粘虫取食玉米诱导的电信号变化分析

杨利艳,李　琦,王小娜

(1.山西师范大学 生命科学学院,山西 临汾 041004;2.山西师范大学 现代文理学院, 山西 临汾 041004)

玉米(ZeamaysL.)是全球第一大粮食作物.在我国,玉米产量约占全国粮食总产量的1/4,近年来,随着各类产业对玉米需求的增长,我国由玉米净出口国变为玉米净进口国,玉米的粮食安全已引起广泛的关注.粘虫(Mythimnaseparate)属鳞翅目夜蛾科,具有迁飞性、暴食性和杂食性,喜食禾本科植物,对水稻、小麦和玉米的安全生产威胁最大.自1995年以来,玉米已成为三大粮食作物中受粘虫危害最严重的一种[1].粘虫危害严重时会将玉米绿叶全部吃光,只剩叶脉,15 d左右玉米就会枯死;危害较轻时会将玉米叶部分吃掉或把玉米叶片啃成洞眼.但是无论粘虫危害轻或重,都会造成玉米的品质及产量不同程度的下降.如何预防或者减轻粘虫对玉米的侵害,从而提高玉米的产量及品质,已经成为亟需解决的问题.

当植物受到外界刺激时,细胞内部电位发生变化,并向临近细胞传递,当这种电位变化足以被记录到时,便产生了电信号[2].本实验通过建立玉米在受到粘虫侵害时的电信号变化模型,旨在为现代农业远程监控系统提供参考,将其与监控系统对特异波形的识别相结合,使监控系统能够在粘虫对玉米造成大面积侵害前就进行预警,进而及时采取手段消灭虫害,减轻粘虫对玉米的侵害,为保证玉米的粮食安全提供可行的措施.

1　材料与方法

1.1　材料

1.1.1植物材料

玉米先玉335(PH6WC×PH4CV)种子,由山西省农科院小麦研究所提供.

在半径为5 cm的培养皿底部铺浸透蒸馏水的滤纸,放置玉米种子,置25 ℃暗培养,待种子发芽后,移到半径为7 cm的盆里生长,正常水肥管理.待玉米长至六叶期时,开始进行实验.

1.1.2动物材料

粘虫(Mythimnaseparate)卵由中国农科院植保所提供.

将带有粘虫卵的纸片放入玻璃瓶中,玻璃瓶口罩上湿润的纱布,以保持湿度适宜,并在其中放入幼嫩玉米叶片(将叶片用湿润的棉花将断裂口包住,以保持其新鲜),在室温中饲养,每天更换玉米叶片.

1.1.3实验装置

植物电信号具有微弱低频[3,4]的特点,电信号幅值一般介于毫伏[5,6](mV)与微伏[7](μV)级别,植物电信号在正常的生理状态下仅处于μV级,其功率谱主要集中在5 Hz这一频段.所以实验采用植物微弱电信号放大器(由本实验室发明,专利申请号:2016109550468)放大玉米电信号,信号放大倍数为100倍.

数据的采集:NI公司生产的NI USB 6008数据采集卡.实验创建4路的模拟信号输出,设置每秒采集1 000个数据.考虑到极化电位、噪声及性价比等因素,实验测试电极选用尖端直径为0.1～0.2 mm的铜电极[8].

分析软件:对信号的分析采用软件NI labview、OriginPro 8.0、image-pro-plus 6.0.NI labview是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言.本实验将其与数据采集卡相连,实现数据采集功能.OriginPro 8.0是一种专业函数绘图软件,拥有强大的数据分析能力和专业绘图能力.本实验用其进行数据滤波、平滑、绘图.image-pro-plus 6.0是一款功能强大的2D和3D图像处理、增强和分析软件,具有测量和定制功能.本实验用其进行小坐标尺的建立.

1.2　方法

1.2.1测量方法

将接触电极的正负电极直接刺入玉米的第四完全展开叶的叶背部,两个电极的连线方向与叶背的叶主脉方向一致,且正电极靠近根部,参考电极接地[9].三根电极均由引导电极连入植物微弱电信号放大器,并用NI labview软件采集数据.实验原理及实验装置如图所示(图1,图2).为了消除刺伤对植物电信号的影响,电极刺入后让植物适应半个小时再开始测试,并同步记录数据.为避免外界干扰,实验在室内进行,室温25 ℃.

图1　实验原理图Figure 1　Experimental schematics

图2　实验装置图Figure 2　Experimental installation diagram

1.2.2实验设置

实验设3个处理,分别进行粘虫刺激(T1)、烧伤刺激(T2)和剪伤刺激(T3).

T1组:用镊子轻轻将1只粘虫的幼虫放在玉米的叶片上,在粘虫开始咬食叶片时,开始计时,记录5 min的实验数据.

T2组:记录3 min的实验数据,在计时开始后1 min时,将点燃的蜡烛放在玉米的叶片下方,用外焰灼伤10 s后,移开火源.

T3组:记录3 min的实验数据,在计时开始后1 min时,用剪刀将玉米的叶片的叶脉剪断.

在同一株玉米上进行以上三种刺激,每种刺激完成后,让植物适应半个小时恢复至平静状态,再测试另一种刺激,数据记录完成,更换玉米进行以上操作.重复操作10次,共记录10×3组数据.

