JOURNAL OF ANHUI SCIENCE AND TECHNOLOGY UNIVERSITY學(xué)報(bào)

中國高校優(yōu)秀科技期刊

全 國 優(yōu) 秀 農(nóng) 業(yè) 期 刊

安徽省高等院校優(yōu)秀學(xué)報(bào)

ISSN 1673-8772

CN 34-1300/N

第 1 期

2024年2月 第38卷

安 徽 科 技 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)

第38卷 第1期 (總第176期) 2024年2月

目 次

動(dòng)物科學(xué)

鴨源多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及藥敏試驗(yàn) ………………… 郭偉娜, 王紫葦, 馬佰賀, 王 旋(1)

河北省圈養(yǎng)貉子隱孢子蟲流行現(xiàn)狀調(diào)查…………… 陳東前, 張玉瑾, 王建秋, 王明星, 祝玉巧,

羅 輝, 王秋悅, 劉欣超, 李文超(7)

根皮素對熱應(yīng)激肉雞腿肌肉品質(zhì)和抗氧化性能的影響

……………………………………… 王昆平, 徐可行, 白 晰, 胡 洪, 潘洪彬, 聞愛友(13)

鎘誘導(dǎo)雛雞肝臟的損傷作用………………………… 顧成霞, 王 艷, 張 宇, 唐中齊, 葉瑞旗,

汪夢杰, 劉 暢, 曹迷霞, 李 磊(18)

植物科學(xué)·江淮糧倉

基于植被指數(shù)與連續(xù)小波變換的玉米葉片Cu2+ 含量反演……………… 郭 輝, 戴志林, 石 海(24)

基于 ArcGISEngine和IDL的冬小麥生長動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) ……………… 李 霞, 王 泓, 魯立江(32)

植物激素對鋁脅迫下番茄根生長的影響 ………… 蔡家輝, 王乾坤, 吳 越, 劉華彬, 祝嫦巍(39)

水稻愈傷組織誘導(dǎo)及不定芽分化培養(yǎng)體系建立

……………………………………… 唐靖雯, 錢晶晶, 王 寧, 曹柳晴, 洪文靜, 張從宇(47)

18種化學(xué)殺菌劑及混配組合對高粱附球菌的抑制效果

………………………………………………… 楊勝雨, 段海明, 孟祥濤, 陳 甦, 周 慧(52)

葉面噴施亞硒酸鈉對基質(zhì)栽培辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

………………………… 趙丹丹, 周滬生, 陳 鵬, 裴文霞, 袁先福, 汪建飛, 邢素芝(58)

生防菌代謝產(chǎn)物與化學(xué)殺菌劑對棉花枯萎病菌的抑制活性研究

……………………………………………………………… 周 慧, 段海明, 楊勝雨, 張 健(65)

密度和鉀肥及其互作對小麥莖稈形態(tài)特征與抗倒性的影響

………………………………………………… 陶庭余, 王榮圓, 魏 鵬, 閆素輝, 李文陽(71)

食品藥品科學(xué)

大豆磷脂酶D的固定化及其催化功能 …………… 孫紅葉, 朱夢男, 姚改芳, 張 華, 金日生(77)

沙棘中黃酮類化合物提取及抗氧化活性

……………………………………… 吳翠芳, 劉雅宣, 李宇輝, 郝奇奇, 何旭豪, 王俊鋼(88)

工程技術(shù)

基于 YOLOv5s的母豬基礎(chǔ)行為識(shí)別 …………… 陳敏權(quán), 陳 豐, 鐘金鵬, 劉士靜, 孟凡盛(97)

基于 AnsysWorkbench的手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

………………………………………………… 王一鳴, 喬印虎, 袁枝亭, 魏廣智, 賈 茹(104)

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)異常流量檢測……………………………………………………………… 沈徳松(111)

(本期執(zhí)行編輯:顧文亮)

期刊基本參數(shù):CN34-1300/N*1984*b*A4*120*zh*p*$10*1000*17*2024-02

JOURNALOFANHUISCIENCE

ANDTECHNOLOGYUNIVERSITY

Vol.38No.1(Sum176)Feb.2024

CONTENTS

AnimalScience

Isolation,identificationandantimicrobialsusceptibilitytestofPasteurellamultocidafromduck

……………………………………… GUO Weina, WANGZiwei, MABaihe, WANGXuan(1)

PrevalenceofCryptosporidiumspp.incaptive-bredraccoondogsinHebeiProvince

…………………… CHENDongqian, ZHANGYujin, WANGJianqiu, WANG Mingxing,

ZHUYuqiao, LUO Hui, WANGQiuyue, LIUXinchao, LIWenchao(7)

Effectsofphloretinonlegmusclequalityandantioxidantpropertiesofheat-stressedbroilerchickens

… WANGKunping, XUKexing, BAIXi, HU Hong, PAN Hongbin, WENAiyou(13)

Cadmium-inducedliverdamageinchicks …………… GUChengxia, WANGYan, ZHANGYu,

TANGZhongqi, YERuiqi, WANG Mengjie, LIUChang, CAO Mixia, LILei(18)

PlantScience·GranariesinJianghuairegion

InversionofCu2+ contentincornleavesbasedonvegetationindexandcontinuouswavelettransform

……………………………………………………………… GUO Hui, DAIZhilin, SHIHai(24)

DevelopmentofawinterwheatmonitoringsystembycombiningIDLandArcGISEngine

…………………………………………………………… LIXia, WANGHong, LULijiang(32)

Effectsofphytohormoneontomatorootgrowthunderaluminumstress

……………… CAIJiahui, WANGQiankun, WUYue, LIU Huabin, ZHUChangwei(39)

Inductionofricecallusandestablishmentofadventitiousbuddifferentiationculturesystem

………………………………………………… TANGJingwen, QIANJingjing, WANGNing,

CAOLiuqing, HONG Wenjing, ZHANGCongyu(47)

Inhibitoryeffectsof18chemicalfungicidesandtheirmixedcombinationsonEpicoccumsorghinum

……… YANGShengyu, DUAN Haiming, MENGXiangtao, CHENSu, ZHOU Hui(52)

Effectoffoliarseleniumenrichmentonyieldandfruitqualityofpepper

……………………………… ZHAODandan, ZHOU Husheng, CHENPeng, PEIWenxia,

YUANXianfu, WANGJianfei, XINGSuzhi(58)

InhibitoryactivityofmetabolitesofbiocontrolbacteriaandchemicalfungicidesagainstFusariumoxysporumf.sp.vasinfectum

…………………………… ZHOU Hui, DUAN Haiming, YANGShengyu, ZHANGJian(65)

Effectsofdensity,potassiumfertilizerandtheirinteractiononstem morphologicalcharacteristicsand

lodgingresistanceofwheat

……………… TAOTingyu, WANGRongyuan, WEIPeng, YANSuhui, LIWenyang(71)

ScienceofFoodandDrug

ImmobilizationofsoybeanphospholipaseDanditscatalyticfunction

………… SUN Hongye, ZHU Mengnan, YAOGaifang, ZHANGHua, JINRisheng(77)

Extractionandantioxidantactivityofflavonoidsfromsea-buckthorn

… WUCuifang, LIUYaxuan, LIYuhui3, HAOQiqi, HEXuhao, WANGJungang(88)

EngineeringandTechnology

SowbehaviorrecognitionbasedonYOLOv5s

…… CHEN Minquan, CHENFeng, ZHONGJinpeng, LIUShijing, MENGFansheng(97)

SimulationanalysisandstructuraloptimizationofmanualfirealarmbuttonsbasedonAnsysWorkbench

…………… WANGYiming, QIAOYinhu, YUANZhiting, WEIGuangzhi, JIARu(104)

Networkabnormaltrafficdetectionbasedonmachinelearning …………………… SHENDesong(111)

安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2024,38(1):1-6

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-07-25

基金項(xiàng)目:安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2020A0087);安徽科技學(xué)院穩(wěn)定人才項(xiàng)目(DKWD201801);安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練

計(jì)劃項(xiàng)目(S202210879187)。

作者簡介:郭偉娜(1982-),女,河南內(nèi)黃人,博士,副教授,主要從事動(dòng)物病原微生物的分離鑒定及致病性研究,E-mail:weina0925@126.com。

鴨源多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及藥敏試驗(yàn)

郭偉娜1,2, 王紫葦1, 馬佰賀1, 王 旋1

(1.安徽科技學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;

2.動(dòng)物營養(yǎng)調(diào)控與健康安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 鳳陽 233100)

摘 要:目的:從疑似禽霍亂的4只病死鴨的病料中分離并鑒定多殺性巴氏桿菌(Pasteurellamultocida,

Pm),并通過藥敏試驗(yàn)篩選敏感藥物用于治療。方法:無菌采集肝臟組織病料,接種至普通營養(yǎng)瓊脂、麥康

凱及血瓊脂培養(yǎng)基上進(jìn)行病原菌的培養(yǎng)、分離純化;對純化后的分離菌進(jìn)行革蘭染色、鏡檢,提取其核酸作

為模板,進(jìn)行16SrRNA基因的PCR鑒定;圓紙片擴(kuò)散試驗(yàn)測定分離菌株對18種抗菌藥物的敏感程度。

結(jié)果:在血瓊脂培養(yǎng)基上分離菌株表現(xiàn)為稍微隆起、表面光滑、濕潤、灰白色、露珠樣、半透明的圓形菌落,

但在普通營養(yǎng)瓊脂和麥康凱培養(yǎng)基上不生長。革蘭染色鏡檢顯示分離菌為一種革蘭染色陰性、菌體兩端

著色深、中間著色較淺的球狀短小桿菌。PCR擴(kuò)增16SrRNA出現(xiàn)1500bp的目的條帶,其序列分析與

Pm菌株 Q的16SrRNA基因的相似性為99.86%;藥敏試驗(yàn)表明,分離菌株對米諾環(huán)素敏感性最高,抑

菌圈直徑達(dá)19mm,對四環(huán)素、強(qiáng)力霉素、慶大霉素、氨芐西林、頭孢哌酮表現(xiàn)中度敏感,其他藥物均為耐

藥。結(jié)論:本研究從一例疑似禽霍亂的病死鴨中分離鑒定出1株多殺性巴氏桿菌,分離菌株對米諾環(huán)素較

為敏感,建議用于臨床治療。

關(guān)鍵詞:鴨源;多殺性巴氏桿菌;分離;鑒定;藥敏試驗(yàn)

中圖分類號(hào):S852.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8772(2024)01-0001-06

開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID): DOI:10.19608/j.cnki.1673-8772.2024.0001

Isolation,identificationandantimicrobialsusceptibility

testofPasteurellamultocidafromduck

GUO Weina1,2, WANGZiwei1, MABaihe1, WANGXuan1

(1.CollegeofAnimalScience,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,China;

2.AnhuiProvinceKeyLaboratoryofAnimalNutritionalRegulationandHealth,Fengyang233100,China)

Abstract:Objective:ToisolateandidentifyPasteurellamultocidafrom4deadduckssuspectedtobe

sufferedfromcholera,andthesensitivedrugswereselectedfortreatmentbyantimicrobialsusceptibility

test.Methods:Livertissuesampleswerecollectedasepticallyandpathogenicbacteriawereisolatedon

common nutrient medium, MacConkey medium,blood agar medium,then Gram staining and

microscopicexaminationwereconductedforthesinglecolonyoftheisolatedstrain.Thenucleicacidwas

extractedfromasinglepurifiedcolonyasatemplateforPCRidentificationof16SrRNA.Atlast,the

sensitivitytestoftheisolatesto18antimicrobialagentswasdeterminedbydiskdiffusion method.

Results:Theisolatedstrainonbloodagarshowedroundcolonywithslightlyraised,smooth,moist,

gray-white,dew-like,translucent,butthosedidnotgrowoncommonnutrientmediumandMacConkey

medium.Gramstainingmicroscopyshowedmicrococcusglobulariswithnegativegramstaining,deep

coloringatbothendsandlightcoloringinthemiddle.The16SrRNA wasamplifiedbyPCR witha

targetbandof1500bp,andthesimilarityof16SrRNAsequencingresultswas99.86%comparedwith

thestrainQofPasteurellamultocida.Theresultsofantimicrobialsusceptibilitytestshowedthat,the

isolateswere mostsensitiveto minocycline,withaninhibitionzoneof19 mmindiameter,and

moderatelysensitivetotetracycline,doxycycline,gentamicin,ampicillinandcefoperazone,while

resistanttootherdrugs.Conclusion:Inthisstudy,astrainofPasteurellamultocidawasisolatedfrom

thedeadduckssuspectedtobeaviancholera.Thestrainwasmostsensitivetominocyclineandcouldbe

usedforclinicaltreatment.

Keywords:Duck;Pasteurellamultocida;Isolation;Identification;Drugsensitivitytest

多殺性巴氏桿菌(Pasteurellamultocida,Pm)是一種具有莢膜、沒有鞭毛和芽孢的革蘭陰性菌,瑞氏

染色或美藍(lán)染色表現(xiàn)為明顯的兩極濃染現(xiàn)象,在世界各地分布廣泛。Pm 可感染哺乳動(dòng)物、鳥類、禽類、爬

行動(dòng)物甚至人類,引起急性出血性敗血癥和慢性肺炎、萎縮性鼻炎、皮膚壞死、腦膜炎等,病死率較高,對我

國畜牧業(yè)的健康發(fā)展和公共衛(wèi)生安全影響較大[1-2]。目前,Pm根據(jù)莢膜多糖抗原結(jié)構(gòu)的不同,分為 A、B、

D、E、F等5個(gè)血清型;根據(jù)脂多糖結(jié)構(gòu)的差異,分為16個(gè)血清型[3-4]。其中,A型、B型和E型Pm菌株主

要引起牛出血性敗血癥,D型Pm菌株主要引起豬傳染性萎縮性鼻炎,A 型Pm 菌株能夠引起豬的肺疫,

而禽霍亂多數(shù)是由 A型和F型Pm菌株引起,但也有報(bào)道分離到莢膜B型的雞源Pm 菌株[5]。多殺性巴

氏桿菌對雞、鴨、鵝具有高度易感性,引起的出血性敗血癥又稱為禽霍亂,發(fā)病較為嚴(yán)重,病死率較高,對養(yǎng)

禽業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。長期以來,抗菌藥物的使用是防治禽霍亂等細(xì)菌病的常用方法之一,但是

由于臨床上不規(guī)范的藥物使用或?yàn)E用導(dǎo)致常用藥物效果降低,所產(chǎn)生的耐藥性非常嚴(yán)重[8-9]。研究表明,

養(yǎng)殖場嚴(yán)格的飼養(yǎng)管理制度以及合理的疫苗免疫是預(yù)防該病的關(guān)鍵措施[10]。本研究主要是從一例疑似

禽霍亂的病死鴨肝臟中進(jìn)行病原菌的分離鑒定及藥敏試驗(yàn),為深入研究多殺性巴氏桿菌的致病機(jī)理和防

控提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料

血瓊脂培養(yǎng)基和藥敏紙片購于比克曼生物科技(湖南常德)有限公司。普通營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、麥康凱

培養(yǎng)基購于海博生物(青島)有限公司。PCR MasterMix預(yù)混液、50×TAE 緩沖液、DL-2000DNA

Marker等均購于生物工程(上海)有限公司。

1.2 樣品采集

安徽某養(yǎng)鴨場送檢的4只20日齡病死肉鴨,剖檢后發(fā)現(xiàn)心冠脂肪有出血,肺臟也有出血點(diǎn)或出血斑,

肝臟病變最典型,腫大變脆,表面有大量針尖大小的灰白色壞死點(diǎn),如圖1所示。疑似禽霍亂,無菌采集其

肝臟組織進(jìn)行病原的分離鑒定。

1.3 分離純化

無菌條件下采集病死鴨的肝臟病料組織,劃線接種于普通營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、麥康凱培養(yǎng)基及血瓊脂培

養(yǎng)基上,然后放入恒溫培養(yǎng)箱于37℃培養(yǎng)24h,觀察分離菌的生長狀況及菌落形態(tài);挑取符合Pm典型菌

落特點(diǎn)的單菌落在血瓊脂培養(yǎng)基上進(jìn)一步分離純化,對純化培養(yǎng)后的菌落進(jìn)行革蘭染色和顯微鏡觀察。

2 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

圖1 病死鴨的剖檢病變

Fig.1 Pathologicalchangesofdeadducks

1.4 模板的制備

蘸取純化后細(xì)菌的單個(gè)菌落放置于50μL滅菌的超純水中,充分振蕩混勻。采用煮沸法提取其核酸:

100℃煮沸10min,冰浴5min,最后12000r/min離心5min,離心后吸取上清液即為 DNA 模板,于

-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.5 引物合成

細(xì)菌16SrRNA基因的通用引物序列[11],由通用生物(安徽)有限公司合成引物,引物詳細(xì)序列及擴(kuò)

增產(chǎn)物大小如表1所示。

表1 引物序列及目的片段大小

Table1 Primersequencesandsizeoftargetfragments

基因名稱 序列(5'~3') 目的片段大小/bp

16SrRNA

27F:AGAGTTTGATCATGGCTCAG

1525R:AAGGAGGTGATCCAACC

1500

1.6 16SrRNA的PCR擴(kuò)增及測序

PCR反應(yīng)體系為50μL:2μL分離菌株核酸模板、25μLPCRMasterMix、2μL上下游引物、19μL超

純水。PCR擴(kuò)增程序?yàn)?95℃5min;95℃30s,55℃30s,72℃60s,35個(gè)循環(huán);72℃10min。取

1.25%瓊脂糖進(jìn)行PCR產(chǎn)物凝膠電泳檢測,將有目的條帶的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物回收后由通用生物(安徽)有

限公司進(jìn)行分離菌株16SrRNA測序,測序結(jié)果用DNAStar軟件中的 MegAlign程序進(jìn)行同源性分析和

遺傳進(jìn)化樹的構(gòu)建。

1.7 藥敏試驗(yàn)

圓紙片擴(kuò)散法測定分離菌株對六大類共18種抗菌藥物(四環(huán)素類:四環(huán)素、強(qiáng)力霉素、米諾環(huán)素;氨基

糖苷類:阿米卡星、鏈霉素、慶大霉素、卡那霉素;青霉素類:氨芐西林、哌拉西林;多肽類:多粘菌素B、萬古

霉素;林可霉素類:林可霉素;頭孢菌素類:頭孢唑林、頭孢哌酮、頭孢氨芐、頭孢曲松、頭孢呋辛鈉、頭孢他

啶)的敏感性,用抑菌圈的大小判定其敏感程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 病原菌的分離及染色結(jié)果

該分離菌株在血瓊脂培養(yǎng)基上菌落特征為稍微隆起、表面光滑、濕潤、灰白色、露珠樣半透明的圓形菌

落(圖2),但在普通營養(yǎng)瓊脂和麥康凱培養(yǎng)基上不生長。該分離菌株用革蘭染色鏡檢,可見典型的兩極濃

染的紅色球桿菌(圖3),符合Pm的染色特征。

2.2 16SrRNA的PCR擴(kuò)增及測序結(jié)果

16SrRNA的PCR擴(kuò)增結(jié)果顯示有1500bp左右的目的條帶(圖4)。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物的測序結(jié)果表

明,分離菌株的基因序列與Pm菌株Q(GenBank登錄號(hào):CP033597)的序列相似性為99.86%。將分離菌

第38卷第1期 郭偉娜,等:鴨源多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及藥敏試驗(yàn) 3

株的16SrRNA測序結(jié)果與13株參照菌株相應(yīng)序列進(jìn)行同源性比對分析,并進(jìn)行遺傳進(jìn)化樹的構(gòu)建,如

圖5~6。圖中Seq1表示分離菌株序列,其他參考菌株用GenBank登錄號(hào)代表。由圖5可知,該分離菌株

與多殺性巴氏桿菌參照菌株具有99.3%~100%的同源性;由圖6可知,分離菌株與3個(gè)參照菌株均屬于

同一分支,親緣關(guān)系較近,從而鑒定該分離菌株為多殺性巴氏桿菌。

圖2 血瓊脂培養(yǎng)基上的分離菌菌落特征

Fig.2 Colonymorphologyofisolatedbacteriaonbloodagarmedium

圖3 革蘭染色鏡檢結(jié)果(×1000)

