CN110554017A - 一种植物叶绿素荧光参数的校正方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种植物叶绿素荧光参数的校正方法和装置，包括以下步骤；A1、对植物暗适应处理；A2、获取植物的最小叶绿素荧光图像，再获取植物的最大叶绿素荧光图像；A3、使植物处于光化光照射环境下，获取植物此时的初始反射图像；A4、以光化光对植物照射并持续t时长，使植物达到光适应状态后，获取植物反射图像和动态瞬时荧光图像；A5、使植物被紫外光光照t时长后，获取植物稳态的蓝色光谱荧光图像、绿色光谱荧光图像、红色光谱荧光图像和远红外光谱荧光图像；A6、计算叶绿素荧光产量偏差系数；A7、进行校正计算，得到光照条件下实际的叶绿素荧光产量参数；A8、经运算得到实际叶绿素荧光参数图像以进行分析；本发明能更加准确检测光合作用效率。
Description
技术领域
本发明涉及植物表型分析技术领域，尤其是一种植物叶绿素荧光参数的校正方法和装置。
背景技术
光合作用效率是植物表型中及其重要的一个性状，是研究的重点之一。叶绿体作为光合作用的机构，对其生理状态的快速无损监测是实现高通量光合作用分析的重要环节。叶绿素荧光是植物光合作用的“探针”，能反映实时植物光合作用效率。然而，目前在测量植物叶片的叶绿素荧光信号时，常常忽略了叶绿体会在光照下移动的行为（聚集和移动），导致测量到的荧光产量存在偏差，导致光合作用效率测量的准确率降低，不利于筛选出光合作用效率优良的品种。
发明内容
本发明提出一种植物叶绿素荧光参数的校正方法和装置，可用于原始叶绿素荧光图像的校正以得到真实的叶绿素荧光图像，能实现更加准确检测光合作用效率的目的。
本发明采用以下技术方案。
一种植物叶绿素荧光参数的校正方法，用于测量植物叶绿素荧光参数，所述方法包括以下步骤；
A1、把植物置于黑暗环境下，对植物进行暗适应处理，以使植物的光合系统复位至初始状态；
A2、在黑暗环境下，通过测量光光照，以相机经滤光元件获取暗适应处理完成后的植物的最小叶绿素荧光图像，再通过饱和光光照，以相机经滤光元件获取暗适应处理完成后的植物的最大叶绿素荧光图像；
A3、使植物处于光化光照射环境下，并立即经相机获取植物处于光化光照射环境时的初始反射图像；
A4、以光化光对植物照射并持续t时长，使植物达到光适应状态后，经相机获取t时长光化光照射后的植物反射图像；再以相机经滤光元件获取此时的植物动态瞬时荧光图像；
A5、使植物处于紫外光光照环境下t时长后，以相机经滤光元件获取t时长紫外光照射后的植物稳态的蓝色光谱荧光图像、绿色光谱荧光图像、红色光谱荧光图像和远红外光谱荧光图像；
A6、根据植物处于光化光照射环境时的初始反射图像得出此时的叶绿素产量Ro；根据t时长光化光照射后的植物反射图像得出此时的叶绿素产量Rt，再以公式c=1+((Rt-Ro))⁄Ro计算在光照条件下叶绿体移动造成的叶绿素荧光产量偏差系数；
A7、对上述得到的动态和稳态的叶绿素荧光产量进行校正，得到光照条件下实际的叶绿素荧光产量参数；
A8、将校正后的叶绿素荧光产量参数进行数学运算，得到能够反映植物实际光合作用的叶绿素荧光参数图像以进行分析。
在步骤A1中，对植物进行暗适应处理的时间不少于25分钟，在暗适应处理时，可使用强度约为10 μmol·m-2·s-1的740nm远红外光对植物照射。
在步骤A3中，所述光化光照射环境采用光强变化的光化光来模拟自然环境；所述光强变化的模式包括恒光强、sin变化，cos变化或阶梯变化中的一种或多种。
所述叶绿素荧光参数包括非光化光淬灭系数、光适应状态下的最小荧光可变荧光、光适应状态下的稳态荧光参数。
一种植物叶绿素荧光参数的校正装置，所述校正装置为以上所述方法使用的装置；
所述校正装置包括控制模块和一个侧壁处设有反光镜的箱体，所述箱体可容置待测量的植物；所述箱体的顶板处设有光源组件和相机；所述相机的拍照方向指向箱内植物；相机前方设有镜头，相机和镜头之间设有滤光元件；所述光源组件可在控制模块控制下改变植物的光照环境；所述滤光元件可在控制模块控制下对射向相机进光端的光线进行过滤。