1.2.3信号处理分析

1.2.3.1滤波处理

滤波处理是利用傅立叶变换[10]和傅立叶逆变换实现的,傅立叶分析是将信号分解成不同频率的正弦函数进行叠加.

通过傅立叶变换将原来难以理解的时域信号转变为易于分析的频域信号(信号的频谱),将这些信号进行处理、加工,再通过傅立叶逆变换将所得的频域信号再转变为时域信号.

时域反映了一个信号的强度随时间变换的特征,频域反映了一个信号强度在不同频率上的分布.

利用OriginPro 8.0软件Analysis中Signal Processing的FFT Filters操作,设置滤波类型Low Pass,频率剪切点0.001.

1.2.3.2曲线平滑

对信号曲线的平滑是依据一定的数学算法来实现的,利用OriginPro 8.0软件Analysis中Signal Processing的Smoothing操作,采用Savitzky-Golay算法,这是对局部数据进行多项式回归来实现曲线的平滑,它能有效保留数据原始特征.设置窗函数大小10 000、边界条件None、用于多项式回归的多项式次数为2.

1.2.3.3模型建立

将同种刺激下采集到的数据取平均值,作为实验的最终数据,然后用OriginPro 8.0建立波形图.

1.2.3.4坐标尺建立

因为放大器存在初始失调电压,所以用标尺来表示电压与时间.用Image-Pro Plus 6.0软件添加横纵坐标的标尺,横坐标表示时间,纵坐标表示幅值.

2　结果与分析

从图3可以看出,在粘虫、烧伤及剪伤刺激下,玉米叶片电信号比较微弱,放大100倍后仍处于mV级别;但在不同的刺激下,植物电信号表现出的波形幅度、变化快慢有显著差异,有的快速而短暂,有的缓慢而持续.

对比分析三种刺激下的电信号变化波形图,可得粘虫取食刺激下的模型图与其它两种刺激存在明显差别.

从计时开始到结束的5 min内,粘虫一直在进行取食,从波形图上可见,玉米电信号的幅值处于不断的小幅度波动状态,说明粘虫取食引起的电信号较平稳,无大幅度的上升或下降.(图3a)

图3　不同刺激下的玉米电信号变化图Figure 3　Variation of maize electrical signals under different stimuli

在玉米叶片受火灼烧刺激时,开始时玉米电信号趋于平稳状态,在计时后大约1 min,玉米电信号明显下降到最小值,时间大约为10 s,即玉米叶片受到灼烧时,在10 s之内,其电压达到最低,之后,玉米电信号又呈现上升趋势,持续时间大约30 s,随后又相对稳定波动(图3b).

在玉米叶片受剪切刺激时,可明显观察到其内部的电信号发生明显下降,随后又明显上升且高于正常状态,2 min后,基本恢复到正常水平(图3c).

玉米在受粘虫取食时同时会受到由昆虫咀嚼而造成的机械损伤,因此植物对咀嚼式昆虫的响应与对剪切刺激的响应多有重叠.Qi等[11]利用组学手段比较了玉米对粘虫取食在转录、代谢及蛋白水平的响应,发现玉米对模拟粘虫取食与机械损伤响应不同,前者能够诱导更多更强烈的基因、蛋白、次生代谢产物的转录、翻译及合成.本实验对粘虫取食与剪切刺激玉米所产生电信号的分析表明,粘虫取食时玉米叶片中电信号的变化较其它两种刺激稳定而缓慢,其响应是特异的,可以与其它刺激相区别.

3　结论与讨论

植物电信号在农业生产中的应用将有望为农业的自动化生产、农业环境监控、病虫害防治等提供有效支持.目前已有众多学者做了大量的基础研究.利用人工神经网络建立的植物电信号与环境因子的关系,有望为温室作物生产调控提供依据[12,13].通过对植物在水胁迫时表面电位的变化规律研究,为实现温室作物环境因子的调控、节水种植提供了理论基础[14].对植物在受污染条件下电信号的特征电位的分析,为利用植物电波信号监测环境以及根据反馈的信息来改善环境和植物生长状况奠定了基础[15].还有研究者建立了适合多种植物如碧玉、燕子掌和虎皮兰生长的环境因子与信号特征值的关系模型[16-18],为利用植物生长关系模型图快速准确评价作物生长状态奠定了基础.

粘虫作为威胁我国玉米安全生产的重大生物灾害,建立粘虫取食玉米的特征电信号波形图对预警粘虫危害有重要的意义.本实验建立了粘虫取食、烧伤、剪伤刺激下的玉米电信号变化模型图,通过对比分析,发现粘虫取食下的玉米电信号波动与其他情况下的波动存在明显差别,且这种电信号波动是特异的.这种特征电信号变化模型的建立表明:粘虫取食下的电信号变化模型可作为被取食信息反馈,从而与诸如遥感等农业监测系统相结合,对粘虫危害玉米实现预警,进而及时采取手段消灭病虫害.本实验建立粘虫取食玉米特征电信号变化模型旨在为今后植物电信号自动化、智能化控制系统监测预防粘虫的发生提供依据,同时为实现高质高量式农作物的工厂化生产,智能化自动控制研究奠定基础.

(致谢：感谢山西师范大学现代文理学院基础研究项目的支持.)