Fig.3 Gramstainingmicroscopicresults(×1000)

圖4 16SrRNA的PCR擴(kuò)增結(jié)果

Fig.4 ResultsofPCRamplificationfor16SrRNA

注:M 為DL-2000Marker;1為分離菌株;2為陰性對照。

圖5 16SrRNA基因序列同源性分析

Fig.5 Phylogenetictreebasedon16SrRNAsequences

2.3 藥敏試驗(yàn)結(jié)果

Pm分離菌株對18種藥物的抑菌圈測定結(jié)果如表2所示,分離菌株對米諾環(huán)素的敏感性最高,抑菌圈直徑

為19mm;對四環(huán)素、強(qiáng)力霉素、慶大霉素、氨芐西林、頭孢哌酮表現(xiàn)中度敏感,其他藥物均為耐藥。

4 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

圖6 基于16SrRNA基因構(gòu)建的遺傳進(jìn)化樹

Fig.6 Homologyanalysisof16SrRNAsequence

表2 分離菌株的藥敏試驗(yàn)結(jié)果

Table2 Resultsofdrugsusceptibilitytestoftheisolates

抗菌藥物 抑菌圈直徑/mm 敏感程度

四環(huán)素類 四環(huán)素 13 中度敏感

強(qiáng)力霉素 13 中度敏感

米諾環(huán)素 19 敏感

氨基糖苷類 阿米卡星 0 耐藥

鏈霉素 0 耐藥

慶大霉素 14 中度敏感

卡那霉素 0 耐藥

青霉素類 氨芐西林 12 中度敏感

哌拉西林 9 耐藥

多肽類 多粘菌素B 8 耐藥

萬古霉素 8 耐藥

林可霉素類 林可霉素 0 耐藥

頭孢菌素類 頭孢唑啉 0 耐藥

頭孢哌酮 12 中度敏感

頭孢氨芐 0 耐藥

頭孢曲松 0 耐藥

頭孢呋辛鈉 0 耐藥

頭孢他啶 0 耐藥

3 結(jié)論與討論

Pm是人獸共患病病原微生物,能夠感染多種家畜、家禽、經(jīng)濟(jì)動(dòng)物、野生動(dòng)物等,導(dǎo)致禽霍亂、牛出血

性敗血癥、豬肺疫、兔多殺性巴氏桿菌病等疾病。該病多為地方流行性,不同地區(qū)、不同動(dòng)物體內(nèi)主要的流

行血清型有一定差異[12-13]。因此,研究Pm的致病性以及如何防控該病具有重要意義。李亞菲等[14]從貴

州省某養(yǎng)鴨場分離到7株P(guān)m,所采用的病料是腦、脾臟和肝臟組織,PCR擴(kuò)增的kmt1 基因序列與參考菌

株相應(yīng)序列的同源性高于 99%。張小波等[15]從貴州遵義某養(yǎng)鴨場分離到 1 株花邊鴨源 Pm,其

16SrRNA序列與Pm菌株LSBS1的同源性為99.93%。本研究從4只病死鴨的肝臟中分離鑒定到一株

未知菌,其菌落生長特征和染色特點(diǎn)均與Pm 相符,16SrRNA 測序結(jié)果與Pm 參考菌株 Q 的相似性為

99.86%,并且親緣關(guān)系最近。

本研究藥敏試驗(yàn)結(jié)果表明,Pm分離菌株對米諾環(huán)素的敏感性最高,抑菌圈直徑為19mm;對四環(huán)素、

強(qiáng)力霉素、慶大霉素、氨芐西林、頭孢哌酮表現(xiàn)中度敏感,其他藥物均為耐藥。所以,推薦養(yǎng)殖戶及時(shí)采用

米諾環(huán)素進(jìn)行治療,后期反饋用藥治療效果不錯(cuò)。王紅琳等[16]分離的一株蛋鴨源多殺性巴氏桿菌對頭孢

類、鏈霉素和四環(huán)素均耐藥,與本研究結(jié)果一致。王喜等[17]從云南某雞場分離到1株雞源多殺性巴氏桿

菌,該菌株對卡那霉素、鏈霉素、四環(huán)素等12種藥物耐藥,但對頭孢氨芐、頭孢他啶、氨芐西林敏感;伍瀾

等[5]從湖北荊州某雞場分離到1株莢膜B型的雞源Pm,該菌株對頭孢類、四環(huán)素類、氨基糖苷類和喹諾

第38卷第1期 郭偉娜,等:鴨源多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及藥敏試驗(yàn) 5

酮類等多種藥物高度敏感,與莢膜 A型禽源Pm 對藥物的敏感性差異較大,例如于勇等[7]分離的4株莢

膜 A型的Pm對卡那霉素、四環(huán)素等7種抗生素表現(xiàn)為全部或部分耐藥。嚴(yán)專強(qiáng)等[18]從我國華東、華南、

西南地區(qū)的番鴨中分離鑒定了13株P(guān)m,以及肉雞中分離鑒定到4株P(guān)m,這些菌株對卡那霉素、四環(huán)素、

慶大霉素和鏈霉素等均表現(xiàn)耐藥,與本研究不完全相符。鄭小蘭等[19]分離鑒定到鴨源Pm 共3株,并且

對多粘菌素B和頭孢唑林均較為敏感,本研究卻表現(xiàn)為耐藥,但對鏈霉素的敏感性一致,均為耐藥。陳國

權(quán)等[20]從肉鴨中分離到1株P(guān)m,同時(shí)對頭孢菌素類、慶大霉素等表現(xiàn)敏感,本研究中卻為耐藥。

綜上可知,不同地區(qū)各個(gè)養(yǎng)殖場分離的多殺性巴氏桿菌菌株對抗菌藥物的敏感性有明顯差異。細(xì)菌

耐藥性產(chǎn)生的原因較多,如不同養(yǎng)殖戶的用藥習(xí)慣不同,長期不規(guī)范用藥、甚至濫用抗菌藥的現(xiàn)象較為嚴(yán)

重。建議養(yǎng)殖戶在臨床上如有禽霍亂發(fā)生,必須結(jié)合病原分離及藥物敏感試驗(yàn),篩選敏感藥物盡早治療,

注意合理用藥,降低經(jīng)濟(jì)損失。

參考文獻(xiàn):

[1] XIAOJF,LIYJ,HUZZ,etal.CharacterizationofPasteurellamultocidaisolatedfromducksinChinafrom2017

to2019[J].MicrobPathog,2021,160:105196.

[2] 王立程,朱雄,陳海,等.四株臨床分離多殺性巴氏桿菌分子特征分析[J].疾病監(jiān)測,2023,38(8):983-988.

[3] FURIANTQ,BORGESKA,PILATTIR M,etal.Useofmolecularpathogenicityindicestoidentifypathogenic

strainsofPasteurellamultocida[J].AvianDis,2016,60(4):792-798.

[4] 仇桂玲,鐘嘉誠,譚結(jié)敏,等.20株禽多殺性巴氏桿菌的分離及莢膜與脂多糖的分型鑒定[J].廣東畜牧獸醫(yī)科技,

2021,46(1):43-49,52.

[5] 伍瀾,李佑君,梁雄燕,等.一株雞源多殺性巴氏桿菌的分離鑒定[J].黑龍江畜牧獸醫(yī),2022(13):71-76,83,134.

[6] WILSONBA,HO M.Pasteurellamultocida:Fromzoonosistocellularmicrobiology[J].Clin MicrobiolRev,

2013,26(3):631-655.

[7] 于勇,左家坤,王凱民,等.4株雞源多殺性巴氏桿菌生物學(xué)特性分析[J].中國動(dòng)物檢疫,2022,39(4):59-65.

[8] 張亞楠,李亞菲,陳汝佳,等.A:L1ST128型鴨源多殺性巴氏桿菌的耐藥性及毒力分析[J].畜牧獸醫(yī)學(xué)報(bào),2021,

52(10):2852-2863.

[9] BOURéLYC,CAZEAUG,JOUYE,etal.AntimicrobialresistanceofPasteurellamultocidaisolatedfromdiseasedfood-producinganimalsandpets[J].VetMicrobiol,2019,235:280-284.

[10] 程龍飛,陳紅梅,傅光華,等.鴨多殺性巴氏桿菌抗體檢測膠體金試紙條的研制及應(yīng)用[J].動(dòng)物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2023,

44(6):65-69.

[11] 郭偉娜,路振香,劉利曉,等.雞源多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及其毒力基因的檢測[J].中國獸醫(yī)科學(xué),2017,47(7):

890-896.

[12] 李偉杰,祁鑫,田野,等.1株致禽霍亂多殺性巴氏桿菌的病原學(xué)與分子生物學(xué)鑒定[J].畜牧與獸醫(yī),2020,52(6):

89-93.

[13] 陶婭,王鉉皓,李軍朝,等.禽源多殺性巴氏桿菌的分離及生物學(xué)鑒定[J].中國獸醫(yī)雜志,2019,55(4):92-94.

[14] 李亞菲,張亞楠,徐景峨,等.鴨源 A型多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及喹諾酮類藥物敏感性分析[J].中國獸醫(yī)科學(xué),

2021,51(6):730-736.

[15] 張小波,蔡平,李紅婷,等.花邊鴨源 A型多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及主要毒力基因檢測[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào),2022,

43(3):56-61.

[16] 王紅琳,盧琴,張騰飛,等.鴨源莢膜血清 A 型多殺性巴氏桿菌的分離與鑒定[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2019,58(12):

116-119.

[17] 王喜,元正菊,張信艷,等.雞源多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及生物學(xué)特性分析[J].中國獸醫(yī)科學(xué),2021,51(11):

1411-1419.

[18] 嚴(yán)專強(qiáng),麥凱杰,羅翠芬,等.我國部分地區(qū)禽多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及耐藥情況分析[J].家禽科學(xué),2021(11):

45-49.

[19] 鄭小蘭,程龍飛,黃瑜.三株鴨源莢膜 A型多殺性巴氏桿菌的分離與鑒定[J].福建畜牧獸醫(yī),2020,42(4):7-10.

[20] 陳國權(quán),張旭,閻朝華,等.鴨源多殺性巴氏桿菌的分離鑒定及耐藥性分析[J].中國畜牧獸醫(yī),2020,47(2):620-628.

(責(zé)任編輯:顧文亮)

6 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2024,38(1):7-12

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-09-06

基金項(xiàng)目:安徽省自然科學(xué)基金(1808085MC84,1908085QC116);安徽科技學(xué)院穩(wěn)定人才項(xiàng)目(dkwd201702);大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)

劃項(xiàng)目(202310879038,S202310879065)。

作者簡介:陳東前(1997-),男,江蘇鹽城人,碩士研究生,主要從事動(dòng)物寄生蟲病研究,E-mail:1509430227@qq.com。

通信作者:李文超,教授,E-mail:liwen303@126.com。

河北省圈養(yǎng)貉子隱孢子蟲流行現(xiàn)狀調(diào)查

陳東前1,2, 張玉瑾1,2, 王建秋1,2, 王明星1,2, 祝玉巧1,2,

羅 輝1,2, 王秋悅3, 劉欣超1,2, 李文超1,2*

(1.安徽科技學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;

2.動(dòng)物營養(yǎng)調(diào)控與健康安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 鳳陽 233100;

3.河北科技師范學(xué)院 河北省預(yù)防獸醫(yī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 秦皇島 063000)

摘 要:目的:確定河北省圈養(yǎng)貉子隱孢子蟲的流行和蟲種/基因亞型分布情況。方法:從河北省多地共采

集389份新鮮圈養(yǎng)貉子糞便樣品,采用基于隱孢子蟲核糖體小亞基rRNA(SSUrRNA)基因的巢式PCR

方法進(jìn)行檢測,并對獲得的隱孢子蟲SSUrRNA 基因陽性樣本進(jìn)行隱孢子蟲60kDa糖蛋白(gp60)基因

的擴(kuò)增,對獲得的隱孢子蟲SSUrRNA 和gp60 基因進(jìn)行測序和分析,并分別在 Mega中構(gòu)建基于這2個(gè)

基因的進(jìn)化樹(最大似然法),進(jìn)一步分析所獲隱孢子蟲的分子特性。結(jié)果:基于隱孢子蟲SSUrRNA 基

因的巢式PCR檢測顯示,河北省圈養(yǎng)貉子中共檢測出6份隱孢子蟲陽性樣本,隱孢子蟲感染率為1.5%

(6/389)。其中,6月齡以上貉子的隱孢子蟲感染率為1.2%(1/85),6月齡以下貉子的隱孢子蟲感染率為

1.6%(5/304),二者無顯著差異(χ

2=0.096,P=0.384)。糞便非正常的貉子隱孢子蟲感染率(11.1%,

4/36)顯著高于糞便正常的貉子(0.6%,2/353)(χ

2=23.18,P=0.001)。序列及進(jìn)化樹分析顯示,本次從

河北省貉子中分離的隱孢子蟲蟲種均為C.canis,共鑒定出2種基因亞型,即XXa2和XXa4。結(jié)論:河北

省圈養(yǎng)貉子中存在2種人獸共患的C.canis基因亞型XXa2和XXa4,提示貉子可能成為人隱孢子蟲感染

的潛在來源。

關(guān)鍵詞:隱孢子蟲;核糖體小亞基rRNA;貉子;河北省

中圖分類號(hào):S855.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8772(2024)01-0007-06

開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID): DOI:10.19608/j.cnki.1673-8772.2024.0002

PrevalenceofCryptosporidiumspp.incaptive-bredraccoondogsinHebeiProvince

CHENDongqian1,2, ZHANGYujin1,2, WANGJianqiu1,2, WANG Mingxing

1,2, ZHUYuqiao1,2,

LUO Hui1,2, WANGQiuyue3, LIUXinchao1,2, LIWenchao1,2*

(1.CollegeofAnimalScience,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,China;

2.AnhuiProvinceKeyLaboratoryofAnimalNutritionalRegulationandHealth,Fengyang233100,China;

3.KeyLaboratoryofPreventiveVeterinaryMedicineinHebeiProvince,

HebeiNormalUniversityofScienceandTechnology,Qinhuangdao063000,China)

Abstract:Objective:Todeterminetheprevalenceandspecies/genotypedistributionofCryptosporidium

spp.incaptiveraccoondogsin HebeiProvince.Methods:Atotalof389freshfecalsampleswere

collectedfromcaptiveraccoondogfarmsinHebeiProvince.NestedPCRbasedonthesmallsubunit

ribosomalRNA (SSUrRNA)geneofCryptosporidium spp.wasusedtodetectallsamples.The

60kDaglycoprotein(gp60)genefromthepositivesamplesofCryptosporidiumSSUrRNA genewere

amplified,andtheobtainedSSUrRNA andgp60 geneofCryptosporidium spp.inthisstudywere

sequencedandanalyzed.TheconstructedevolutionarytreesbasedonthesetwogenesseparatelyinMega

(maximum-likelihood method)wereusedtoanalyzethe molecularcharacteristicsoftheobtained

Cryptosporidiumisolatesinthisstudy.Results:Atotalof6positivesamplesofCryptosporidium were

detectedbynestedPCRincaptiveraccoondogsinHebeiProvince,withaCryptosporidiuminfection

rateof1.5% (6/389).TheinfectionrateofCryptosporidium in > 6-month-oldraccoondogswas

1.2% (1/85),whiletheinfectionrateofCryptosporidium was1.6% (5/304)in < 6-month-old

raccoondogs,andnosignificantdifferencewasseen (χ

2=0.096,P=0.384).Theinfectionrateof

Cryptosporidiuminraccoondogswithabnormalfeces(11.1%,4/36)wassignificantlyhigherthanthat

inraccoondogswithnormalfeces(0.6%,2/353)(χ

2=23.18,P=0.001).Sequenceandevolutionary

treeanalysisshowedthatallCryptosporidiumisolatesinthisstudywereidentifiedasC.canis,andall

isolatesbelongedtothe XXasubtypefamily,includingtwo known subtypes XXa2 and XXa4.

Conclusion:ThepresenceoftwoknownzoonoticC.canissubtypesincaptiveraccoondogsinHebei

ProvinceimpliedthatthatraccoondogsmightbepotentialsourceofhumanCryptosporidiuminfection.

Keywords:Cryptosporidiumspp.;SSUrRNA;Raccoondog;HebeiProvince

隱孢子蟲病(Cryptosporidiosis)是由隱孢子蟲(Cryptosporidium spp.)引起的一種呈全球性分布的

人獸共患原蟲病,主要感染脊椎動(dòng)物,其癥狀表現(xiàn)為腹瀉、營養(yǎng)不良、生長發(fā)育受阻等[1-3]。該蟲通過糞-口

途徑傳播,人或動(dòng)物通過攝入被隱孢子蟲卵囊污染的水或食物,或直接接觸隱孢子蟲病患者或患病動(dòng)物而

引起感染,嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致死亡[4-5]。

貉子(NyctereutesprocyonoidesGray)為食肉目(Carnivoraes)、犬科(Canidae)、貉屬(Nyctereutes)動(dòng)

物,其作為一種珍貴的毛皮動(dòng)物,具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。寄生蟲病嚴(yán)重威脅貉子健康的一類疾病,尤其是

人工飼養(yǎng)的貉子,其飼養(yǎng)密度較高,活動(dòng)范圍窄,易引起寄生蟲病流行。目前,已報(bào)道貉子可感染犬隱孢子

蟲(C.canis)、微小隱孢子蟲(C.parvum)和安氏隱孢子蟲(C.andersoni)等3種常見人獸共患隱孢子蟲

蟲種,其中C.parvum 還是人最常感染的兩種隱孢子蟲之一[6-12]。

目前中國貉子養(yǎng)殖主要分布在東北三省及山東、河北等省份[13]。迄今,中國山東[6]、河南[7]、新疆維

吾爾自治區(qū)[14]、東北三省[8,15]等省份已有貉子隱孢子蟲感染的相關(guān)報(bào)道,河北省作為貉子養(yǎng)殖大省之一,

目前僅見昌黎地區(qū)有貉子隱孢子蟲感染的報(bào)道[7],因此相關(guān)研究不能很好地反映河北省貉子隱孢子蟲感

染與蟲種/基因型分布的真實(shí)情況。鑒于此,本研究對河北省多地人工養(yǎng)殖的貉子進(jìn)行隱孢子蟲的分子流

行病學(xué)調(diào)查,了解貉子中隱孢子蟲流行情況并評估其可能蘊(yùn)含的公共衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn),為相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2022年6—12月,分別從河北省石家莊市、邯鄲市、秦皇島市和張家口市等地區(qū)的5家貉子場共采集