所述箱体内设有传输带；传输带上设有穴盘装载植物；所述传输带可把植物送入或送出箱体。
所述相机为单色CCD相机。
所述滤光元件为滤波轮；所述滤波轮上设有六个工作位；所述工作位包括五个滤光位和一个零位；所述零位不对光进行过滤；各滤光位处各设有一枚对光进行过滤的滤光片；各滤光位的滤光片分别为680 nm带通滤光片、440 nm带通滤光片，520nm带通滤光片，690 nm带通滤光片 和740 nm带通滤光片。
所述光源组件包括若干个按环形排列的LED光源；所述相机设于LED光源所排列环形的中央处；所述植物在测量时位于相机下方。
所述LED光源包括中心波长为620nm的光化光光源、中心波长为400nm的紫外光源；所述光化光光源为用于激发动态叶绿素荧光和提供获取反射图像的光源；所述紫外光源为用于激发稳态叶绿素荧光的光源。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
（1）本发明的方法及装置能够克服叶绿体对光的响应引起的移动造成叶绿素荧光信号测量的偏差，能更加准确的获取植物的光合作用信息
（2）本发明的方法及装置通过程序设定不同的光照模式，模拟自然条件的光强变化，强化植物对不同光照的光响应的差异，实现植物光合作用效率准确的检测。
（3）获得到校正后的荧光信号包括了动态荧光和稳态荧光，能从不同光合作用尺度解释不同基因型植物的光合作用差异。
本发明提供了叶绿素荧光参数的校正方法与装置，通过分别获得植物的暗适应和光照条件下的荧光图像，并采集光照初始时刻和t时刻对应的红光反射图像，计算出偏差系数，用于原始叶绿素荧光图像的校正，最终得到真实的叶绿素荧光图像，实现光合作用效率更加准确检测的目的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明所述装置的示意图；
附图2是本发明所述箱体顶板处的示意图；
附图3是本发明所述方法的流程示意图；
图中：1-相机；2-植物；3-穴盘；4-传输带；5-箱体；6-光化光光源；7-紫外光源；14-滤波轮；15-控制模块；201-镜头；202-工作位。
具体实施方式
如图1-3所示，一种植物叶绿素荧光参数的校正方法，用于测量植物叶绿素荧光参数，所述方法包括以下步骤；
A1、把植物置于黑暗环境下，对植物进行暗适应处理，以使植物的光合系统复位至初始状态；
A2、在黑暗环境下，通过测量光光照，以相机经滤光元件获取暗适应处理完成后的植物的最小叶绿素荧光图像，再通过饱和光光照，以相机经滤光元件获取暗适应处理完成后的植物的最大叶绿素荧光图像；
A3、使植物处于光化光照射环境下，并立即经相机获取植物处于光化光照射环境时的初始反射图像；
A4、以光化光对植物照射并持续t时长，使植物达到光适应状态后，经相机获取t时长光化光照射后的植物反射图像；再以相机经滤光元件获取此时的植物动态瞬时荧光图像；
A5、使植物处于紫外光光照环境下t时长后，以相机经滤光元件获取t时长紫外光照射后的植物稳态的蓝色光谱荧光图像、绿色光谱荧光图像、红色光谱荧光图像和远红外光谱荧光图像；
A6、根据植物处于光化光照射环境时的初始反射图像得出此时的叶绿素产量Ro；根据t时长光化光照射后的植物反射图像得出此时的叶绿素产量Rt，再以公式c=1+((Rt-Ro))⁄Ro计算在光照条件下叶绿体移动造成的叶绿素荧光产量偏差系数；
A7、对上述得到的动态和稳态的叶绿素荧光产量进行校正，得到光照条件下实际的叶绿素荧光产量参数；
A8、将校正后的叶绿素荧光产量参数进行数学运算，得到能够反映植物实际光合作用的叶绿素荧光参数图像以进行分析。
在步骤A1中，对植物进行暗适应处理的时间不少于25分钟，在暗适应处理时，可使用强度约为10 μmol·m-2·s-1的740nm远红外光对植物照射。
在步骤A3中，所述光化光照射环境采用光强变化的光化光来模拟自然环境；所述光强变化的模式包括恒光强、sin变化，cos变化或阶梯变化中的一种或多种。
所述叶绿素荧光参数包括非光化光淬灭系数、光适应状态下的最小荧光可变荧光、光适应状态下的稳态荧光参数。
一种植物叶绿素荧光参数的校正装置，所述校正装置为以上所述方法使用的装置；
