置一昼夜 ；

3）将静置后的定标样品集小麦籽粒样品分别放入近红外分析仪的样品槽内，调整近红外分析仪扫描区间 950 ～ 1650nm，扫描步长 5nm ；

4）用近红外分析仪对定标样品集内的样品分别进行全区间扫描，每个样品做 5 ～ 10次重复，取其平均光谱，并以吸光度值表示，之后将采集的各个样品的吸光度值存储到计算机 ；

5）导出计算机存储的吸光度值，并将其与对应样品的抗旱指数形成建模矩阵 , 使用Unscrambler 化学计量学软件去除定标样品集光谱测量数据中的高频噪声和基线漂移，提取和放大样品光谱差异信号，使用 PLS 法建立吸光度和抗旱指数的矩阵公式，此公式即为预测抗旱指数的近红外计算公式；

6）把形成的近红外计算公式输入到Perton DA7200 全光谱近红外分析仪中，形成预测抗旱指数的系统参数， Perton DA7200 全光谱近红外分析仪对被测样品扫描后，即可得到

被测样品的抗旱指数 ；

D、对待测样品进行检测，方法为 ：

1）将待测样品中的小麦籽粒干燥，并用近红外分析仪测定小麦籽粒水分，水分控制在10%，之后将待测样品置于温度为25℃的条件下储藏 ；

2）将待测样品放入 Perton DA7200 全光谱近红外分析仪操作室静置一昼夜 ；

3）打开 Perton DA7200 全光谱近红外分析仪，机器预热 30min，打开测试系统，调至抗旱指数测定系统 ；

4）将静置后的待测样品放入 Perton DA7200 全光谱近红外分析仪的样品槽内，对待测样品扫描，即可读出待测样品的抗旱指数。