389份新鮮糞便樣品。上述養(yǎng)殖場中,貉子均飼養(yǎng)在聯(lián)排金屬籠子中,糞便直接漏到籠子下方的地面上。

成年貉子(6月齡以上)一般一籠單只飼養(yǎng),幼齡貉子分窩前(45~60日齡斷奶分窩)和母貉子合籠飼養(yǎng),分

窩后多只合并飼養(yǎng)一段時(shí)間后再分籠飼養(yǎng)。采樣時(shí)從籠具下方的糞堆上部采集新鮮糞便10~20g,每個(gè)籠

子僅采1次。糞便裝入潔凈自封塑料袋中,編號(hào)并記錄對應(yīng)采樣場、貉子年齡及糞便狀況等信息,放置于

8 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

4℃冰箱內(nèi)冷藏待檢。

1.2 主要儀器與試劑

T100型PCR儀(伯樂生命醫(yī)學(xué)產(chǎn)品(上海)有限公司),Tanon1600凝膠成像系統(tǒng)(上海天能科技有限

公司)。糞便DNA提取試劑盒(天根生化科技(北京)有限公司),rTaqDNA 聚合酶(上海澤葉生物科技

有限公司);BIOWESTE瓊脂糖(北京沃比森科技有限公司)。本研究所用引物均委托生工生物工程(上

海)股份有限公司合成。

1.3 糞便基因組提取

依照產(chǎn)品說明書進(jìn)行操作,提取的DNA保存于-20℃冰箱待檢。

1.4 隱孢子蟲SSUrRNA 基因擴(kuò)增

參照Xiao等[16]的研究,用巢式PCR方法擴(kuò)增隱孢子蟲SSUrRNA 基因,引物見表1。2輪PCR反應(yīng)體

系體積相同,依次加入38.55μL超純水、5μL10×PCR緩沖液、1μLDNA模板(首輪PCR用提取的貉子糞

便基因組DNA,第2輪PCR用首輪PCR產(chǎn)物)、0.6μL20mol/L各正反引物、4μL1.25mmol/LdNTP和

0.25μL5U/μLrTaq 酶。首輪PCR反應(yīng)參數(shù)設(shè)置為94℃5min;94℃45s,55℃45s,72℃lmin,

共35個(gè)循環(huán);72℃10min。第2輪PCR除退火溫度調(diào)整為58℃外,其余參數(shù)同首輪PCR。用感染隱孢

子蟲的豬糞便基因組DNA作陽性對照,隱孢子蟲陰性豬糞便DNA提取物作陰性對照。

1.5 隱孢子蟲gp60 基因擴(kuò)增

參照J(rèn)iang等[17]的引物與方法,對獲得的隱孢子蟲SSUrRNA 陽性樣本進(jìn)行隱孢子蟲gp60 基因的

擴(kuò)增,引物見表1。2輪PCR反應(yīng)體系體積相同,含1μL貉子糞便基因組DNA(首輪PCR)或2μL首輪

PCR產(chǎn)物(第2輪 PCR)、0.6μL20mol/L各正反引物、5μL10×PCR 緩沖液、4μL1.25mmol/L

dNTP、0.3μL5U/μLrTaq酶、38.50μL超純水。2輪PCR反應(yīng)擴(kuò)增反應(yīng)的參數(shù)相同,為94℃5min;

94℃45s,52℃45s,72℃80s,共35個(gè)循環(huán);72℃10min。

表1 本研究中所用引物

Table1 PCRprimersusedinthepresentstudy

靶基因 序列(5'→3') 擴(kuò)增子大小/bp

SSUrRNA

18SR:TTCTAGAGCTAATACATGCG,18SF:CCCTAATCCTTCGAAACAGGA;

18SNR:GGAAGGGTTGATTTATTAGATAAAG,18SNF:AAGGAGTAGGAAACAACCTCCA

830

gp60

GP60-Canis-F1:ATACTCTGGTCTCCCGTTT,GP60-Canis-R1:GGAAGGAACGATGTATCT;

GP60-Canis-F2:AAGGCGCCTCACTCATT,GP60-Canis-R2:TCAGTTAGATATCACCCATTAA

700~750

1.6 測序與分析

第2輪PCR擴(kuò)增后,產(chǎn)物進(jìn)行凝膠電泳分離,所獲陽性擴(kuò)增產(chǎn)物送相關(guān)公司,分別用擴(kuò)增基因的

第2對引物從正方和反方進(jìn)行雙向測序。測序序列用 Dnaman軟件進(jìn)行編輯,在 GenBank數(shù)據(jù)庫中經(jīng)

Blast搜索。為評價(jià)所獲隱孢子蟲蟲種/基因亞型的遺傳關(guān)系,所獲序列經(jīng)ClustalX軟件比對,采用最大

似然法(Maximum-likelihoodMethod)在 Mega軟件中構(gòu)建進(jìn)化樹,可逆取代模型用于替代率的計(jì)算,自

展值設(shè)為1000。新發(fā)現(xiàn)的隱孢子蟲基因亞型根據(jù)既定的命名系統(tǒng)命名[15]。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用SPSS20.0軟件對本研究中的數(shù)據(jù)進(jìn)行Fisher's精確檢驗(yàn)分析,P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省貉子隱孢子蟲感染情況

389份貉子糞便樣本中,基于SSUrRNA 基因的巢式PCR方法共檢出6份隱孢子蟲陽性樣品,河北

省圈養(yǎng)貉子隱孢子蟲感染率為1.5%(6/389)(表2)。隱孢子蟲陽性樣本分布在邯鄲、秦皇島和張家口貉

子養(yǎng)殖場,感染率分別為2.9%(3/103)、2.0%(2/100)和1.2%(1/86),石家莊未檢出隱孢子蟲陽性樣品,

不同地區(qū)感染率差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ

2=3.059,P=0.063)。6月齡以上貉子隱孢子蟲感染率為1.2%,

6月齡以下貉子隱孢子蟲感染率為1.6%,二者差異不顯著(χ

2=0.096,P=0.384)。糞便正常和非正常

第38卷第1期 陳東前,等:河北省圈養(yǎng)貉子隱孢子蟲流行現(xiàn)狀調(diào)查 9

貉子隱孢子蟲感染率分別為0.6%和11.1%,差異顯著(χ

2=23.18,P=0.001)(表3)。

表2 河北省圈養(yǎng)貉子隱孢子蟲感染情況

Table2 PrevalenceofCryptosporidiumspp.inraccoondogsinHebeiProvince

采樣地區(qū) 樣品數(shù)/份 感染數(shù)/份 感染率/% (95%CI) P 蟲種(n) 基因亞型(n)

邯鄲 103 3 2.9(0,6.2)

秦皇島 100 2 2.0(0,4.7)

石家莊 100 0 0.0

張家口 86 1 1.2(0,3.4)

總計(jì) 389 6 1.5(0.3,2.7)

0.063

C.canis(3) XXa2(1),XXa4(2)

C.canis(1) XXa2(1),XXa4(1)

- -

C.canis(1) -

C.canis(5) XXa2(2),XXa4(3)

表3 河北省圈養(yǎng)貉子隱孢子蟲感染在不同年齡、糞便類型中的分布情況

Table3 PrevalenceofCryptosporidiumspp.amongdifferentage,andfecesformgroupsofraccoondogsinHebeiProvince

因素 樣本數(shù)/份 感染數(shù)/份 感染率/% (95%CI) P

年齡

>6月 85 1 1.2(0,3.5)

<6月 304 5 1.6(0.2,3.1)

0.384

糞便類型

正常(黑色,干,呈球樣或橄欖狀) 353 2 0.6(0,1.4)

非正常(糊狀、不成型或液體狀) 36 4 11.1(0.3,21.9)

0.001

2.2 貉子隱孢子蟲遺傳分析情況

對所獲得的6份隱孢子蟲SSUrRNA 基因PCR陽性產(chǎn)物進(jìn)行測序和比對,顯示本研究中得到的

6個(gè)隱孢子蟲SSUrRNA 基因序列完全一致,Blast分析顯示其均為C.canisSSUrRNA 基因,與 GenBank中參考序列 AF112576有100%同源性。進(jìn)化構(gòu)建樹顯示分離得到的隱孢子蟲SSUrRNA 基因與

已報(bào)道的多個(gè)C.canis分離株聚為一支,進(jìn)一步表明本研究中所獲得的隱孢子蟲蟲種為C.canis(圖1)。

圖1 基于SSUrRNA 基因構(gòu)建的隱孢子蟲進(jìn)化樹(最大似然法,可逆取代模型)

Fig.1 PhylogenyofCryptosporidiumspp.basedonthepartialSSUrRNAgene(themaximum-likelihoodmethod,andthegeneraltime-reversiblemodel)

注:▲為本研究所獲犬隱孢子蟲SSUrRNA 基因序列。

10 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

6份隱孢子蟲SSUrRNA 基因陽性樣本中,5份樣本gp60 基因被成功擴(kuò)增和測序,序列經(jīng)比對,剔

除相同序列,得到兩個(gè)隱孢子蟲gp60 序列,Blast分析顯示其分別與C.canis基因亞型 XXa2(登錄號(hào)為

MT954605)和XXa4(登錄號(hào)為 MT954607)序列一致。構(gòu)建進(jìn)化樹顯示分離得到的兩個(gè)隱孢子蟲gp60

基因分別與已報(bào)道的C.canis基因亞型XXa2(登錄號(hào)為 ON863566和 MT954605)和C.canis基因亞型

XXa4(登錄號(hào)為ON863565和 MT954607)聚為一支,進(jìn)一步表明本研究中所獲得的兩個(gè)C.canis其基因

亞型分別為XXa2和XXa4(圖2)。

圖2 基于gp60 基因構(gòu)建的犬隱孢子蟲亞型家族進(jìn)化樹(最大似然法,可逆取代模型)

Fig.2 PhylogeneticrelationshipofC.canisgp60nucleotidesequences

(themaximum-likelihoodmethod,andthegeneraltime-reversiblemodel)

注:▲為本研究所獲犬隱孢子蟲gp60 基因序列。

2.3 貉子隱孢子蟲蟲種/基因亞型分布情況

本次調(diào)查在河北省圈養(yǎng)貉子中共發(fā)現(xiàn)2種C.canis基因亞型,即 XXa2和 XXa4,分別占總樣本的

0.5%(2/389)和0.8%(3/389)。除石家莊未檢出隱孢子蟲陽性樣品以及張家口貉子養(yǎng)殖場所獲陽性樣

本測序不成功外,邯鄲和秦皇島貉子養(yǎng)殖場均檢出這2種C.canis基因亞型(表2)。

3 結(jié)論與討論

迄今,全球有關(guān)貉子隱孢子蟲的相關(guān)報(bào)道不多,且主要集中在中國、日本和波蘭等國,已報(bào)道的貉子隱

孢子蟲感染率為2.5%~37.7%

[6-8,10,14-15,18]。本研究中,河北省圈養(yǎng)貉子隱孢子蟲感染率為1.5%,低于

目前相關(guān)報(bào)道,但高于王步康等[9]關(guān)于河北昌黎地區(qū)貉子的報(bào)道(感染率為0)。本研究中,6月齡以上貉

子和6月齡以下貉子隱孢子蟲感染率間無顯著差異(χ

2=0.096,P=0.384),這一結(jié)果與Zhang等[8]、

Qian等[14]的研究結(jié)論一致,但與 Wang等[6]、王步康等[9]的研究不一致,分析不同研究中結(jié)論不一致的原

因,可能與不同研究中所用樣本量大小、采樣地點(diǎn)、飼養(yǎng)管理及樣本處理方法等不同有關(guān)。同時(shí),本研究

中,糞便不正常貉子隱孢子蟲感染率(11.1%)顯著高于糞便正常的貉子(0.6%)(χ

2=23.18,P=0.001),

分析其差異原因可能與動(dòng)物的飼養(yǎng)環(huán)境與衛(wèi)生管理等相關(guān)。

本研究中,C.canis是河北省圈養(yǎng)貉子檢出的唯一隱孢子蟲蟲種,這一結(jié)果與中國黑龍江[8]、新疆維

吾爾自治區(qū)[14]、山東[6]等地的報(bào)道一致。C.canis是對人有致病性的5種最常見的隱孢子蟲蟲種之一,

頻繁地發(fā)生于發(fā)展中國家人群[19]。從事貉子等毛皮動(dòng)物養(yǎng)殖、銷售、加工的從業(yè)人員應(yīng)了解該蟲種的傳

播途徑等相關(guān)知識(shí),做好自身防護(hù),嚴(yán)防出現(xiàn)人畜共患傳播。

借助于新近開發(fā)的基于gp60 基因的分型工具,分析顯示河北省圈養(yǎng)貉子感染的C.canis共存在

2個(gè)基因亞型,即XXa2和XXa4,顯示貉子源C.canis具有一定的遺傳多樣性[17]。此外,XXa2和 XXa4

第38卷第1期 陳東前,等:河北省圈養(yǎng)貉子隱孢子蟲流行現(xiàn)狀調(diào)查 11

基因亞型在美國、秘魯、埃塞俄比亞和牙買加的人群中已有報(bào)道,進(jìn)一步顯示貉子源C.canis具有人畜共

患性,應(yīng)引起高度重視[17]。Wang等[6]等研究顯示不同的毛皮動(dòng)物感染的C.canis基因亞型不同,如貉

子主要感染XXa,水貂只感染XXd和XXf,狐貍僅感染 XXg,暗示毛皮動(dòng)物源C.canis如同其他人群中

常見的隱孢子蟲蟲種C.parvum,C.hominis和C.ubiquitum 一樣,存在明顯宿主適應(yīng)性[20]。未來尚

需進(jìn)一步加大對毛皮動(dòng)物隱孢子蟲流行蟲種、傳播模式等的研究,以積累更多流行病學(xué)數(shù)據(jù),進(jìn)而闡明其

隱孢子蟲蟲種遺傳多樣性和宿主適應(yīng)性等特征。

參考文獻(xiàn):

[1] RYANU M,FENGYY,FAYERR,etal.TaxonomyandmolecularepidemiologyofCryptosporidiumandGiardia-A50yearperspective(1971-2021)[J].IntJParasitol,2021,51(13-14):1099-1119.

[2] ZAHEDIA,BOLLANDSJ,OSKAMCL,etal.Cryptosporidiumabrahamsenin.sp.(apicomplexa:cryptosporidiiae)fromred-eyetetra(Moenkhausiasanctaefilomenae)[J].ExpParasitol,2021,223:108089.

[3] HURLEGR,BRAINARDJ,TYLERKM.Microbiomediversityisamodifiablevirulencefactorforcryptosporidiosis[J].Virulence,2023,14(1):2273004.

[4] LEBBAD M,WINIECKA-KRUSNELLJ,STENSVOLDCR,etal.HighdiversityofCryptosporidiumspeciesand

subtypesidentifiedincryptosporidiosisacquiredinSwedenandabroad[J].Pathogens,2021,10(5):523.

[5] XUN,LIU H,JIANGYY,etal.FirstreportofCryptosporidiumviatorumandCryptosporidiumoccultusinhumansinChina,andoftheuniquenovelC.viatorumsubtypeXVaA3h[J].BMCInfectDis,2020,20(1):16.

[6] WANG WJ,WEIYT,CAOSH,etal.DivergentCryptosporidiumspeciesandhost-adaptedCryptosporidiumcanis

subtypesinfarmedminks,raccoondogsandfoxesinShandong,China[J].FrontCellInfectMicrobiol,2022,12:980917.

[7] 史柯,段張秀,齊萌,等.貉腸道寄生蟲感染情況調(diào)查[J].中國畜牧獸醫(yī),2009,36(4):140-143.

[8] ZHANGSW,TAO W,LIUCW,etal.FirstreportofCryptosporidiumcanisinfoxes(Vulpesvulpes)andraccoondogs(Nyctereutesprocyonoides)andidentificationofseveralnovelsubtypefamiliesforCryptosporidium mink

genotypeinminks(Mustelavison)inChina[J].InfectGenetEvol,2016,41:21-25.

[9] 王步康,李鑫淼,汪海東,等.狐貍和貉隱孢子蟲感染分子流行病學(xué)調(diào)查[J].畜牧與獸醫(yī),2023,55(8):93-98.

[10] OSTEN-SACKEN N,S?ODKOWICZ-KOWALSKA A,PACO'NJ,etal.Intestinalandexternalparasitesof

raccoondogs(Nyctereutesprocyonoides)inwesternPoland[J].AnnParasitol,2017,63(1):37-44.

[11] PEREC-MATYSIAKA,HILDEBRANDJ,POPIO?EKM,etal.TheoccurrenceofCryptosporidiumspp.inwildlivingcarnivoresinpoland-aquestionconcerningitshostspecificity[J].Pathogens,2023,12(2):198.

[12] ABEN,MATSUBAYASHIM,KIMATA I,etal.SubgenotypeanalysisofCryptosporidiumparvumisolatesfromhumansandanimalsinJapanusingthe60-kDaglycoproteingenesequences[J].ParasitolRes,2006,99(3):303-305.

[13] GONGQL,LID,DIAONC,etal.MinkAleutiandiseaseseroprevalenceinChinaduring1981-2017:Asystematic

reviewandmeta-analysis[J].MicrobPathog,2020,139:103908.

[14] QIAN WF,ZHANGY,JIANGYX,etal.MolecularcharacterizationofCryptosporidiumspp.inminks(Neovisonvison),bluefoxes(Vulpeslagopus),andraccoondogs(Nyctereutesprocyonoides)infarmsfrom Xinjiang,

NorthwestChina[J].ParasitolRes,2020,119(11):3923-3927.

[15] YANGZY,ZHAO W,WANGJG,etal.MoleculardetectionandgeneticcharacterizationsofCryptosporidium

spp.infarmedfoxes,minks,andraccoondogsinnortheasternChina[J].ParasitolRes,2018,117(1):169-175.

[16] XIAOL,ESCALANTEL,YANGC,etal.PhylogeneticanalysisofCryptosporidiumparasitesbasedonthesmallsubunitrRNAgenelocus[J].ApplEnvironMicrobiol,1999,65(4):1578-1583.

[17] JIANGW,ROELLIGDM,GUOYQ,etal.DevelopmentofasubtypingtoolforzoonoticpathogenCryptosporidiumcanis[J].JClinMicrobiol,2021,59(3):e02474.

[18] MATSUBAYASHIM,ABEN,TAKAMIK,etal.FirstrecordofCryptosporidiuminfectioninaraccoondog

(Nyctereutesprocyonoidesviverrinus)[J].VetParasitol,2004,120(3):171-175.

[19] YANGX,GUOYQ,XIAOLH,etal.Molecularepidemiologyofhumancryptosporidiosisinlow-andmiddle-incomecountries[J].ClinMicrobiolRev,2021,34(2):e00087-e19.

[20] FENGYY,RYANU M,XIAOLH.GeneticdiversityandpopulationstructureofCryptosporidium[J].Trends

Parasitol,2018,34(11):997-1011.