所述校正装置包括控制模块15和一个侧壁处设有反光镜的箱体，所述箱体可容置待测量的植物2；所述箱体的顶板处设有光源组件和相机1；所述相机的拍照方向指向箱内植物；相机前方设有镜头201，相机和镜头之间设有滤光元件；所述光源组件可在控制模块控制下改变植物的光照环境；所述滤光元件可在控制模块控制下对射向相机进光端的光线进行过滤。
所述箱体内设有传输带4；传输带上设有穴盘3装载植物；所述传输带可把植物送入或送出箱体。
所述相机为单色CCD相机。
所述滤光元件为滤波轮14；所述滤波轮上设有六个工作位202；所述工作位包括五个滤光位和一个零位；所述零位不对光进行过滤；各滤光位处各设有一枚对光进行过滤的滤光片；各滤光位的滤光片分别为680 nm带通滤光片、440 nm带通滤光片，520nm带通滤光片，690 nm带通滤光片 和740 nm带通滤光片。
所述光源组件包括若干个按环形排列的LED光源；所述相机设于LED光源所排列环形的中央处；所述植物在测量时位于相机下方。
所述LED光源包括中心波长为620nm的光化光光源6、中心波长为400nm的紫外光源7；所述光化光光源为用于激发动态叶绿素荧光和提供获取反射图像的光源；所述紫外光源为用于激发稳态叶绿素荧光的光源。
实施例：
如图1所示，叶绿素荧光参数的校正方法的装置包括成像系统，由CCD单色相机1，10毫米的镜头，以及滤波轮14组成。滤波轮上六个工作位置，包括了680 nm带通滤光片，窄带440nm，520 nm，690 nm 和740 nm滤光片，以及零位（无滤光片）。680nm带通滤光片,滤光片用于动态荧光测量，窄带440 nm，520 nm，690 nm 和740 nm用滤光片于多光谱荧光测量，零位（无安装滤光片）用于红光反射率图像获取。不同基因型的植物2按相同的方式种植于穴盘3中，把穴盘安放于传输带4上，实现不同穴盘中的植物均能进入相机的视野范围内。为了得到动态荧光、稳态荧光和红光反射率图像，系统提供了4个光化光光源（620 nm）和4个紫外光（400 nm），这些光源分别安装于相机的四周且均匀分布于箱体底部上方，保证为植物提供均匀的光源。
叶绿素荧光参数的校正过程流程如图3所示，
（1）在微弱的远红光的照射下，首先将植物在箱体5暗室里暗适应25分钟后。
（2）控制模块控制滤波轮转向至680 nm带通滤光片位置，打开测量光（强度约为1μmol·m-2·s-1），相机获取最小荧光图像，3秒后，打开饱和光（2000 μmol·m-2·s-1），相机获取最大荧光图像。程序控制滤波轮转向零位位置，打开光化光，相机立即获取此时植物的反射图像；
（3）光化光持续照射植物，在t时刻，相机获取t时刻的植物的反射图像；接着程序控制滤波轮转向680 nm带通滤光片位置，获取此时的动态瞬时荧光图像，打开饱和光，相机再次获取光照条件下的最大荧光图像；
（4）关闭光化光，打开紫外光源，程序控制滤波轮转向440 nm窄带滤光片位置，获取蓝色光谱荧光图像，接着程序控制滤波轮转向520nm窄带滤光片位置，获取绿色光谱荧光图像，接着程序控制滤波轮转向690nm窄带滤光片位置，获取红色光谱荧光图像 ，截止程序控制滤波轮转向740nm窄带滤光片位置，获取远红色光谱荧光图像；
（5）计算在光照条件下叶绿体移动造成的叶绿素荧光产量偏差系数c=1+((Rt-Ro))⁄Ro；
（6）对上述得到的动态和稳态的叶绿素荧光产量进行校正，得到光照条件下实际的叶绿素荧光产量；
（7）将校正后的叶绿素荧光参数进行数学运算，得到能够反映植物实际光合作用的叶绿素荧光参数图像进行分析，其中的动态荧光参数如非光化光淬灭系数：，光适应下的最小荧光可变荧光；
（8）程序控制下一个待测的穴盘中的植物进入相机视野，循环上述步骤，将所有植物进行检测，分析不同基因型植物的光合作用效率，实现光合作用效率优良的品种的筛选。
本例中，窄带440 nm、520 nm、690 nm 和740 nm滤光片这四个窄带滤光片的半带宽均为15 nm，控制模块内置的控制程序和分析程序采用C++编写。
以上所述仅为本发明的具体的实施例，凡依本发明申请专利范围所做的变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种植物叶绿素荧光参数的校正方法，用于测量植物叶绿素荧光参数，其特征在于：所述方法包括以下步骤；
