生物发光法和高光谱成像技术检测番茄青枯病

【摘要】：青枯劳尔氏菌(Ralstonia solanacearum)是最具破坏性的植物病原细菌之一,引起250多种植物的细菌性青枯病。该病原菌可在土壤和水流的环境中长期生存,通过伤口侵入寄主植物根部,然后迅速增殖造成整株植物萎蔫甚至死亡。目前该病原菌的致病机制还不是很清楚,农业生产中也缺乏有效的抗性品种。为了辅助研究植物抗青枯病的分子机制,以及快速选育抗病品种,本研究利用生物发光系统以及高光谱成像技术建立了可系统性、高通量监测青枯病的方法,获得以下结果:(1)利用生物发光法建立系统性监测青枯病的方法。本研究构建了表达luxCDABE基因的青枯菌发光菌株。luxCDABE基因操纵子编码荧光素酶及其底物合成酶,可自主发光,已被广泛用于生物活体检测。我们构建了含有luxCDABE基因操纵子的重组质粒,转入青枯劳尔氏菌FJ1470中,命名为FJ1470-LUX。与FJ1470相比,FJ1470-LUX的生长速率、生物膜形成和游动性无明显差异;光信号强度与菌液浓度呈线性相关;在适宜菌生长条件下,光信号不受温度和pH的影响;经过10次继代培养后,光信号强度无明显减弱。FJ1470-LUX接种番茄后,致病性与FJ1470无明显差异,FJ1470-LUX侵染番茄2天后即可观察到光信号,并且光信号与该菌侵染增殖成线性相关。另外,本研究所构建luxCDABE表达载体可用于构建其它发光菌株,例如:胡萝卜软腐果胶杆菌、大肠杆菌和农杆菌。综上所述,FJ1470-LUX可以满足早期检测,并实现番茄青枯病的无损、实时系统性监测。(2)基于高光谱成像技术构建了番茄青枯病的高通量检测模型。对青枯菌侵染和未侵染的番茄进行高光谱成像获得原始光谱信息,经过标准正态变量(Standard normal variate,SNV)方法矫正后,应用连续投影算法(Successive projections algorithm,SPA)提取特征波长,然后基于全波长和特征波长建立检测模型,其中通过线性判别分析(Linear discriminant analysis,LDA)所建模型在叶中的检测准确率可达90%以上,非线性组合后的花青素反射指数(Anthocyanin reflectance index,ARI)在青枯菌接种后显著高于对照。因此,基于高光谱成像技术的LDA和ARI分析可以作为番茄青枯病的高通量检测模型。综上所述,本研究构建了青枯菌发光菌株,实现了番茄青枯病的系统性监测;建立了基于高光谱成像技术的番茄青枯病的检测模型,实现了番茄青枯病的高通量检测。这些方法为番茄青枯病相关领域的研究提供了新的工具。