(責(zé)任編輯:顧文亮)

12 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2024,38(1):13-17

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-07-25

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(32002223);安徽省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2108085MC113);安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目

(KJ2020A0084);國家十四五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFD1601905)。

作者簡介:王昆平(1999-),男,安徽淮南人,碩士研究生,主要從事家禽熱應(yīng)激研究,E-mail:kunping1998@qq.com。

通信作者:聞愛友,教授,E-mail:aywen2008@126.com。

根皮素對熱應(yīng)激肉雞腿肌肉品質(zhì)和抗氧化性能的影響

王昆平1, 徐可行1, 白 晰1, 胡 洪2, 潘洪彬2, 聞愛友1*

(1.安徽科技學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;

2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,云南 昆明 650201)

摘 要:目的:探討飼料中添加根皮素對熱應(yīng)激環(huán)境下肉雞腿肌肉品質(zhì)及其抗氧化性能的影響。方法:選

取160只體質(zhì)量相近的22日齡 AA肉雞,隨機(jī)分為 NT、HT、LT和PT等4組,每組4個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)

10只。其中,NT為對照組,飼養(yǎng)溫度為(23.0±0.61)℃,相對濕度為50.8%±5.41%;HT、LT、PT為熱

應(yīng)激組,飼養(yǎng)溫度為(30.5±0.69)℃,相對濕度為89.7%±6.70%,NT和 HT飼喂基礎(chǔ)日糧,LT、PT分

別飼喂在基礎(chǔ)日糧中添加100、200mg/kg根皮素的日糧。在肉雞42日齡時(shí)每個(gè)重復(fù)隨機(jī)挑選3只肉

雞,屠宰后進(jìn)行腿肌肉品質(zhì)及抗氧化性能的測定。結(jié)果:與 HT相比,NT肉雞腿肌亮度、滴水損失、失水

率、蒸煮損失、MDA水平均顯著下降(P<0.05),CAT、GSH、GSH-Px、T-AOC水平均顯著上升(P<0.05)。

與 HT相比,PT肉雞腿肌亮度、肌滴水損失、失水率、蒸煮損失、MDA水平均顯著下降(P<0.05),CAT、

GSH、GSH-Px、T-AOC水平均顯著上升(P<0.05)。與 HT相比,LT的 T-AOC水平顯著上升(P<0.05)。

結(jié)論:飼料中添加根皮素可有效改善熱應(yīng)激對肉雞腿肌肉品質(zhì)及抗氧化性能的影響,且以添加200mg/kg

效果較好。

關(guān)鍵詞:根皮素;熱應(yīng)激;肉雞;肉品質(zhì);抗氧化性能

中圖分類號(hào):S831.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8772(2024)01-0013-05

開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID): DOI:10.19608/j.cnki.1673-8772.2024.0003

Effectsofphloretinonlegmusclequalityandantioxidant

propertiesofheat-stressedbroilerchickens

WANGKunping

1, XUKexing

1, BAIXi1, HU Hong

2, PAN Hongbin2, WENAiyou1*

(1.CollegeofAnimalScience,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,China;

2.CollegeofAnimalScienceandTechnology,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China)

Abstract:Objective:Theeffectsofphloretinasafeedadditiveon musclequalityandantioxidant

propertiesofbroilersunderheatstresswereinvestigated.Methods:Atotalof16022-day-old AA

broilerswithsimilarbodyweightwererandomlydividedintoNT,HT,LTandPTgroupswith4

replicatespergroupand10broilersperreplicate.NTwasthecontrolgroup,thefeedingtemperature

was(23.0±0.61)℃,andthehumiditywas50.8%±5.41%.HT,LTandPT wereheatstress

groups.Thefeedingtemperaturewas(30.5±0.69)℃andthehumiditywas89.7%±6.70%.NTand

HTwerefedwithbasaldiet.LTwasfedwithbasaldietsupplementedwith100mg/kgphloretin,and

PTwasfedwithbasaldietsupplementedwith200mg/kgphloretin.At42daysofage,3broilerswere

randomlyselectedfrom eachreplicateto detectleg musclequalityand makeleg muscletissue

homogenate,whichwasstoredat-70℃,andthekitwasusedtodetecttheantioxidantpropertiesof

legmuscle.Results:ComparedwiththeHT,thelegmusclebrightness,muscledriploss,waterloss

rate,cookingloss,andMDAlevelsinNTweresignificantlydecreased(P<0.05),andCAT,GSH,

GSH-Px,andT-AOClevelsweresignificantlyincreased(P<0.05).ComparedwiththeHT,theleg

musclebrightness,muscledriploss,waterlossrate,cookingloss,and MDAlevelsinPT were

significantlydecreased(P<0.05),andCAT,GSH,GSH-Px,andT-AOClevelsweresignificantly

increased(P<0.05).ComparedwithHT,theT-AOCleveloftheLTgroupwassignificantlyincreased

(P<0.05).Conclusion:Adding200mg/kgphloretintothefeedcaneffectivelyreducetheeffectof

heatstressonlegmusclequalityandantioxidantperformanceofbroilers,andimprovetheresistanceof

broilerstoheatstress.

Keywords:Phloretin;Heatstress;Broilerchickens;Meatquality;Antioxygenicproperty

在現(xiàn)代規(guī)模養(yǎng)殖條件下,熱應(yīng)激已成為影響家禽生產(chǎn)和福利的主要環(huán)境應(yīng)激源[1]。肉雞沒有汗腺,全

身覆蓋羽毛,主要靠呼吸散熱,當(dāng)環(huán)境溫度過高、飼養(yǎng)密度過大、通風(fēng)不良、飲水不足時(shí),會(huì)導(dǎo)致散熱困難,

出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)[2]。研究表明[3],熱應(yīng)激可導(dǎo)致動(dòng)物機(jī)體細(xì)胞內(nèi)線粒體發(fā)生氧化應(yīng)激并產(chǎn)生過量的活性

氧(ROS),這些過量的ROS可直接危害機(jī)體細(xì)胞的正常代謝過程,并造成組織損傷,最終導(dǎo)致肉雞生長

性能及肉品質(zhì)的下降。因此,做好肉雞熱應(yīng)激的預(yù)防對于肉雞生產(chǎn)十分重要。

根皮素(Phloretin)作為一種植物提取物,屬于黃酮類化合物,主要分布于蘋果、荔枝等多種植物中。

研究表明根皮素具有抗氧化、抑制細(xì)菌、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、抑制酪氨酸酶活性、抗炎等功能[4]。Kern

等[5]發(fā)現(xiàn),根皮素是一種天然多酸化合物,可以抑制動(dòng)物機(jī)體內(nèi)蛋白激酶C(PKC)活性和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,

發(fā)揮抗氧化和抗腫瘤作用。本試驗(yàn)通過在飼料中添加根皮素,探討其對熱應(yīng)激環(huán)境下肉雞腿肌肉品質(zhì)及

抗氧化性能的影響,為肉雞無抗養(yǎng)殖和根皮素作為一種綠色安全飼料添加劑的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)分組和日糧配方

試驗(yàn)選取安徽科技學(xué)院畜牧場提供的160只22日齡 AA肉雞(雌雄各半),按照體質(zhì)量相近原則,隨

機(jī)分為NT、HT、LT和PT 等4個(gè)組,每組4個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)10只。其中NT為對照組,HT、LT和PT

為熱應(yīng)激組。依據(jù) NRC規(guī)定配制飼料。試驗(yàn)分組和基礎(chǔ)日糧配方見表1~2。

表1 飼養(yǎng)試驗(yàn)分組

Table1 Groupingoffeedingtrials

試驗(yàn)組別 溫度/℃ 相對濕度/% 飼喂日糧

NT 23.0±0.61 50.8±5.41 基礎(chǔ)日糧

HT 30.5±0.69 89.7±6.70 基礎(chǔ)日糧

LT 30.5±0.69 89.7±6.70 基礎(chǔ)日糧+100mg/kg根皮素

PT 30.5±0.69 89.7±6.70 基礎(chǔ)日糧+200mg/kg根皮素

1.2 飼養(yǎng)管理

在安徽科技學(xué)院試驗(yàn)動(dòng)物房的同一幢相鄰的兩間雞舍進(jìn)行肉雞的飼養(yǎng)試驗(yàn),其中 NT肉雞單獨(dú)一間

飼養(yǎng),HT、LT、PT等3組在另一間雞舍飼養(yǎng),雞舍內(nèi)溫濕度均采用空調(diào)和加濕器進(jìn)行調(diào)控,對照組為:溫

14 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

度為(23.0±0.61)℃,相對濕度為50.8%±5.41%;熱應(yīng)激組:溫度為(30.5±0.69)℃,相對濕度為

89.7%±6.70%。由專人負(fù)責(zé)飼喂和衛(wèi)生打掃等日常管理工作,并按照正常肉雞防疫程序進(jìn)行疫苗注射,

飼養(yǎng)期為21d。

1.3 試驗(yàn)樣品采集及測定方法

42日齡時(shí),每個(gè)重復(fù)隨機(jī)挑選3只接近平均體質(zhì)量的肉雞,空腹12h后屠宰,取腿肌樣品進(jìn)行腿肌肉

品質(zhì)和抗氧化指標(biāo)的測定。肉雞屠宰及肉雞腿肌肉的品質(zhì)測定均參照馬猛等[6]、Qiao等[7]方法進(jìn)行,其

中肉的pH 采用數(shù)顯式pH 儀(梅特勒-托利多儀器有限公司)測定,肉的亮度(L* )、紅度(a* )、黃度(b* )

等肉色指標(biāo)使用色差儀(柯尼卡美能達(dá)控股公司)測定,肌肉嫩度采用數(shù)顯式嫩度測定儀(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工

程學(xué)院)進(jìn)行測定;肌肉 MDA、CAT、GSH、GSH-Px、T-AOC等抗氧化指標(biāo)均按照試劑盒(南京建成生物

工程研究所)說明書進(jìn)行測定。

表2 基礎(chǔ)日糧與營養(yǎng)水平

Table2 Basicdietandnutritionlevel

ω(組成)/% 配比/% 養(yǎng)分指標(biāo)② 營養(yǎng)水平

玉米 60.0 代謝能/(MJ/kg) 12.56

豆粕 31.2 ω(粗蛋白)/% 20.10

魚粉 2.0 ω(鈣)/% 0.87

豆油 3.0 ω(Lys)/% 1.09

磷酸氫鈣 1.5 ω(Met+Cys)/% 0.76

石粉 0.9 ω(有效磷)/% 0.41

食鹽 0.3 ω(總磷)/% 0.49

DL-Met 0.1

預(yù)混料① 1.0

注:①添加劑預(yù)混料為每kg日糧提供:50mg鋅,0.1mg硒,60mg鐵,0.3mg碘,5mg銅,10000IU 維生素 A,4.0mg維生素 K,

2200IU膽鈣化醇,2.0mg維生素B1,4.0mg維生素B6,4.0mg維生素B2,0.03mg維生素B12,20mg維生素E,10mg泛酸,20mg煙

酸,0.12mg生物素,400mg膽堿,1.2mg葉酸。②代謝能為計(jì)算值,其余為實(shí)測值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)結(jié)束后,將收集的數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行處理后,用SPSS18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異顯著統(tǒng)計(jì)分析

和多重比較,結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 根皮素對熱應(yīng)激肉雞腿肌肉品質(zhì)的影響

由表3可知,與 HT相比,NT肉雞腿肌亮度(L* )顯著下降(P<0.05),PT肉雞腿肌亮度(L* )顯著

下降(P<0.05)。與 HT相比,NT肉雞腿肌滴水損失、失水率、蒸煮損失顯著下降(P<0.05),PT肉雞腿

肌滴水損失、失水率、蒸煮損失顯著下降(P<0.05)。與 HT相比,NT和PT肉雞腿肌亮度(L* )、滴水損

失、失水率、蒸煮損失均顯著下降(P<0.05)。說明日糧中添加根皮素可以明顯改善熱應(yīng)激狀態(tài)下肉雞腿

肌肉的亮度(L* )和肌肉的保水能力。

表3 根皮素對熱應(yīng)激肉雞腿肌肉品質(zhì)的影響

Table3 Effectsofphloretinonlegmusclequalityofbroilersunderheatstress

項(xiàng)目

組別

NT HT LT PT

亮度L* 46.02±0.83a 49.25±0.56b 47.50±0.65ab 46.50±0.94a

黃度b* 6.86±0.33 6.22±0.45 6.32±0.62 6.28±0.41

紅度a* 7.80±0.27 7.63±0.27 7.54±0.23 7.48±0.26

pH 6.13±0.04a 5.97±0.04b 6.06±0.03ab 6.11±0.03a

滴水損失/% 4.40±0.33b 5.50±0.24a 4.66±0.35ab 4.43±0.29b

失水率/% 26.99±0.49b 29.08±0.53a 27.92±0.58ab 26.75±0.64b

蒸煮損失/% 38.04±0.65b 40.56±0.6a 39.05±0.69ab 37.88±0.61b

注:同行數(shù)據(jù)肩標(biāo)不同字母表示差異顯著(P<0.05),無字母或相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。下同。

第38卷第1期 王昆平,等:根皮素對熱應(yīng)激肉雞腿肌肉品質(zhì)和抗氧化性能的影響 15

2.2 根皮素對熱應(yīng)激肉雞腿肌抗氧化性能的影響

由表4可知,與 HT相比,NT肉雞腿肌的 CAT、GSH、GSH-Px、T-AOC水平顯著上升(P<0.05);

LT的T-AOC水平顯著高于 HT組(P<0.05);PT的 CAT、GSH、GSH-Px、T-AOC水平顯著高于 HT

(P<0.05);HT的肉雞腿肌 MDA 水平顯著高于 NT(P<0.05);PT的肉雞腿肌 MDA 水平顯著低于

HT(P<0.05)。說明日糧中添加根皮素可有效提高熱應(yīng)激狀態(tài)下肉雞機(jī)體的抗氧化能力。

表4 根皮素對熱應(yīng)激肉雞腿肌抗氧化性能的影響

Table4 Effectsofphloretinonantioxidantpropertiesoflegmuscleinbroilersunderheatstress

項(xiàng)目

組別

NT HT LT PT

CAT活性/(U/mg) 3.56±0.24b 2.49±0.20a 2.65±0.24a 3.30±0.24b

GSH/(μmol/g) 5.55±0.25b 4.14±0.21a 4.72±0.29ab 5.32±0.36b

GSH-Px活性/(U/mg) 26.25±0.99c 18.53±1.67a 21.91±1.20ab 24.88±1.39bc

T-AOC活性/(U/mg) 3.14±0.15c 2.02±0.14a 2.52±0.15b 2.96±0.15c

MDA/(nmol/mg) 0.47±0.02b 0.65±0.04a 0.60±0.05ab 0.51±0.03b

3 結(jié)論與討論

畜禽屠體的肉色、pH、系水力(滴水損失率、失水率、蒸煮損失率)等理化指標(biāo)直接影響畜禽產(chǎn)品的貯

藏、加工和市場銷售的貨架期,是畜禽肉質(zhì)評定中常規(guī)測定的指標(biāo)[6]。肉的顏色主要受肌肉中肌紅蛋白及

其氧合代謝的影響。通常情況下,機(jī)體組織和細(xì)胞中氧合肌紅蛋白水平升高,肌肉的亮度值(L* )升高;脫

氧肌紅蛋白水平升高,紅度值(a* )升高;而肌肉黃度值(b* )的高低與高鐵肌紅蛋白水平及其氧化程度關(guān)

系密切[8]。畜禽剛屠宰后,由于肌肉中氧合肌紅蛋白含量高,肌肉顏色呈現(xiàn)紅潤有光澤,之后,隨著貯藏時(shí)

間的延長,機(jī)體組織和細(xì)胞中氧含量下降,肌紅蛋白以脫氧肌紅蛋白為主,從而導(dǎo)致肉色變暗、肉質(zhì)下

降[9]。本試驗(yàn)中,熱應(yīng)激條件下的肉雞腿肌L* 值均高于常溫下的 NT,a* 值和b* 值與 HT相比也均有降

低的趨勢,其中 HT腿肌肉的 L* 值顯著高于 NT,這與孫金芝等[10]研究結(jié)果一致。通常在熱應(yīng)激狀態(tài)

下,肉雞肺呼吸功能增強(qiáng),增加了機(jī)體組織和細(xì)胞內(nèi)氧合肌紅蛋白水平,同時(shí)減少了脫氧肌紅蛋白和高鐵

肌紅蛋白含量,從而使得肌肉中L* 值升高,并在一定程度上降低了a* 和b* 值的水平。試驗(yàn)還觀察到LT

和PT肉雞腿肌肉的L* 值均低于 HT,這可能是因?yàn)槿怆u的肺部和組織細(xì)胞中養(yǎng)氣的交換量的降低,有

效減少了肉雞機(jī)體組織和細(xì)胞中氧合肌紅蛋白水平,降低了腿肌的L* 值,說明日糧中添加根皮素可不同

程度地降低肉雞的熱應(yīng)激反應(yīng)。

家禽屠宰后,尸僵變化過程中會(huì)發(fā)生一系列的生化反應(yīng),其中肌肉組織細(xì)胞在缺氧狀態(tài)下,糖原無氧

酵解會(huì)產(chǎn)生乳酸,大量乳酸積累是導(dǎo)致肌肉pH 下降的主要因素[11-12]。與適溫條件相比,在長時(shí)間熱應(yīng)激

環(huán)境下,家禽采食量下降,機(jī)體的合成代謝率下降,分解代謝加強(qiáng),從而導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)糖原過多的酵解供能并

生成更多的乳酸[13-14],這可能正是本試驗(yàn)中觀察到的 HT腿肌肉中pH 相較于 NT顯著下降的原因所在。

而添加根皮素的2組pH 均小于NT且大于 HT,說明添加根皮素緩解了熱應(yīng)激對肉雞機(jī)體的影響。肌肉

的pH 是影響肌肉的顏色、系水力、嫩度及貯藏時(shí)間的重要因素。本試驗(yàn)中,熱應(yīng)激組比對照組滴水損失、

失水率、蒸煮損失均有所提高,而添加200mg/kg根皮素有效改善了肉雞腿肌系水力。前人研究表明,隨

著屠宰后肌肉pH 的下降,肌肉中蛋白質(zhì)之間的相互作用減少,導(dǎo)致肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白間隙縮小,使水

分被壓縮至肌漿,導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)滲透壓減小,水分滲透流失;此外,根皮素還可以減少肉雞熱應(yīng)激條件下機(jī)體

內(nèi)氧化自由基的產(chǎn)生,降低了自由基對肌肉組織和細(xì)胞膜的破裂損傷,減少細(xì)胞內(nèi)水分流失,提高了肌肉

的保持水分的能力[14-15]。

本試驗(yàn)中觀察到在熱應(yīng)激狀態(tài)下肉雞體內(nèi) MDA顯著提高,這是由于長時(shí)間處于熱應(yīng)激環(huán)境下,畜禽

機(jī)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧(ROS)等具有強(qiáng)氧化作用的自由基,這些自由基會(huì)作用于脂質(zhì)發(fā)生氧化反

應(yīng),從而產(chǎn)生 MDA,MDA會(huì)引起蛋白質(zhì)、核酸等產(chǎn)生交聯(lián)聚合作用,從而造成機(jī)體和組織細(xì)胞的損害和

代謝紊亂[16-17]。根皮素能夠通過氧化還原信號(hào)通路(如 NF-κB/MAPKs和 LKB1/AMPK通路等)去除體

16 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

內(nèi)多余的ROS,增強(qiáng)體內(nèi)脂質(zhì)過氧化的能力,減少 ROS對細(xì)胞的損傷,增加細(xì)胞抗氧化能力[18-19]。Yang

等[16]研究表明,根皮素具有降低細(xì)胞內(nèi)氧化自由基和 MDA 水平、提高 GSH-Px活性的能力。這與本試

驗(yàn)測定結(jié)果是一致的。由于 MDA對細(xì)胞的損害,抗氧化物的合成受到影響,機(jī)體內(nèi)CAT、GSH、GSH-Px

等抗氧化物含量較低[20-21]。而日糧中添加根皮素提高了機(jī)體的抗氧化能力,清除了機(jī)體內(nèi)大量氧化自由

基,減少了 MDA的產(chǎn)生,不同程度提高了機(jī)體內(nèi)CAT、GSH、GSH-Px等抗氧化物的水平,T-AOC水平

升高。

綜上,飼料中添加根皮素可有效改善雞肉系水力等肉質(zhì)指標(biāo),緩解熱應(yīng)激對肉雞腿肌肉品質(zhì)及抗氧化

性能的影響,且以添加200mg/kg較為適宜。

參考文獻(xiàn):

[1] 孫詩昂,李冰,鄧亞飛,等.循環(huán)熱應(yīng)激對肉雞胸肌、腿肌糖原、AMP、AMPK 含量的影響[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),

2022,36(1):13-17.

[2] 孟嵐嵐.熱應(yīng)激對養(yǎng)雞生產(chǎn)的危害及預(yù)防[J].現(xiàn)代畜牧科技,2021(11):51,53.

[3] 李海鵬.熱應(yīng)激對肉雞生長性能、脂肪沉積及肝臟抗氧化性能的影響[D].荊州:長江大學(xué),2021.

[4] 李璞澤.根皮素緩解小鼠潰瘍性結(jié)腸炎的腸道微生態(tài)機(jī)理研究[D].新鄉(xiāng):新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院,2020.

[5] KERN M,PAHLKEG,BALAVENKATRAMANKK,etal.ApplepolyphenolsaffectproteinkinaseCactivity

andtheonsetofapoptosisinhumancoloncarcinomacells[J].JAgricFoodChem,2007,55(13):4999-5006.

[6] 馬猛,王克華,曲亮,等.不同品種肉雞屠宰性能、胸肌肉品質(zhì)和成分測定及分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2022,38(9):

137-142.

[7] QIAO M,FLETCHERDL,SMITHDP,etal.TheeffectofbroilerbreastmeatcoloronpH,moisture,waterholdingcapacity,andemulsificationcapacity[J].PoultSci,2001,80(5):676-680.

[8] 梁榮蓉,許寶琛,張一敏,等.蛋白質(zhì)組學(xué)在生鮮肉肉色變化機(jī)制研究中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2020,36(16):

283-292.

[9] 劉文洋,楊紫宣,趙靜,等.不同LED光色對肉雞生長性能、養(yǎng)分表觀代謝率、肉品質(zhì)及血清生化指標(biāo)的影響[J].中國

畜牧雜志,2023,59(5):307-311,321.