A1、把植物置于黑暗环境下，对植物进行暗适应处理，以使植物的光合系统复位至初始状态；
A2、在黑暗环境下，通过测量光光照，以相机经滤光元件获取暗适应处理完成后的植物的最小叶绿素荧光图像，再通过饱和光光照，以相机经滤光元件获取暗适应处理完成后的植物的最大叶绿素荧光图像；
A3、使植物处于光化光照射环境下，并立即经相机获取植物处于光化光照射环境时的初始反射图像；
A4、以光化光对植物照射并持续t时长，使植物达到光适应状态后，经相机获取t时长光化光照射后的植物反射图像；再以相机经滤光元件获取此时的植物动态瞬时荧光图像；
A5、使植物处于紫外光光照环境下t时长后，以相机经滤光元件获取t时长紫外光照射后的植物稳态的蓝色光谱荧光图像、绿色光谱荧光图像、红色光谱荧光图像和远红外光谱荧光图像；
A6、根据植物处于光化光照射环境时的初始反射图像得出此时的叶绿素产量Ro；根据t时长光化光照射后的植物反射图像得出此时的叶绿素产量Rt，再以公式c=1+((Rt-Ro))⁄Ro计算在光照条件下叶绿体移动造成的叶绿素荧光产量偏差系数；
A7、对上述得到的动态和稳态的叶绿素荧光产量进行校正，得到光照条件下实际的叶绿素荧光产量参数；
A8、将校正后的叶绿素荧光产量参数进行数学运算，得到能够反映植物实际光合作用的叶绿素荧光参数图像以进行分析。
2. 根据权利要求1所述的一种植物叶绿素荧光参数的校正方法，其特征在于：在步骤A1中，对植物进行暗适应处理的时间不少于25分钟，在暗适应处理时，可使用强度约为10 μmol·m-2·s-1的740nm远红外光对植物照射。
3.根据权利要求1所述的一种植物叶绿素荧光参数的校正方法，其特征在于：在步骤A3中，所述光化光照射环境采用光强变化的光化光来模拟自然环境；所述光强变化的模式包括恒光强、sin变化，cos变化或阶梯变化中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种植物叶绿素荧光参数的校正方法，其特征在于：所述叶绿素荧光参数包括非光化光淬灭系数、光适应状态下的最小荧光可变荧光、光适应状态下的稳态荧光参数。
5.一种植物叶绿素荧光参数的校正装置，其特征在于：所述校正装置为权利要求1所述方法使用的装置；
所述校正装置包括控制模块和一个侧壁处设有反光镜的箱体，所述箱体可容置待测量的植物；所述箱体的顶板处设有光源组件和相机；所述相机的拍照方向指向箱内植物；相机前方设有镜头，相机和镜头之间设有滤光元件；所述光源组件可在控制模块控制下改变植物的光照环境；所述滤光元件可在控制模块控制下对射向相机进光端的光线进行过滤。
6.根据权利要求5所述的一种植物叶绿素荧光参数的校正装置，其特征在于：所述箱体内设有传输带；传输带上设有穴盘装载植物；所述传输带可把植物送入或送出箱体。
7.根据权利要求5所述的一种植物叶绿素荧光参数的校正装置，其特征在于：所述相机为单色CCD相机。
8. 根据权利要求7所述的一种植物叶绿素荧光参数的校正装置，其特征在于：所述滤光元件为滤波轮；所述滤波轮上设有六个工作位；所述工作位包括五个滤光位和一个零位；所述零位不对光进行过滤；各滤光位处各设有一枚对光进行过滤的滤光片；各滤光位的滤光片分别为680 nm带通滤光片、440 nm带通滤光片，520nm带通滤光片，690 nm带通滤光片和740 nm带通滤光片。
9.根据权利要求7所述的一种植物叶绿素荧光参数的校正装置，其特征在于：所述光源组件包括若干个按环形排列的LED光源；所述相机设于LED光源所排列环形的中央处；所述植物在测量时位于相机下方。
10.根据权利要求7所述的一种植物叶绿素荧光参数的校正装置，其特征在于：所述LED光源包括中心波长为620nm的光化光光源、中心波长为400nm的紫外光源；所述光化光光源为用于激发动态叶绿素荧光和提供获取反射图像的光源；所述紫外光源为用于激发稳态叶绿素荧光的光源。
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