[10] 孫金芝,宋志剛,朱啟東,等.萬壽菊提取物對熱應(yīng)激下肉雞生長性能、屠宰性能、肉品質(zhì)及血清生化指標(biāo)的影響[J].

動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)報(bào),2023,35(10):6340-6348.

[11] 程業(yè)飛.β-谷甾醇對正常和熱應(yīng)激條件下肉雞生長、抗氧化和線粒體功能影響的研究[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大

學(xué),2020.

[12] 周振春.夏季肉雞熱應(yīng)激的發(fā)生原因、臨床癥狀及防治措施[J].現(xiàn)代畜牧科技,2021(9):115-116.

[13] 李欣澤,周雙.生姜提取物對熱應(yīng)激肉雞生長性能、血清生化指標(biāo)、抗氧化功能及肉質(zhì)的影響[J].北方牧業(yè),

2020(13):27.

[14] 張銘灝.宰前不同程度急性熱應(yīng)激對宰后雞肉品質(zhì)的影響及其影響機(jī)制研究[D].泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2017.

[15] 王浩男.槲皮萬壽菊素對肉雞生長性能、免疫及抗氧化影響研究[D].保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2021.

[16] YANGQ,HANL,LIJ,etal.ActivationofNrf2byphloretinattenuatespalmiticacid-inducedendothelialcelloxidativestressviaAMPK-dependentsignaling[J].JAgricFoodChem,2019,67(1):120-131.

[17] LIJ,YANGQ,HANL,etal.C2C12mousemyoblastsdamageinducedbyoxidativestressisalleviatedbytheantioxidantcapacityoftheactivesubstancephloretin[J].FrontCellDevBiol,2020,8:541260.

[18] MARIADOSSAVA,VINYAGAMR,RAJAMANICKAM V,etal.Pharmacologicalaspectsandpotentialuseof

phloretin:Asystemicreview[J].MiniRevMedChem,2019,19(13):1060-1067.

[19] YINGY,JINJY,YEL,etal.PhloretinpreventsdiabeticcardiomyopathybydissociatingKeap1/Nrf2complexand

inhibitingoxidativestress[J].FrontEndocrinol,2018,9:774.

[20] 鐵梅,劉麗,莊曉虹,等.硒蛋白和過氧化氫酶清除羥自由基作用的研究[J].食品研究與開發(fā),2017,38(17):6-10.

[21] 施志慧.人源過氧化氫酶的重組穩(wěn)定表達(dá)、PEG修飾和抗病毒性肺炎作用研究[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2011.

(責(zé)任編輯:顧文亮)

第38卷第1期 王昆平,等:根皮素對熱應(yīng)激肉雞腿肌肉品質(zhì)和抗氧化性能的影響 17

安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2024,38(1):18-23

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2022-11-30

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(31802242);安徽省自然科學(xué)基金(2008085QC146);安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2022AH051640,

2023AH051885);安徽科技學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目(ZRC2014447);安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(202004a06020050);國家級大學(xué)

生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(202110879063);安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(S202110879178)。

作者簡介:顧成霞(2002-),女,安徽宣城人,本科生,主要從事獸醫(yī)藥理和毒理學(xué)研究,E-mail:3558329467@qq.com。

通信作者:李磊,副教授,E-mail:lil@ahstu.edu.cn。

鎘誘導(dǎo)雛雞肝臟的損傷作用

顧成霞1, 王 艷1, 張 宇1, 唐中齊1, 葉瑞旗1,

汪夢杰1, 劉 暢1,2,3, 曹迷霞1,2, 李 磊1,2,3*

(1.安徽科技學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;

2.動(dòng)物營養(yǎng)調(diào)控與健康安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 鳳陽 233100;

3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部豬肉質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 鳳陽 233100)

摘 要:目的:旨在觀察鎘對雛雞肝臟的損傷作用,為預(yù)防、治療和診斷鎘致雛雞肝損傷提供依據(jù)。方法:

200只1日齡健康愛撥益加雛雞隨機(jī)分為空白對照組、CdCl2 處理組(低、中、高劑量),每組5個(gè)重復(fù),每個(gè)

重復(fù)10只。CdCl2 處理組分別灌服35、70、140mg/kg·BW 的CdCl2 溶液。雛雞染鎘24h后,心臟采血

處死動(dòng)物并分離肝組織,利用蘇木精-伊紅染色觀察肝組織病理變化,測定血清中轉(zhuǎn)氨酶活性與腫瘤壞死

因子α(Tumornecrosisfactor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、白細(xì)胞介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)含

量,比色法測定肝組織中氧化應(yīng)激指標(biāo)。結(jié)果:35、70mg/kgCdCl2 處理可引起雛雞血清中轉(zhuǎn)氨酶活性顯

著提高(P<0.01),雛雞肝細(xì)胞出現(xiàn)空泡變性、炎性浸潤和細(xì)胞壞死等病理改變;GSH 含量、SOD活性顯

著降低(P<0.01),MDA含量急劇升高(P<0.01),血清中炎性細(xì)胞因子IL-1β、IL-6與 TNF-α含量顯著

升高(P<0.01)。結(jié)論:CdCl2 可導(dǎo)致雛雞肝組織出現(xiàn)氧化應(yīng)激,并伴隨炎癥反應(yīng)。

關(guān)鍵詞:鎘;雛雞;肝損傷;氧化應(yīng)激

中圖分類號(hào):S859.87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8772(2024)01-0018-06

開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID): DOI:10.19608/j.cnki.1673-8772.2024.0004

Cadmium-inducedliverdamageinchicks

GUChengxia1, WANGYan1, ZHANGYu1, TANGZhongqi1, YERuiqi1,

WANG Mengjie1, LIUChang

1,2,3, CAO Mixia1,2, LILei1,2,3*

(1.CollegeofAnimalScience,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,China;

2.AnhuiProvinceKeyLaboratoryofAnimalNutritionalRegulationandHealth,Fengyang233100,China;

3.KeyLaboratoryofQuality&SafetyControlforPork,MinistryofAgricultureandRuralAffairs,Fengyang233100,China)

Abstract:Objective:Toobservetheeffectsofcadmiumonliverinjuryofchicks,andtoprovideevidence

forprevention,treatmentanddiagnosisofcadmium-inducedliverinjuryofchicks.Methods:Atotalof

2001-day-oldhealthyAidiegachickswererandomlydividedintocontrolgroupandCdCl2treatment

groups(low,mediumandhighdose)with5replicatespergroupand10chicksperreplicate.CdCl2

treatmentgroupsweregiven35,70,140mg/kg·BWofCdCl2solution,respectively.After24hof

cadmiumtreatment,heartbloodwascollectedandtheanimalswerekilledandthelivertissueswere

separated.Hematoxylin-eosinstaining (H&E)wasusedtoobservethepathologicalchangesofliver

tissues.Theactivityoftransaminaseandthecontentsoftumornecrosisfactor-α(TNF-α),interleukin-6

(IL-6)andinterleukin-1β(IL-1β)inserumweredetermined,andtheindexesofoxidativestressinliver

tissueweredeterminedbycolorimetry.Results:35,70mg/kgCdCl2couldsignificantlyincreasethe

activityofaminotransferaseinserumofchicks(P<0.01).Thepathologicalchangessuchasvacuolar

degeneration,inflammatoryinfiltrationandcelldeathwereobservedinchickenlivercells.GSHcontent

andSODactivityweresignificantlydecreased (P<0.01),MDAcontentwassignificantlyincreased

(P<0.01),andseruminflammatorycytokinesIL-1β,IL-6andTNF-αcontentsweresignificantlyincreased

(P<0.01).Conclusion:CdCl2 caninduceoxidativestressinlivertissueofchicks,accompaniedby

inflammation.

Keywords:Cadmium;Chicks;Liverinjury;Oxidativestress

鎘是毒性很強(qiáng)的環(huán)境污染物之一[1],為人和動(dòng)物非必需元素。自然界中,鎘元素主要以化合態(tài)形式存

在,常與鉛、汞等元素伴生。鎘是動(dòng)物性食品中主要污染物之一,動(dòng)物常因采食受污染飼料而富集在組織

內(nèi),隨著食物鏈最終進(jìn)入人體。中國環(huán)境中鎘污染日趨嚴(yán)重[2],被鎘污染的空氣、土壤和食品對人體危害

嚴(yán)重,會(huì)導(dǎo)致人產(chǎn)生骨痛、自發(fā)性骨折、骨缺損等危害[3]。鎘對人和其他哺乳動(dòng)物所有的組織器官都具有

嚴(yán)重毒性,如肝、腎、睪丸等[4]。鎘的毒性作用常表現(xiàn)為抑制 DNA 修復(fù)酶的活性、氧化應(yīng)激、細(xì)胞死亡

等[5],雖然鎘不能直接造成氧化應(yīng)激損傷,但鎘可以消耗大量谷胱甘肽(Glutathione,GSH),抑制抗氧化

酶活性,導(dǎo)致活性氧(ReactiveOxygenSpecies,ROS)的大量生成,并伴隨丙二醛(Malondialdehyde,

MDA)等脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物顯著增加[6],其毒性與接觸的時(shí)間、物質(zhì)的劑量、接觸途徑等有關(guān)。

肝臟具有排泄和分泌膽汁、造血等功能。作為動(dòng)物機(jī)體內(nèi)最重要的解毒器官,血液流經(jīng)肝臟時(shí),部分

有害的物質(zhì)可被肝臟中產(chǎn)生的酶分解排出體外。鎘進(jìn)入機(jī)體,在體內(nèi)形成鎘-硫蛋白[7],經(jīng)過血液循環(huán)選

擇性地在腎臟和肝臟中蓄積。肝臟是鎘的主要的靶器官之一,鎘可造成嚴(yán)重的肝臟損傷[8]。因鎘暴露時(shí)

間與劑量的差異,導(dǎo)致不同組織器官中鎘的蓄積含量有所不同,繼而產(chǎn)生的毒性效應(yīng)存在差異。以往的研

究更多關(guān)注鎘對嚙齒動(dòng)物肝臟及腎臟功能的毒性作用,對鎘暴露引起家禽毒性的研究相對較少。本試驗(yàn)

以雛雞為研究對象,觀察鎘暴露對雛雞肝組織病理變化的影響,以期為預(yù)防和治療鎘致雛雞肝損傷提供試

驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 藥品與試劑 氯化鎘(CdCl2,純度>98%)購于美國sigma公司;天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶

(AspartateTransaminase,AST)、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AlanineTransaminase,ALT)、還原型谷胱甘肽

(Glutathione,GSH)、超氧化物歧化酶(SuperoxideDismutase,SOD)、丙二醛(Malondialdehyde,MDA)檢

測試劑盒均購自南京建成生物工程研究所;白細(xì)胞介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)、IL-6、腫瘤壞死因子α

(TumourNecrosisFactor-α,TNF-α)試劑盒購自武漢華美生物公司,其他試劑均為分析純。

1.1.2 試驗(yàn)動(dòng)物 200只1日齡愛撥益加雛雞由江蘇廣大畜禽有限公司提供,適應(yīng)性飼養(yǎng)3d,期間自由

采食與飲水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)分組與處理 將200只1日齡愛撥益加雛雞適應(yīng)性飼養(yǎng)3d后,隨機(jī)分成4組,每組5個(gè)重

第38卷第1期 顧成霞,等:鎘誘導(dǎo)雛雞肝臟的損傷作用 19

復(fù),每個(gè)重復(fù)為10只?？瞻讓φ战M灌胃生理鹽水,染毒組按表1一次性灌胃不同劑量的CdCl2 溶液。

表1 試驗(yàn)分組與處理

Table1 Groupsandtreatments

分組 動(dòng)物數(shù)/只 染毒劑量/(mg/kg)

空白對照組 50 -

低劑量CdCl2 組 50 35

中劑量CdCl2 組 50 75

高劑量CdCl2 組 50 140

1.2.2 樣品采集與處理 雛雞染毒24h后,心臟采血處死動(dòng)物,血液室溫靜置1~2h,待血液充分凝固

后,在2000r/min條件下離心10min,吸取上層血清,分裝到無菌的1.5mL離心管中,置于-20℃保存

備用;迅速剖解動(dòng)物,分離肝臟,在每只動(dòng)物肝臟相同部位取大小適當(dāng)?shù)囊环萁M織置于4%中性多聚甲醛

溶液進(jìn)行固定處理,用于組織病理學(xué)檢測,另取數(shù)份組織經(jīng)液氮迅速冷凍后轉(zhuǎn)入-80℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測定項(xiàng)目及分析方法

1.3.1 血清轉(zhuǎn)氨酶活性測定 按照試劑盒說明操作測定血清中 ALT與 AST活性,將測定結(jié)果帶入標(biāo)

準(zhǔn)曲線計(jì)算各樣本中 ALT、AST活性。

1.3.2 肝臟組織病理學(xué)觀察 摘取雛雞肝臟部分葉片,置4%中性多聚甲醛進(jìn)行固定,不同濃度梯度乙

醇進(jìn)行脫水處理24h,肝組織快速脫水后,用二甲苯透明10min,石蠟包埋,制成5μm 厚的切片,將制好

的切片采用蘇木精-伊紅染色(Hematoxylin-eosinStaining,H&E),光學(xué)顯微鏡下觀察肝細(xì)胞的病理學(xué)

變化。

1.3.3 抗氧化指標(biāo)的測定取 100mg肝組織加入0.9mL生理鹽水,冰浴條件下制備組織勻漿,2500r/min

離心10min,吸取上清液后按照試劑盒說明書測定SOD活性和 GSH、MDA含量,并以樣品的蛋白濃度

對結(jié)果進(jìn)行校正。

1.3.4 血清中細(xì)胞因子含量的檢測 血清在室溫下融化,2500r/min離心10min,吸取上層樣品,嚴(yán)格

按照ELIAS試劑盒說明書步驟操作。將測定結(jié)果帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算各樣本中TNF-α、IL-1β與IL-6質(zhì)量

濃度。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 結(jié)果以“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,采用SPSS22.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單

因素 ANOVA分析,多重比較采用LSD檢驗(yàn),P<0.05表示差異顯著,P<0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 臨床癥狀觀察

雛雞經(jīng)適應(yīng)性飼養(yǎng)后,給予不同劑量CdCl2,隨后觀察染毒雛雞的一般狀況發(fā)現(xiàn),高劑量組(140mg/kg)

雛雞染鎘后,精神沉郁,反應(yīng)遲鈍,8h后該組試驗(yàn)動(dòng)物陸續(xù)死亡,中、低劑量組(35、70mg/kg)試驗(yàn)動(dòng)物精

神略顯沉郁,無其他明顯中毒癥狀。鑒于高劑量組鎘毒性過大,造成多數(shù)動(dòng)物直接死亡,故本研究主要測

定了中、低劑量染鎘組的相關(guān)指標(biāo)。

2.2 鎘對肝臟組織結(jié)構(gòu)的影響

正常肝組織中,肝細(xì)胞以中央靜脈為中心,向周圍呈現(xiàn)放射狀的排列方式,形成細(xì)胞厚度的細(xì)胞板,稱

為肝板,肝板之間以肝血竇相連。如圖1所示,利用 H&E染色觀察肝組織的病理變化(圖1),空白對照

組雛雞肝臟組織細(xì)胞排列整齊,染色均一,未發(fā)現(xiàn)明顯病理變化。35mg/kgCdCl2 組處理24h中出現(xiàn)細(xì)

胞核成塊聚集,染色不清晰,肝小梁擁擠。70mg/kgCdCl2 組處理24h中空泡增多肝竇受壓變窄,伴有

出血的現(xiàn)象,中央靜脈周圍有少量炎性細(xì)胞浸潤。肝細(xì)胞疏松,出現(xiàn)不同程度的腫脹。140mg/kgCdCl2

組處理24h中細(xì)胞局部病灶壞死明顯,肝小梁排列受到破壞,細(xì)胞核皺縮加劇,有少量出血現(xiàn)象。肝組織

進(jìn)行染鎘處理后均出現(xiàn)明顯的病理變化,如細(xì)胞邊界模糊,肝細(xì)胞中出現(xiàn)空泡,炎癥和凋亡增多。說明鎘

染毒處理對肝細(xì)胞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞作用。

20 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

圖1 CdCl2 對雛雞肝臟組織結(jié)構(gòu)的影響

Fig.1 EffectsofCdCl2onthehistologicalstructureofchickenliver

注:A為空白對照組;B為35mg/kgCdCl2 處理24h;C為70mg/kgCdCl2 處理24h;D為140mg/kgCdCl2 處理24h?！啊敝甘?/p>

出血;“→”指示細(xì)胞壞死;“→”指示細(xì)胞核破碎。

2.3 鎘對雛雞血清中ALT/AST活性的影響

ALT和AST是存在于肝細(xì)胞內(nèi)的2種轉(zhuǎn)氨酶,正常情況下血液中濃度很低。當(dāng)肝細(xì)胞發(fā)生損傷時(shí),細(xì)

胞通透性發(fā)生改變,ALT和AST釋放到血液中[9]。本試驗(yàn)中,雛雞染鎘24h后,采用賴氏比色法檢測鎘損

傷雛雞肝臟血清中ALT與AST的活性,結(jié)果如圖2所示。與空白對照組對比,35mg/kg與70mg/kgCdCl2

處理組雛雞血清 ALT與 AST的活性均顯著上升(P<0.01),表明CdCl2 可造成雛雞肝臟損傷。

圖2 CdCl2 對雛雞血清轉(zhuǎn)氨酶活性的影響

Fig.2 EffectsofCdCl2onserumtransaminaseactivityinchickenserum

注:**表示與空白對照比較差異極顯著,P<0.01。下同。

2.4 鎘對雛雞肝臟氧化應(yīng)激的影響

SOD是肝臟內(nèi)重要的抗氧化酶,MDA是膜脂質(zhì)過氧化中重要的產(chǎn)物。當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)鎘中毒時(shí),組織器

官內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)遭到破壞,其中脂質(zhì)過氧化物的代謝減慢,過氧化作用增強(qiáng),造成肝臟的氧化損傷[10]。

采用比色法,檢測鎘致雛雞肝臟氧化應(yīng)激損傷情況,結(jié)果如圖3所示,同空白對照組相比,35、70mg/kg

CdCl2 處理組GSH 含量和SOD活性均顯著下降(P<0.01),MDA含量顯著提高(P<0.01),說明CdCl2

造成雛雞肝臟氧化應(yīng)激損傷。

圖3 CdCl2 對雛雞肝臟氧化應(yīng)激損傷作用

Fig.3 EffectsofCdCl2onoxidativestressinjuryinchickenliver

第38卷第1期 顧成霞,等:鎘誘導(dǎo)雛雞肝臟的損傷作用 21

2.5 鎘對雛雞炎癥反應(yīng)的影響

IL-1β、IL-6和TNF-α能夠誘導(dǎo)局部發(fā)生炎癥反應(yīng),并調(diào)節(jié)免疫功能[11],促炎遞質(zhì)會(huì)刺激巨噬細(xì)胞釋

放大量的IL-1β、IL-6和TNF-α等細(xì)胞因子[12]。同時(shí),肝臟是產(chǎn)生和清除細(xì)胞因子的主要場所,肝臟產(chǎn)生

炎癥可影響細(xì)胞因子代謝,對細(xì)胞因子清除作用顯著降低,造成局部聚集。通過ELISA測定血清IL-1β、

IL-6與TNF-α的含量,結(jié)果如圖4所示。同空白對照組相比,35mg/kg與70mg/kgCdCl2 處理組血清

的IL-1β、IL-6與TNF-α均極顯著上升(P<0.01),表明鎘染毒處理可以造成肝組織發(fā)生炎癥反應(yīng),導(dǎo)致

肝臟出現(xiàn)損傷。

圖4 CdCl2 對雛雞血清中IL-1β、IL-6與TNF-α質(zhì)量濃度的影響

Fig.4 EffectsofCdCl2onthecontentsofIL-1β,IL-6andTNF-αinchickenserum

3 結(jié)論與討論

鎘的主要毒性靶器官之一為肝臟,可以引起肝臟產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷甚至導(dǎo)致肝細(xì)胞壞死。AST 和

ALT是檢測肝功能損傷的重要指標(biāo)[13]。ALT參與機(jī)體蛋白質(zhì)代謝,可加速氨基酸的轉(zhuǎn)移。AST可促進(jìn)

蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)氨基作用[14]。由于鎘造成的肝臟損傷,導(dǎo)致肝細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[15],產(chǎn)生一系列的損傷表

現(xiàn),肝細(xì)胞膜通透性增加,ALT和 AST被釋放入血液,引起血清中轉(zhuǎn)氨酶的含量升高。本試驗(yàn)中,將雛雞

肝臟染鎘24h后進(jìn)行采樣處理檢測,因高劑量CdCl2 組毒性劑量過大,造成多數(shù)動(dòng)物死亡,故此試驗(yàn)主要

檢測空白對照組、35mg/kgCdCl2 組、70mg/kgCdCl2 組相關(guān)數(shù)據(jù)。觀察可得35mg/kgCdCl2 組、

70mg/kgCdCl2 組相較于空白對照組中血清 AST/ALT的活性顯著升高(P<0.01),說明肝損傷模型建

造成功[16]。對肝組織進(jìn)行 H&E染色鏡下觀察到35mg/kgCdCl2 組、70mg/kgCdCl2 組、140mg/kg

CdCl2 組開始出現(xiàn)明顯的病理變化,細(xì)胞邊界模糊,肝細(xì)胞中出現(xiàn)空泡,炎性細(xì)胞和凋亡細(xì)胞增多。說明

急性鎘中毒引起雛雞肝細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)受到損傷。

研究表明,急性鎘中毒時(shí),機(jī)體組織器官內(nèi)抗氧化系統(tǒng)遭到破壞[17],對體內(nèi)脂質(zhì)過氧化物的清除能力

降低,導(dǎo)致細(xì)胞膜脂質(zhì)的過氧化作用增強(qiáng),進(jìn)而造成肝臟的氧化損傷[18]。SOD作為體內(nèi)重要的抗氧化

酶,能夠特異地清除體內(nèi)有毒自由基等物質(zhì),緩解自由基對機(jī)體的嚴(yán)重?fù)p害[19],本試驗(yàn)中35mg/kgCdCl2

組、70mg/kgCdCl2 組中SOD活性同空白對照組相比顯著降低(P<0.01),活力明顯受到抑制,說明染

鎘使肝細(xì)胞的抗氧化能力受到一定的抑制作用。GSH 作為重要的抗氧化劑,能夠維持機(jī)體正常的免疫作

用,并具有解毒、抗氧化的功能。GSH 在體內(nèi)可以通過拮抗氧自由基的毒性作用,清除體內(nèi)超氧陰離子及

其他自由基,防止肝細(xì)胞受損。鎘可導(dǎo)致肝細(xì)胞內(nèi) GSH 消耗增加[20],在本試驗(yàn)中,與空白對照組相比,

35mg/kg和70mg/kgCdCl2 處理組GSH 水平顯著降低(P<0.01),說明鎘導(dǎo)致了肝細(xì)胞的氧化損傷。

膜脂質(zhì)過氧化最重要的產(chǎn)物是 MDA

[21],通過 MDA含量的變化可了解膜脂質(zhì)過氧化的程度,其含量的高

低間接表達(dá)出細(xì)胞損傷的程度。本試驗(yàn)中,35mg/kg和70mg/kgCdCl2 處理組中雛雞肝臟 MDA含量

顯著高于空白對照組(P<0.01),表明急性鎘染毒促進(jìn)肝臟脂質(zhì)的過氧化,這與何亞蘭等[20]、Andjelkovic

等[22]的研究結(jié)果一致。

炎癥細(xì)胞因子參與并介導(dǎo)炎癥反應(yīng),是通過一系列化學(xué)因子的作用來實(shí)現(xiàn)的,主要直接損傷血管內(nèi)

皮,導(dǎo)致血管通透性增加,使肝臟內(nèi)的單核細(xì)胞釋放出大量IL-6、IL-1β、TNF-α等其他有關(guān)炎癥因子[23],

引起體溫升高、疼痛、白細(xì)胞滲出、血管擴(kuò)張、通透性增加、過敏反應(yīng)等主要炎癥反應(yīng),嚴(yán)重的可導(dǎo)致多組織

器官急性衰竭或死亡等。肝臟作為清除和產(chǎn)生細(xì)胞因子的主要場所,炎癥反應(yīng)會(huì)影響相關(guān)炎癥因子的代

謝作用,對細(xì)胞因子的清除作用減弱,而使血清中的細(xì)胞因子增多。本試驗(yàn)結(jié)果表明,35mg/kgCdCl2 組

22 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

和70mg/kgCdCl2 組雛雞血清中IL-1β、TNF-α和IL-6均呈現(xiàn)顯著增加(P<0.01),說明鎘進(jìn)入體內(nèi)到達(dá)肝

臟造成機(jī)體產(chǎn)生損傷,引起組織中的單核巨噬細(xì)胞產(chǎn)生大量的細(xì)胞因子,細(xì)胞因子在肝臟內(nèi)進(jìn)行細(xì)胞免疫調(diào)

節(jié)反應(yīng),誘導(dǎo)急性期反應(yīng)蛋白產(chǎn)生,從而引起肝臟組織發(fā)生炎性反應(yīng)[24],同時(shí)伴隨臨床癥狀的出現(xiàn)。

綜上,肝臟作為急性鎘中毒重要的靶器官之一,進(jìn)入機(jī)體內(nèi)可以使肝臟的抗氧化系統(tǒng)遭到破壞,體內(nèi)

脂質(zhì)代謝增加,進(jìn)而造成肝臟的氧化損傷。本試驗(yàn)對于重金屬鎘暴露的機(jī)制研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持,為更

好地預(yù)防家禽肝臟鎘中毒提供了參考。

參考文獻(xiàn):

[1] 馬麟莉,李樹旺,程亞萍.食品中重金屬污染物的危害[J].食品安全導(dǎo)刊,2022(3):181-183.

[2] KARI,PATRAAK.Tissuebioaccumulationandtoxicopathologicaleffectsofcadmiumanditsdietaryamelioration

inpoultry:Areview[J].BiolTraceElemRes,2021,199(10):3846-3868.

[3] 馬順圣,馬天洪,劉宗平,等.鎘對體外培養(yǎng)雞軟骨細(xì)胞分化及凋亡的影響[J].中國家禽,2022,44(2):43-49.

[4] 汪紀(jì)倉,朱華麗,林霖,等.鎘致大鼠血液、肝臟、腎臟和睪丸的毒性損傷[J].毒理學(xué)雜志,2017,31(1):10-13.

[5] 黃茹雪,葉穎,王珂,等.氧化應(yīng)激和Cyt-C/Caspase-9/Caspase-3信號(hào)途徑在鎘致大鼠腎臟損傷中的作用[J].中國獸

醫(yī)科學(xué),2022,52(5):661-670.

[6] 徐艷麗,馮幼書,葛夢娜,等.吡咯喹啉醌對急性染鎘小鼠肝功能和脂質(zhì)過氧化的影響[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2022,

28(9):23-25.

[7] 劉暢,李磊,王艷,等.鎘誘導(dǎo)肝損傷的研究進(jìn)展[J].北方牧業(yè),2021(16):20-22.

[8] 汪雪睿,黃保嘉,李想,等.茶多酚對急性鎘(Ⅱ)暴露小鼠紅細(xì)胞及肝臟損傷的拮抗作用[J].中國食品學(xué)報(bào),2020,

20(4):66-72.

[9] 郭玲,李惠珍,魏亞君.阿魏酸對大鼠肝纖維化過程中肝細(xì)胞的保護(hù)作用及其可能機(jī)制[J].臨床和實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志,

2019,18(4):357-361.

[10] 潘廣濤,劉宇寒,周方園,等.大黃素通過減輕氧化應(yīng)激和肝細(xì)胞凋亡對脂多糖誘導(dǎo)急性肝損傷的保護(hù)機(jī)制研究[J].

世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化,2021,23(7):2294-2301.

[11] 丁艷平,張培怡,董曉慶,等.NLRP3炎性小體在輻射誘導(dǎo)肝損傷中的作用[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),

2022,58(3):85-90.

[12] 董曉輝,王貝,王晨瑩,等.牛蒡子苷元對脂多糖誘導(dǎo)小鼠肝損傷的保護(hù)作用機(jī)制研究[J].中國臨床藥理學(xué)雜志,

2020,36(13):1815-1817,1829.

[13] ZHOUXM,FENGYJ,GONGZL.Associationsbetweenlead,cadmium,mercury,andarsenicexposureandalanineaminotransferaseelevationinthegeneraladultpopulation:anexposure-responseanalysis[J].EnvironSciPollut

ResInt,2022,29(35):53633-53641.

[14] 杜斌,蔡維維,陳俊良,等.25%四氯化碳誘導(dǎo)小鼠急性肝損傷模型血清 AST、ALT水平變化[J].現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生,

2018,34(8):1121-1122,1127.

[15] ALMEERRS,ALARIFIS,ALKAHTANIS,etal.Thepotentialhepatoprotectiveeffectofroyaljellyagainstcadmiumchloride-inducedhepatotoxicityinmiceismediatedbysuppressionofoxidativestressandupregulationofNrf2

expression[J].BiomedPharmacother,2018,106:1490-1498.

[16] -DUKI'C-'COSI'CD,BARALI'CK,JAVORACD,etal.Anoverviewofmolecularmechanismsincadmiumtoxicity

[J].CurrOpinToxicol,2020,19:56-62.

[17] 安方玉,顏春魯,劉永琦,等.黃芪多糖減輕慢性鎘暴露誘導(dǎo)的大鼠肝臟損傷[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床,2018,38(2):189-193.

[18] YOUNUSH.Therapeuticpotentialsofsuperoxidedismutase[J].IntJHealthSci,2018,12(3):88-93.

[19] 陳琦,張可鑫,崔明勛,等.月見草莖提取物的抗氧化活性研究[J].延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2018,40(3):39-43.

[20] 何亞蘭,朱耀輝,陳超,等.穿心蓮內(nèi)酯對鎘致小鼠急性肝損傷的改善作用[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2019,33(3):5-9.

[21] 馬欣雨,段婷婷,徐敬婭,等.萊菔硫烷對肝損傷的保護(hù)作用及相關(guān)機(jī)制研究進(jìn)展[J].臨床肝膽病雜志,2022,38(1):

206-209.

[22] ANDJELKOVICM,BUHADJORDJEVICA,ANTONIJEVICE,etal.Toxiceffectofacutecadmiumandleadexposureinratblood,liver,andkidney[J].IntJEnvironResPublicHealth,2019,16(2):274.

[23] 焦紅軍,張明亮,李偉霞,等.IL-4、IL-6、IL-10、TNF-α基因多態(tài)性與藥物性肝損傷相關(guān)性的 Meta分析[J].中國醫(yī)院

藥學(xué)雜志,2020,40(13):1462-1466,1470.

[24] MAL,MAY,MABX,etal.RosiglitazoneamelioratesacutehepaticinjuryviaactivatingtheNrf2signalingpathwayandinhibitingactivationoftheNLRP3inflammasome[J].ExpTherMed,2022,23(4):300.

(責(zé)任編輯:顧文亮)

第38卷第1期 顧成霞,等:鎘誘導(dǎo)雛雞肝臟的損傷作用 23

安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2024,38(1):24-31

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-04-17

基金項(xiàng)目:礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(KLM201801)。

作者簡介:郭輝(1979-),男,湖南常德人,博士,副教授,主要從事高光譜弱信息反演研究,E-mail:150869850@qq.com。

基于植被指數(shù)與連續(xù)小波變換的

玉米葉片Cu2+ 含量反演

郭 輝1,2,3, 戴志林2,3, 石 海2,3

(1.礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454003;

2.礦山空間信息技術(shù)河南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454003;

3.安徽理工大學(xué) 空間信息與測繪工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

摘 要:目的:確定Cu2+ 污染脅迫下玉米葉片Cu2+ 含量最優(yōu)反演模型。方法:以室內(nèi)盆栽玉米為研究對

象,在采集不同脅迫梯度下玉米葉片光譜以及同期葉片Cu2+ 含量的基礎(chǔ)上,通過遍歷計(jì)算出兩波段原始

光譜植被指數(shù),并將其與葉片 Cu2+ 含量進(jìn)行相關(guān)性分析;利用0.1~0.9階、1.1~1.9階與1~4階共

22種光譜微分預(yù)處理重采樣后的光譜數(shù)據(jù),經(jīng)連續(xù)小波變換后分析小波系數(shù)與葉片Cu2+ 含量之間的相

關(guān)性;根據(jù)相關(guān)性分析提取最優(yōu)植被指數(shù)與最優(yōu)小波系數(shù),建立反演模型。結(jié)果:植被指數(shù)與葉片Cu2+ 含

量顯著相關(guān),最優(yōu)波段組合分別為:DI(621.5nm,1889.2nm)、RI(482.2nm,1418.5nm)、NDVI(666.3nm,

1917.2nm)、RNDVI(621.5nm,1889.2nm),其光譜特征均集中在可見光與近紅外波段附近;小波系數(shù)

也與葉片Cu2+ 含量之間具有良好的相關(guān)性,其敏感波段位于400、600、900、1200、2400nm 附近,與最優(yōu)

植被指數(shù)敏感波段一致。經(jīng)0.9階光譜微分預(yù)處理后得到的小波系數(shù)與葉片Cu2+ 含量相關(guān)系數(shù)最大,為

0.88;通過相關(guān)性分析提取最優(yōu)植被指數(shù)和最優(yōu)小波系數(shù),以植被指數(shù)與不同階微分變換的連續(xù)小波變換

提取的小波系數(shù)為自變量,建立線性反演模型,其中利用最優(yōu)植被指數(shù)建立的反演模型精度最高,模型最

穩(wěn)定,RMSE為4.97μg/g。結(jié)論:植被指數(shù)和連續(xù)小波變換兩種方法在農(nóng)作物重金屬污染監(jiān)測方面具有

重要的參考價(jià)值,應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞:高光譜遙感;銅污染脅迫;植被指數(shù);連續(xù)小波變換;反演模型

中圖分類號(hào):X87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8772(2024)01-0024-08

開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID): DOI:10.19608/j.cnki.1673-8772.2024.0005

InversionofCu2+contentincornleavesbasedonvegetation

indexandcontinuouswavelettransform

GUO Hui1,2,3, DAIZhilin2,3, SHIHai2,3

(1.KeyLaboratoryofMineSpatialInformationTechnology,StateAdministrationofSurveying,

MappingandGeographicInformation,Jiaozuo454003,China;

2.HenanProvincialKeyLaboratoryofMineSpatialInformationTechnology,Jiaozuo454003,China;

3.SchoolofSpatialInformationandSurveyingEngineering,

AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

Abstract:Objective:TodeterminetheoptimalinversionmodelofCu2+contentincornleavesunderCu2+

pollutionstress.Methods:Indoorpottedcorn wastakenastheresearchobject.Onthebasisof

collectingspectraofcornleavesunderdifferentstressgradientsandCu2+ contentincornleavesatthe

sameperiod,andtheoriginalspectralvegetationindexoftwobandswastraversedandthecorrelation

betweenthevegetationindexandCu2+ contentinleaveswasanalyzed.Twenty-twokindsofspectral

differentialpretreatedresamplingspectraldataoforder0.1—0.9,order1.1—1.9andorder1—4were

usedtoanalyzethecorrelationbetweenthewaveletcoefficientsandCu2+contentinleavesbycontinuous

wavelettransform.Basedoncorrelationanalysis,theoptimalvegetationindexandwaveletcoefficients

wereextractedandtheinversionmodelwasestablished.Results:Therewasasignificantcorrelation

betweenvegetationindexandCu2+ contentinleaves.Theoptimalbandcombinationswiththespectral

featuresofDI(621.5nm,1889.2nm),RI(482.2nm,1418.5nm),NDVI(666.3nm,1917.2nm),

RNDVI(621.5nm,1889.2nm)wereconcentratedinthevisibleandnearinfraredbands.Thewavelet

coefficientalsohadagoodcorrelationwithCu2+ contentinleaves,anditssensitivebandswerelocated

around400,600,900,1200,2400nm,whichwasconsistentwiththesensitivebandsofoptimal

vegetationindex.ThecorrelationcoefficientbetweentheCu2+ contentandthe waveletcoefficients

obtainedbythe0.9orderspectraldifferentiationpretreatmentwas0.88atmost.Theoptimalvegetation

indexandtheoptimalwaveletcoefficientswereextractedbycorrelationanalysis,andthewavelet

coefficientsextractedbythevegetationindexandthecontinuous waveletcoefficientsofdifferent

differentialtransformswereusedasindependentvariablestoestablishalinearinversionmodel.The

inversionmodelestablishedbyusingtheoptimalvegetationindexhadthehighestaccuracyandthemost

stablemodel,withaRMSEof4.97μg/g.Conclusion:Theresultsshowedthatvegetationindexand

continuouswavelettransformhadimportantreferencevalueinmonitoringheavymetalpollutionofcrops

andhadbroadapplicationprospects.

Keywords:Hyperspectralremotesensing;Copperpollutionstress;Vegetationindex;Continuous

wavelettransform;Inversionmodel

中國年產(chǎn)銅量位居世界前列,是銅消費(fèi)大國[1]。由此產(chǎn)生的銅污染物以氣體、液體、固體的形式釋放

到土壤中,造成土壤重金屬銅含量超過正常指標(biāo)[2]。銅是農(nóng)作物生長發(fā)育的必需微量元素,但在重金屬銅

污染脅迫下農(nóng)作物會(huì)產(chǎn)生多種應(yīng)對機(jī)制,在農(nóng)作物體內(nèi)以Cu2+ 的形式累積[3],不僅影響農(nóng)作物產(chǎn)品質(zhì)量,

而且會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體誘發(fā)疾病[4]。因此,快速、有效、準(zhǔn)確地反演農(nóng)作物體內(nèi)Cu2+ 含量具有重要

意義。

高光譜遙感技術(shù)不僅可以提供精細(xì)光譜以識(shí)別農(nóng)作物健康狀況,并且可以大面積動(dòng)態(tài)無損監(jiān)測農(nóng)作

物污染程度[5]。光譜微分技術(shù)在光譜預(yù)處理方面具有廣泛的應(yīng)用。Tian等[6]利用分?jǐn)?shù)微分顯著提高光

譜反射率與土壤含鹽量的相關(guān)性。劉來等[7]發(fā)現(xiàn)二階微分比一階微分處理的油菜葉片鎘反演模型擬合度

效果更佳。但對比整數(shù)階微分與分?jǐn)?shù)階微分的研究較少。同時(shí),植被指數(shù)通過不同波段相互組合以增強(qiáng)

光譜特征;連續(xù)小波變換可以探測光譜中隱藏的信息。在農(nóng)作物重金屬污染監(jiān)測中這兩種方法具有廣泛

的應(yīng)用。Zhang等[8]結(jié)合歸一化差異植被指數(shù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)和歸一

化差分水指數(shù)(NormalizedDifferenceWaterIndex,NDWI)構(gòu)建的相對表相指數(shù)(RelativePhenophase

Index,RPI)在水稻區(qū)域重金屬污染方面取得較好應(yīng)用。張靜靜等[9]發(fā)現(xiàn)紅邊位置(RedEdgePosition,

REP)、綠波段歸一化差異指數(shù)(GreenBandNormalizedDifferenceVegetationIndex,GNDVI)、比值植被

第38卷第1期 郭 輝,等:基于植被指數(shù)與連續(xù)小波變換的玉米葉片Cu2+ 含量反演 25

指數(shù)(RatioVegetationIndex,RVI)、Vogelmann紅邊指數(shù)(VogelmannRedEdgeIndex,VOGI)和地面葉

綠素指數(shù)(MerisTerrestrialChlorophyllIndex,MTCI)均可作為水稻葉片銅含量敏感指數(shù)。Liu等[10]通

過與小波變換耦合,發(fā)現(xiàn)可以隔離水稻Cd脅迫的影響與其他突發(fā)脅迫源。李夢潔等[11]證明經(jīng)過連續(xù)小

波變換后得到的小波系數(shù)與蘆葦葉片總汞含量的相關(guān)系數(shù)與構(gòu)建的反演模型擬合效果均有所提高。

本研究以盆栽玉米為研究對象,首先經(jīng)遍歷計(jì)算得到兩波段光譜植被指數(shù);然后采用光譜微分技術(shù)對

重采樣后的光譜進(jìn)行預(yù)處理,利用連續(xù)小波變換得到小波系數(shù);最后討論不同階光譜微分在光譜預(yù)處理中

的效果,并通過相關(guān)性分析提取最優(yōu)植被指數(shù)與最優(yōu)小波系數(shù)。以最優(yōu)植被指數(shù)與最優(yōu)小波系數(shù)為自變

量,建立單因素變量回歸模型,篩選一個(gè)高度穩(wěn)健的監(jiān)測反演模型,為受重金屬污染脅迫的農(nóng)作物反演其

葉片重金屬含量提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以‘中糯一號(hào)’玉米品種作為研究對象,優(yōu)選籽粒飽滿、大小均勻的種子進(jìn)行重金屬脅迫土培試驗(yàn)。用

CuSO4 溶液作為玉米Cu2+ 脅迫源,并以逐層噴灑、翻土混合的方式加入培育的土壤中。2016年5月將完

成催芽后的玉米種子淺埋于不透水花盆的土壤中。設(shè)置4個(gè) CuSO4 濃度梯度,分別為0、100、300、

500μg/g。每個(gè)濃度梯度設(shè)置3組平行試驗(yàn),分別標(biāo)記為 CK(0-1)、CK(0-2)、CK(0-3)、Cu(100-1)、

Cu(100-2)、Cu(100-3)、Cu(300-1)、Cu(300-2)、Cu(300-3)、Cu(500-1)、Cu(500-2)、Cu(500-3),共12盆玉

米盆栽。玉米培育期間保持每天通風(fēng)換氣,出苗后定期澆灌 NH4NO3、KH2PO4 和 KNO3 營養(yǎng)液。除了

土壤中的Cu2+ 濃度不同,所有盆栽玉米均在同一室內(nèi)條件下培育。

1.2 玉米葉片光譜采集及Cu2+ 含量測定

使用美國SVC公司生產(chǎn)的SVCHR-1024I全波段地物光譜儀,在室內(nèi)密閉的環(huán)境下采集玉米在不同

Cu2+ 脅迫下的葉片光譜數(shù)據(jù),光譜范圍為350~2500nm。以50W 鹵素?zé)魹楣庠粗糜谄脚_(tái)兩側(cè),使用4°

視場角的探頭垂直于玉米葉片表面,探頭距離葉片表面50cm。為了避免因光源強(qiáng)度分布不均勻?qū)е掳?/p>

電流噪聲影響光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量,每次測量玉米葉片光譜前,先用白板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后使用光譜儀連續(xù)

測量玉米葉片反射光譜3次,由內(nèi)置軟件自動(dòng)平均3次測量值并平滑后得到每種Cu2+ 脅迫濃度的玉米葉

片光譜。

將采集完光譜的玉米葉片洗凈后放至烘箱烘烤至質(zhì)量恒定,用剪刀剪成小塊裝入樣品袋并貼上標(biāo)簽。

預(yù)處理后,采用 WFX-120原子吸收分光光度計(jì)測定玉米葉片樣品 Cu2+ 含量,每份葉片樣品平均分成

3份,將測出的Cu2+ 含量取平均值,得到玉米葉片樣品Cu2+ 含量。

1.3 植被指數(shù)構(gòu)建

通過不同光譜波段組合運(yùn)算所構(gòu)建的植被指數(shù),可以增強(qiáng)光譜波段的某些隱藏信息。目前,植被指數(shù)

是監(jiān)測農(nóng)作物重金屬污染的常用方法[12-13]。本研究通過遍歷算法,計(jì)算在340~2500nm 波段范圍內(nèi)任

意2個(gè)波段組合的常用植被指數(shù):差值指數(shù)(DifferenceIndex,DI)、比值指數(shù)(RatioIndex,RI)、歸一化植

被指數(shù)(NormalizedVegetationIndex,NDVI)、重新歸一化差異植被指數(shù)(Re-normalizeDifferenceVegetationIndex,RNDVI)。計(jì)算公式如式(1)~(4)所示[14]:

DI(Rλ1,Rλ2)=Rλ1 -Rλ2 (1)

RI(Rλ1,Rλ2)=Rλ1/Rλ2 (2)

NDVI(Rλ1,Rλ2)=|Rλ1 -Rλ2|/(Rλ1 +Rλ2) (3)

RNDVI(Rλ1,Rλ2)=

Rλ1 -Rλ2

Rλ1 +Rλ2

(4)

其中,Rλ1、Rλ2 為任意兩波段光譜反射率。

26 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

1.4 光譜變換

光譜預(yù)處理在光譜分析中占有非常重要的地位。微分變換是一種常用的光譜預(yù)處理技術(shù),具有細(xì)化

光譜信息、放大光譜吸收特征的作用[15]。本研究將原始光譜反射率重采樣為1nm采樣間隔,使用常用的

Grunwald-Letnikov微分變換進(jìn)一步處理。計(jì)算公式如式(5)所示[16]:

dα

dλαf(λ)≈f(λ)+(-α)f(λ-1)+

(-α)(-α+1)

2

f(λ-2)+···+

G(-α+1)

n! G(-α+n+1)f(λ-n)

(5)

其中,G 為Gamma函數(shù);n為常數(shù)參數(shù);α為任意階數(shù)。

連續(xù)小波變換可以抑制光譜噪聲、提取微弱光譜信號(hào),是通過平移和縮放的母小波函數(shù)與光譜數(shù)據(jù)進(jìn)

行卷積運(yùn)算,得到不同尺度下的小波系數(shù)[17]。本研究利用Db5小波將微分處理的光譜進(jìn)行分解,選取第

5層小波系數(shù)用以提取和增強(qiáng)葉片光譜中重金屬污染弱信息[18]。通過與葉片Cu2+ 含量進(jìn)行相關(guān)性分析,

確定微分變換中最優(yōu)變換階數(shù)。連續(xù)小波變換公式如式(6)~(7)所示[19]:

WFa,b =<f,ψa,b >=∫

l2

l1

f(λ)ψa,b(λ)dλ (6)

ψa,b(λ)=

1

a

ψ

(λ-b)

a

(7)

其中,l1 和l2 分別為光譜反射率的起始和終止波段;Ψa,b(λ)為平移和縮放后的母小波函數(shù);a 為縮放因

子;b為平移因子;WFa,b 為小波系數(shù)。

1.5 模型構(gòu)建及評價(jià)方法

通過分析植被指數(shù)和小波系數(shù)與玉米葉片Cu2+ 含量的相關(guān)性,將選取的最優(yōu)植被指數(shù)和最優(yōu)小波系

數(shù)作為自變量,玉米葉片Cu2+ 含量作為因變量,構(gòu)建線性回歸模型。采用決定系數(shù)(R2)和均方根誤差

(RootMeanSquareError,RMSE)對回歸模型精度進(jìn)行評價(jià)。即R2 值越大,模型的穩(wěn)定性越好;RMSE

值越小,模型的準(zhǔn)確性越高。計(jì)算公式如式(8)~(9)[20]:

R2 =∑(yi -yi)(yj -yj)

(yi -yi)(yj -yj)

(8)

RMSE= ∑

n

i=1

(yi -yj)2/n (9)

其中,n為樣本數(shù)量;yi、yj 為實(shí)測值和預(yù)測值;yi、yj 為實(shí)測值和預(yù)測值的均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被指數(shù)與葉片Cu2+ 含量的相關(guān)性

將計(jì)算的植被指數(shù)與玉米葉片Cu2+ 含量進(jìn)行相關(guān)性分析以篩選敏感波段,結(jié)果如圖1所示。其中,

比值指數(shù)(RI)相關(guān)性最優(yōu),其次為歸一化植被指數(shù)(NDVI)與重新歸一化差異植被指數(shù)(RNDVI),差值指

數(shù)(DI)相關(guān)性較差。DI中組合較好的波段為340~760nm與1790~2050nm;RI中組合較好的波段為

340~760nm與750~1450nm;NDVI中組合較好的波段為400~1780nm與1780~2050nm;RNDVI

中組合較好的波段為340~750nm與750~2500nm。構(gòu)建的4種植被指數(shù)中,與玉米葉片Cu2+ 含量相

關(guān)性最好的波段組合分別為DI(621.5nm,1889.2nm)、RI(482.2nm,1418.5nm)、NDVI(666.3nm,

1917.2nm)、RNDVI(621.5nm,1889.2nm)均為可見光與近紅外波段的組合。RI與玉米葉片Cu2+ 含

量的相關(guān)系數(shù)為0.97,其他植被相關(guān)系數(shù)均在0.90以上。為構(gòu)建最佳反演模型選取比值指數(shù)(RI)用于

模型構(gòu)建。

2.2 光譜變換曲線

為了便于對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行微分處理,將玉米葉片原始光譜重采樣為1nm 采樣間隔。對重采樣的葉

第38卷第1期 郭 輝,等:基于植被指數(shù)與連續(xù)小波變換的玉米葉片Cu2+ 含量反演 27

片光譜作0.1~0.9階、1.1~1.9階與1~4階共22種光譜微分處理后,發(fā)現(xiàn)0.9階微分處理后的光譜與

玉米葉片Cu2+ 含量相關(guān)性最優(yōu)。隨后使用Daubechies小波系中的“Db5”小波基函數(shù)對Cu2+ 污染脅迫下

的玉米葉片光譜進(jìn)行異常信號(hào)探測[21]。結(jié)果如圖2所示,從上至下依次為玉米葉片光譜反射率、0.9階光

譜微分處理和連續(xù)小波變換。玉米葉片光譜反射率具有典型農(nóng)作物葉片光譜特征:在550nm 附近因光

合色素對綠光的強(qiáng)烈反射形成綠峰;在650nm附近因葉綠素對紅光的吸收形成紅谷;在750nm 附近因

反射率急劇上升形成農(nóng)作物葉片光譜最明顯的紅邊特征;在760~1250nm 附近受葉片細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)影

響形成一個(gè)高反射平臺(tái);在1300、1900nm附近呈現(xiàn)2個(gè)明顯的水吸收帶[22]。經(jīng)過0.9階光譜微分處理

的葉片光譜在500、700、1350、1900nm 附近有明顯的吸收特征,與植被指數(shù)中與玉米葉片Cu2+ 含量相

關(guān)性較好的波段組合一致,但仍存在較多噪音。使用連續(xù)小波變換可以平滑噪聲,進(jìn)一步突出葉片反射光

譜局部細(xì)節(jié)信息,增強(qiáng)葉片反射光譜特征[23]。與0.9階光譜微分處理相較增加400、600、900、1200、2400nm

特征波段。

圖1 植被指數(shù)與玉米葉片Cu2+ 含量的相關(guān)性

Fig.1 CorrelationbetweenvegetationindexandCu2+ contentincornleaves

2.3 敏感小波系數(shù)篩選

經(jīng)過22種光譜微分處理的光譜曲線進(jìn)行連續(xù)小波變換,將得到的小波系數(shù)與玉米葉片Cu2+ 含量進(jìn)

行相關(guān)性分析,根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小篩選最優(yōu)光譜微分的階數(shù)與最優(yōu)小波系數(shù)。如圖3所示,不同階數(shù)的

光譜微分處理得到的小波系數(shù)與玉米葉片Cu2+ 含量相關(guān)系數(shù)具有明顯的規(guī)律。敏感小波系數(shù)主要集中

在400、750、1300、1900nm附近。隨著光譜微分階數(shù)的增加敏感波段會(huì)向紅光波段偏移,出現(xiàn)“紅移”現(xiàn)

象。其中,經(jīng)0.9階光譜微分處理得到的小波系數(shù)與玉米葉片Cu2+ 含量具有最優(yōu)的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)

0.88,對應(yīng)的波段為829nm。將篩選得到的最優(yōu)小波系數(shù)用于模型構(gòu)建。

2.4 玉米葉片Cu2+ 含量反演模型的構(gòu)建

通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),最優(yōu)植被指數(shù)和最優(yōu)小波系數(shù)與葉片 Cu2+ 含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.97和

28 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

0.88。因此,可以認(rèn)為,最優(yōu)植被指數(shù)和最優(yōu)小波系數(shù)均可以用于玉米葉片Cu2+ 含量的高精度反演,且植

被指數(shù)效果更優(yōu)。選取試驗(yàn)中第1和第2組數(shù)據(jù)用于模型的構(gòu)建,將玉米葉片Cu2+ 含量作為因變量,最

優(yōu)植被指數(shù)和最優(yōu)小波系數(shù)分別進(jìn)行單因素和雙因素變量回歸建模。反演建模結(jié)果如表1所示,反演模

型中單因素植被指數(shù)模型與雙因素模型的穩(wěn)定性相當(dāng),單因素小波系數(shù)反演模型穩(wěn)定性較差,但R2 均在

0.70以上,具備較強(qiáng)的反演潛力。

圖2 葉片光譜特征

Fig.2 Bladespectralreflectance

圖3 不同階數(shù)微分后的小波系數(shù)與玉米葉片Cu2+ 含量的相關(guān)性

Fig.3 CorrelationbetweenthewaveletcoefficientsofdifferentorderdifferentiationsandCu2+ contentincornleaves

表1 玉米葉片Cu2+ 含量反演模型

Table1 InversionmodelofCu2+ contentincornleaves

自變量 反演模型 R2

V Y=859.72V-677.76 0.92

W Y=589.70W+43.70 0.73

注:V 為最優(yōu)植被指數(shù);W 為最優(yōu)小波系數(shù);Y 為葉片Cu2+ 含量。

為了驗(yàn)證構(gòu)建模型的可靠性和準(zhǔn)確度,利用試驗(yàn)所測的第3組數(shù)據(jù)對構(gòu)建的反演模型進(jìn)行驗(yàn)證。將

最優(yōu)植被指數(shù)和最優(yōu)小波系數(shù)應(yīng)用于相應(yīng)的反演模型,計(jì)算出玉米葉片Cu2+ 含量的預(yù)測值。圖4為玉米

第38卷第1期 郭 輝,等:基于植被指數(shù)與連續(xù)小波變換的玉米葉片Cu2+ 含量反演 29

葉片Cu2+ 含量的預(yù)測值與實(shí)測值的關(guān)系圖,可以看出,反演模型的預(yù)測值與實(shí)測值之間存在較強(qiáng)的線性

關(guān)系,說明植被指數(shù)與小波系數(shù)在農(nóng)作物葉片重金屬Cu2+ 含量反演方面具有較好的效果。其中,建立的

最優(yōu)植被指數(shù)單因素模型準(zhǔn)確度最高,RMSE為4.97μg/g,表明該反演模型預(yù)測的葉片Cu2+ 含量數(shù)值

最接近真實(shí)值。

圖4 玉米葉片Cu2+ 含量實(shí)測值與預(yù)測值關(guān)系

Fig.4 RelationshipbetweenmeasuredandpredictedCu2+ contentincornleaves

3 結(jié)論與討論

利用最優(yōu)植被指數(shù)和最優(yōu)小波系數(shù)構(gòu)建的單因素反演模型,模型穩(wěn)定性較強(qiáng)、精度較高,具有一定的

現(xiàn)實(shí)可行性。通過遍歷計(jì)算的植被指數(shù)可以增強(qiáng)重金屬Cu2+ 污染脅迫下玉米葉片的光譜特征;結(jié)合光譜

微分處理和連續(xù)小波變換能夠有效提取隱藏在光譜中的微弱突變信息。在農(nóng)作物重金屬污染監(jiān)測方面具

有重要的參考價(jià)值,應(yīng)用前景廣闊。本研究以玉米盆栽試驗(yàn)為例,利用采集的葉片光譜提取的植被指數(shù)與

小波系數(shù),構(gòu)建玉米葉片Cu2+ 含量反演模型。

提取的4種植被指數(shù)中與玉米葉片 Cu2+ 含量相關(guān)性最高的波段組合分別為 DI(621.5nm,

1889.2nm)、RI(482.2nm,1418.5nm)、NDVI(666.3nm,1917.2nm)、RNDVI(621.5nm,1889.2nm),光

譜特征均集中在可見光與近紅外波段附近。而小波系數(shù)與葉片 Cu2+ 含量敏感波段位于400、600、900、

1200、2400nm附近,與最優(yōu)植被指數(shù)敏感波段一致。微分變換常用于光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理中,可以充分挖

掘高光譜數(shù)據(jù)的有用信息。通過對玉米葉片光譜數(shù)據(jù)作0.1~0.9階、1.1~1.9階與1~4階共22種光

譜微分處理,對比了分?jǐn)?shù)階微分與整數(shù)階微分在提取葉片重金屬Cu2+ 含量方面的效果。結(jié)果表明,分?jǐn)?shù)

階微分更能挖掘光譜數(shù)據(jù)中的潛在信息。其中,由0.9階微分處理得到的小波系數(shù)與葉片Cu2+ 含量相關(guān)

性最優(yōu)。建立的反演模型中,利用最優(yōu)植被指數(shù)建立的單因素回歸模型反演精度最高,RMSE 為

4.97μg/g;而最優(yōu)小波系數(shù)建立的單因素回歸模型精度較低,RMSE為9.07μg/g。

參考文獻(xiàn):

[1] 李歷銓,鄭洋,李彬,等.我國再生銅產(chǎn)業(yè)污染排放識(shí)別與綠色升級對策[J].有色金屬工程,2018,8(1):133-138.

[2] 丁寒,李麗.基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)國內(nèi)外土壤鉛污染研究狀況分析[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2020,34(3):68-74.

[3] 公勤,李兆華,王玲,等.GA3對Cu脅迫下菠菜幼苗礦質(zhì)元素吸收、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的調(diào)控效應(yīng)及其耐 Cu機(jī)理研究

[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2019,28(9):1876-1885.

[4] EDELSTEIN M,BEN-HURM.Heavymetalsandmetalloids:Sources,risksandstrategiestoreducetheiraccumulationinhorticulturalcrops[J].SciHortic,2018,234:431-444.

[5] 張超,楊可明,王敏,等.銅鉛脅迫下玉米葉片弱光譜信息的 LD-CR-SIDSCAtan 探測模型[J].光譜學(xué)與光譜分析,

2019,39(7):2091-2099.

[6] TIANAH,ZHAOJS,XIONGHG,etal.Applicationoffractionaldifferentialcalculationinpretreatmentofsalinesoilhyperspectralreflectancedata[J].JSens,2018,2018:1-12.

30 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

[7] 劉來,張文君,王衛(wèi)紅,等.鎘污染油菜葉片的反射光譜響應(yīng)與鎘含量估計(jì)模型[J].中國油料作物學(xué)報(bào),2019,41(1):

46-52.

[8] ZHANGBY,LIUXN,LIUML,etal.Detectionofricephenologicalvariationsunderheavymetalstressbymeans

ofblendedlandsatandMODISimagetimeseries[J].RemoteSens,2018,11(1):13.

[9] 張靜靜,周衛(wèi)紅,鄒萌萌,等.灌漿期水稻葉片銅含量變化的高光譜遙感定量監(jiān)測研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2019,

47(23):324-330.

[10] LIU ML,SKIDMOREAK,WANGTJ,etal.Anapproachforheavymetalpollutiondetectedfromspatio-temporalstabilityofstressinriceusingsatelliteimages[J].IntJApplEarthObsGeoinf,2019,80:230-239.

[11] 李夢潔,張曼胤,崔麗娟,等.基于連續(xù)小波變換和隨機(jī)森林的蘆葦葉片汞含量反演[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2018,

26(11):1730-1738.

[12] 蘇紅軍.高光譜遙感影像降維:進(jìn)展、挑戰(zhàn)與展望[J].遙感學(xué)報(bào),2022,26(8):1504-1529.

[13] 程鳳,楊可明,崔穎,等.銅污染植被指數(shù)的玉米葉片污染程度探測模型[J].光譜學(xué)與光譜分析,2020,40(1):

209-214.

[14] 劉昕,楊光,林群,等.基于連續(xù)小波變換的蒺藜植被覆蓋度預(yù)測[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2021,23(10):107-116.

[15] 張雪茹,馮美臣,楊武德,等.基于光譜變換的低溫脅迫下冬小麥葉綠素含量估測研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2017,

25(9):1351-1359.

[16] 張文文,楊可明,夏天,等.光譜分?jǐn)?shù)階微分與玉米葉片重金屬銅含量的相關(guān)性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,

17(25):33-38.

[17] LIND,LIGZ,ZHUYD,etal.Predictingcoppercontentinchicoryleavesusinghyperspectraldatawithcontinuouswavelettransformsandpartialleastsquares[J].ComputElectronAgric,2021,187:106293.

[18] 劉聰,楊可明,夏天,等.銅脅迫下玉米葉片光譜奇異性分析及污染評估[J].中國環(huán)境科學(xué),2017,37(10):3952-3961.

[19] 艾孜提艾力·克依木,李新國.基于連續(xù)小波變換的土壤重金屬含量反演模型[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2022,45(1):

201-207.

[20] 陳小芳,李軍,李新偉,等.基于高光譜的水稻生物量估測模型研究[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2021,35(5):53-59.

[21] 王美玲,焦琳琳,王曉紅,等.曹妃甸濕地典型植被光譜特征差異性分析[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào).2019,31(6):963-969.

[22] 郭斌,白昊睿,張波,等.基于RF和連續(xù)小波變換的露天煤礦土壤鋅含量高光譜遙感反演[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2022,

38(10):138-147.

[23] 呂晶,金日,朱衛(wèi)紅,等.基于遙感技術(shù)的森林樹種精細(xì)分類研究進(jìn)展與展望[J].延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2022,44(,4):

17-23.

(責(zé)任編輯:顧文亮)

第38卷第1期 郭 輝,等:基于植被指數(shù)與連續(xù)小波變換的玉米葉片Cu2+ 含量反演 31

安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2024,38(1):32-38

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-06-08

基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2022YFD2301402);安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(2023AH051878;2023AH040280)。

作者簡介:李霞(1989-),女,山東煙臺(tái)人,碩士研究生,主要從事植物入侵機(jī)制與防治及農(nóng)田溫室氣體減排研究,E-mail:lixia_ahstu@163.com。

通信作者:王泓,副教授,E-mail:wanghong@ahstu.edu.cn。

基于 ArcGISEngine和IDL的冬小麥

生長動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

李 霞, 王 泓* , 魯立江

(安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 鳳陽 233100)

摘 要:目的:為快速便捷地掌握大范圍冬小麥播種、長勢及產(chǎn)量信息,及時(shí)為農(nóng)業(yè)管理部門的分析決策提

供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。方法:基于C#語言集成 ArcGISEngine組件和IDL函數(shù)庫,設(shè)計(jì)冬小麥識(shí)別、長勢監(jiān)測及

產(chǎn)量估算等功能模塊,研發(fā)冬小麥生長動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)果:該系統(tǒng)可較為快速地建立冬小麥空間數(shù)據(jù)

庫,便捷地提取冬小麥播種、生長和收獲等各個(gè)生育期冬小麥農(nóng)情信息,同時(shí)具有功能強(qiáng)大的時(shí)空分析和

預(yù)測決策輔助功能。結(jié)論:實(shí)現(xiàn)了包括冬小麥在內(nèi)的農(nóng)作物的動(dòng)態(tài)生長監(jiān)測,可以為管理者提供數(shù)據(jù)及強(qiáng)

有力的決策支持。

關(guān)鍵詞:冬小麥;動(dòng)態(tài)監(jiān)測;ArcGISEngine;IDL;農(nóng)作物;產(chǎn)量估算;長勢

中圖分類號(hào):S852.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8772(2024)01-0032-07

開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID): DOI:10.19608/j.cnki.1673-8772.2024.0006

Developmentofawinterwheatmonitoringsystem

bycombiningIDLandArcGISEngine

LIXia, WANGHong

* , LULijiang

(CollegeofResourceandEnvironment,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,China)

Abstract:Objective:Inordertoquicklyandconvenientlyobtainthelarge-scaleinformationofwinter

wheatdistribution,growth,andyield,andthencanprovidebasicdataforagriculturaldepartment

analysisanddecision-making.Methods:A monitoringsystem for winter wheatwasdevelopedby

combiningtheArcGISEnginecomponentsandIDLfunctionlibrary.Someusefulmodules,e.g.,wheat

recognition,growth monitoring,andyieldestimation,weredesignedandachievedinthissystem.

Results:Thesystem couldquicklyestablisha wheatspatialdatabase,convenientlyextractwheat

informationineachgrowthperiod,e.g.,wheatsowing,growthandharvest.Besides,thissystemhad

a good performance in temporal-spatial analysis,prediction and decision-making. Conclusion:

Establishingdynamicgrowth monitoringforcrops,e.g.,wheatandrice,wascrucialforthe

agriculturaldepartmenttotimelyacquaintancetheagriculturalsituation,anditwasalsoapowerfultool

fortheagriculturalmanagementdepartmentindecision-making.

Keywords:Winterwheat;Dynamicmonitoring;ArcGISEngine;IDL;Crops;Yieldestimate;Growth

小麥?zhǔn)侵袊饕Z食作物之一,其播種面積約占糧食作物播種總面積的五分之一,其中冬小麥產(chǎn)量約

占小麥總產(chǎn)量的80%,在中國北方地區(qū),小麥生產(chǎn)占有更重要的地位,其播種面積占總播種面積的二分之

一,因此小麥在中國糧食生產(chǎn)中有著重要的地位。隨著中國糧食生產(chǎn)的市場化,農(nóng)作物的種植面積呈現(xiàn)年

際變化大的特點(diǎn),及時(shí)、準(zhǔn)確獲取小麥種植面積、空間分布、長勢及產(chǎn)量估算信息,可為政府有關(guān)部門合理、

快速地制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施、糧食估產(chǎn)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),已經(jīng)成為政府及各級管理部門的迫切需求。在

全球經(jīng)濟(jì)化時(shí)代,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息不僅關(guān)系到中國農(nóng)業(yè)耕地資源的合理利用、農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略調(diào)整及農(nóng)

民生產(chǎn)收入的提高,還關(guān)系到糧食生產(chǎn)安全和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展問題。

傳統(tǒng)的抽樣調(diào)查、逐級統(tǒng)計(jì)上報(bào)的工作方法時(shí)效性較差、經(jīng)濟(jì)成本較高且獲取的結(jié)果存在較大不確定

性。遙感技術(shù)是近些年發(fā)展起來的新技術(shù),可以在較短時(shí)間內(nèi)獲取較大區(qū)域內(nèi)的地物信息,快速且較為準(zhǔn)

確地獲取小麥種植各生育期數(shù)據(jù)。隨著遙感數(shù)據(jù)種類和數(shù)量的豐富,它已經(jīng)成為提取各種作物種植面積

及長勢信息的有效手段之一。但是,當(dāng)前在利用多源遙感數(shù)據(jù)對小麥進(jìn)行綜合監(jiān)測和管理的工作仍存在

不足[1-4]:遙感數(shù)據(jù)量較大,依靠人工手段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理效率較低;由于操作人員理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不

同,基于多人協(xié)作方式的遙感數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不能得到有效執(zhí)行,最終得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果在質(zhì)量上

存在差異;遙感數(shù)據(jù)處理流程專業(yè)性要求高,非遙感專業(yè)人員進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)處理和實(shí)際應(yīng)用存在困難,缺

乏簡單、便捷且自動(dòng)化程度高的方式。

本研究基于 ArcGISEngine組件和IDL函數(shù)庫,設(shè)計(jì)并開發(fā)了自動(dòng)化程度較高、操作較為簡捷的冬

小麥監(jiān)測綜合管理系統(tǒng),開發(fā)了冬小麥作物識(shí)別、種植面積提取、作物長勢信息反演、作物產(chǎn)量估算等模型

和算法,實(shí)現(xiàn)了冬小麥管理的若干模塊,并在蚌埠地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證和分析?？傮w而言,本系統(tǒng)可以有

效提高冬小麥種植各環(huán)節(jié)的數(shù)字化管理,并為管理人員提供數(shù)據(jù)和決策支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 ArcGISEngine和IDL集成開發(fā)

InteractiveDataLanguage(IDL)是ENVI軟件平臺(tái)下的交互式開發(fā)語言,該語言擁有豐富的、面向矩

陣預(yù)算的數(shù)據(jù)分析工具,在圖像處理與分析方面具有天然的優(yōu)勢,已廣泛應(yīng)用于地理學(xué)、醫(yī)學(xué)、信號(hào)學(xué)等諸

多領(lǐng)域。IDL語言具有較好的耦合性,對外提供內(nèi)置函數(shù)及功能的COM 開發(fā)組件,可快速實(shí)現(xiàn)與其他語

言和組件的集成開發(fā)[5-6]。

ArcGISEngine是 ArcInfo軟件平臺(tái)提供的 GIS組件庫,基于此組件庫開發(fā)的 GIS軟件可完全脫離

ArcGISDesktop獨(dú)立運(yùn)行在其他環(huán)境下。ArcGISEngine組件包含若干組件和功能類庫,可實(shí)現(xiàn)對各種

空間數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯示和分析[7-8]。

本系統(tǒng)基于IDLCOM 組件和ArcGISEngineCOM 組件進(jìn)行集成開發(fā),該方法可明顯減少系統(tǒng)開發(fā)

的工作量和周期,為RS和GIS的集成開發(fā)提供了最優(yōu)的解決方案(圖1)。系統(tǒng)整體上由主程序和控件組

成,利用C#.NET構(gòu)建程序的基本界面,通過標(biāo)準(zhǔn)的COM 接口耦合 ArcGISEngine和IDL控件[9-10]。

其中 ArcGISEngine負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)入庫、顯示、存儲(chǔ)及分析等,IDL負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的處理和柵格運(yùn)

算[11],所有開發(fā)工作在 VisualStudio2012開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。

1.2 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)采用3層架構(gòu),即應(yīng)用層、邏輯業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層。其中,數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)

的輸入輸出處理;邏輯業(yè)務(wù)層主要負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)的邏輯處理,如冬小麥空間分布識(shí)別、作物長勢反演、冬小

麥產(chǎn)量估算、數(shù)據(jù)裁剪、拓?fù)錂z查、統(tǒng)計(jì)輸出等業(yè)務(wù);應(yīng)用層針對具體功能和流程設(shè)計(jì)與用戶的交互界面。

總體上的框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

第38卷第1期 王 泓,等:基于 ArcGISEngine和IDL的冬小麥生長動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 33

圖1 ArcGISEngine和IDL集成開發(fā)

Fig.1 IntegrateddevelopmentofArcGISEngineandIDL

圖2 系統(tǒng)基本框架

Fig.2 Theframeworkofthesystem

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

針對冬小麥在不同生育期的特點(diǎn)和主要關(guān)注的問題,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了7個(gè)核心功能模塊。

數(shù)據(jù)入庫:主要功能是導(dǎo)入各類遙感影像數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及樣點(diǎn)數(shù)據(jù),并將其按照行政區(qū)劃裁剪、存儲(chǔ)

到空間數(shù)據(jù)庫中,同時(shí)將屬性數(shù)據(jù)存入到屬性數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)可用性分析:根據(jù)用戶選擇的研究區(qū)域及數(shù)

據(jù)質(zhì)量要求,在數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)是否覆蓋研究區(qū)域、數(shù)據(jù)質(zhì)量是否達(dá)到要求(如云量占比)及樣點(diǎn)數(shù)據(jù)是

否已錄入等,并給出分析結(jié)果和文字報(bào)告。識(shí)別及面積統(tǒng)計(jì):在數(shù)據(jù)可用性已完成的情況下,根據(jù)研究區(qū)

域內(nèi)冬小麥各生育期的波譜特征,對數(shù)據(jù)庫中的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行波段計(jì)算,提取用戶指定區(qū)域內(nèi)的冬小麥圖

斑,利用野外實(shí)地采樣數(shù)據(jù)對識(shí)別結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證和分析,并自動(dòng)生成分析結(jié)果和文字報(bào)告。長勢信息

提取:在數(shù)據(jù)可用的條件下,提取研究時(shí)段內(nèi)冬小麥的 NDVI指數(shù),與近5年提取的 NDVI指數(shù)和長勢參

數(shù)相對比,最終得到用戶指定區(qū)域內(nèi)的冬小麥長勢信息,并自動(dòng)生成分析結(jié)果和文字報(bào)告。產(chǎn)量估算:在

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可用的條件下,通過提取的GDVI值和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)冬小麥的產(chǎn)量,利用研究區(qū)域

冬小麥產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對估算結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證和分析,并自動(dòng)生成分析結(jié)果和文字報(bào)告。統(tǒng)計(jì)分析:結(jié)合

冬小麥種植面積、長勢信息及冬小麥產(chǎn)量估算結(jié)果,給出統(tǒng)計(jì)結(jié)果和分析決策建議。成果輸出:將分析結(jié)

果輸出為圖或表,并打印為紙質(zhì)材料。系統(tǒng)總體功能模塊流程如圖3所示。

圖3 主要功能模塊流程圖

Fig.3 Mainmodulesinthesystemandtheoverallflowchart

34 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)主要包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫,空間數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)具有空間信息的矢量和遙感數(shù)

據(jù),屬性數(shù)據(jù)庫主要包含遙感影像元數(shù)據(jù)(表1)、統(tǒng)計(jì)信息(表2)和物候信息(表3)等。

遙感影像元數(shù)據(jù)主要描述數(shù)據(jù)庫中遙感數(shù)據(jù)的基本信息,為數(shù)據(jù)可用性分析模塊提供基本信息,提取

研究區(qū)域內(nèi)遙感影像數(shù)據(jù)覆蓋度、質(zhì)量等信息,判斷數(shù)據(jù)是否滿足下一步操作要求。

表1 遙感影像元數(shù)據(jù)

Table1 Themetadataofremotesensingdataset

字段名稱 字段代碼 字段類型 字段長度

影像編號(hào) ImgID String 100

分辨率 Resolution Double 50

最大X坐標(biāo) Xmax Double 50

最小X坐標(biāo) Xmin Double 50

最大 Y坐標(biāo) Ymax Double 50

最小 Y坐標(biāo) Ymin Double 50

影像質(zhì)量 Quality Double 10

過境時(shí)間 Time Date -

年度冬小麥統(tǒng)計(jì)信息主要為近5年冬小麥的年鑒數(shù)據(jù),包括冬小麥播種面積、長勢及產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)等信

息,這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要用于構(gòu)建冬小麥長勢及產(chǎn)量估算模型。

表2 年度冬小麥統(tǒng)計(jì)信息

Table1 Theannualstatisticsofwinterwheat

字段名稱 字段代碼 字段類型 字段長度

時(shí)間 Year Int 4

行政區(qū)劃 Location String 50

區(qū)劃代碼 Lnum Long 6

面積 Area Double 50

長勢 Gmom Double 50

長勢描述 GmomDes String 10

產(chǎn)量 Yield Double 50

物候信息主要用于存儲(chǔ)研究區(qū)域冬小麥各生育期的起始時(shí)間,該數(shù)據(jù)主要用于冬小麥播種面積及分

布提取分析。由于不同區(qū)域冬小麥各生育期的時(shí)段存在明顯差異,在進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐奈锖蛐畔?/p>

相應(yīng)調(diào)整冬小麥返青期、成熟期等對應(yīng)的時(shí)段。

表3 物候信息表

Table3 Thephenologicalinformation

字段名稱 字段代碼 字段類型 字段長度

行政區(qū)劃 Location String 50

區(qū)劃代碼 Lnum Long 6

播種期開始時(shí)間 SowSTime Date 8

播種期結(jié)束時(shí)間 SowETime Date 8

返青期開始時(shí)間 RegSTime Date 8

返青期結(jié)束時(shí)間 RegETime Date 8

灌漿期開始時(shí)間 GroutSTime Date 8

灌漿期結(jié)束時(shí)間 GroutETime Date 8

收獲期開始時(shí)間 HarvSTime Date 8

收獲期結(jié)束時(shí)間 HarvETime Date 8

2 系統(tǒng)核心算法

歸一化植被指數(shù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)是衡量地表覆蓋情況及植被生長

情況的重要指標(biāo),已經(jīng)被廣泛用于地表植被分類、環(huán)境監(jiān)測及農(nóng)作物識(shí)別等領(lǐng)域。在本系統(tǒng)中,冬小麥作

物識(shí)別、長勢信息提取及產(chǎn)量估算等核心模塊都用到了該指數(shù),其計(jì)算方法如式(1):

第38卷第1期 王 泓,等:基于 ArcGISEngine和IDL的冬小麥生長動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 35

NDVI=

ρNIR -ρRED

ρNIR +ρRED

(1)

其中,ρNIR 和ρRED 分別表示近紅外波段和紅光波段的反射率。

2.1 冬小麥識(shí)別算法

小麥不同生育期內(nèi) NDVI會(huì)不斷變化,因此 NDVI可很好地反應(yīng)植被的覆蓋區(qū)域、生長狀況及物候

信息。本系統(tǒng)采用 MODIS時(shí)序數(shù)據(jù),通過提取冬小麥在出苗、分蘗、返青、成熟等生育期的 NDVI,獲取

冬小麥種植面積、分布區(qū)域及生長狀況等信息。通過對 MODIS-NDVI時(shí)間序列曲線的特征分析,對地表

覆蓋類型及植被生長情況進(jìn)行監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)[12]。

由于受前期數(shù)據(jù)處理過程的影響,NDVI中包含一定的噪音,造成 MODIS-NDVI時(shí)間序列曲線出現(xiàn)

異常波動(dòng),影響冬小麥物候信息的提取[13-14]。本系統(tǒng)在利用 NDVI提取冬小麥相關(guān)信息時(shí),采用

Savitzky-Golay濾波方法對冬小麥時(shí)間序列曲線進(jìn)行了預(yù)處理,濾波后的時(shí)間序列曲線不僅去除了噪聲

的干擾,而且保留著曲線原有的基本形狀,使得曲線的形狀特征更加突出。

2.2 冬小麥長勢信息提取算法

基于上述模型提取冬小麥種植面積及空間分布后,可進(jìn)行冬小麥長勢監(jiān)測分析。本系統(tǒng)利用 NDVI

年際差值模型提取冬小麥長勢信息[15-16]。具體而言,主要包括以下幾個(gè)步驟:首先,在冬小麥不同生育

期,求取近5年同一時(shí)段 NDVI均值;然后利用年際差值模型,用當(dāng)前年度同一時(shí)段的 NDVI值減去前

5年 NDVI均值。計(jì)算方法如式(2):

G=NDVInow -NDVI5mean (2)

其中,NDVInow 為當(dāng)前年度不同生育期提取的 NDVI值,NDVI5mean 為前5年求取的同一生育期內(nèi)冬小麥

NDVI均值。獲取所有生育期G值后,對求取結(jié)果進(jìn)行重新分類,將較前5年冬小麥長勢分為“好于”“持

平”“差于”等3個(gè)等級,最終實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前冬小麥長勢的評價(jià)。

2.3 冬小麥產(chǎn)量估算算法

葉綠素含量及變化是衡量冬小麥光合作用強(qiáng)度的重要標(biāo)志,準(zhǔn)確提取葉綠素含量及變化信息是冬小

麥遙感估產(chǎn)的關(guān)鍵。在光譜特征分析中,葉綠素a、葉綠素b在近紅外和綠光波段反射率有2個(gè)突出的峰

值,本系統(tǒng)基于上述2個(gè)波段構(gòu)建了冬小麥產(chǎn)量估算模型[17-18]。具體而言,首先求取 GDVI值,具體計(jì)算

方法如式(3):

GDVI=

RNR -RG

RNR +RG

(3)

其中,RNR 為近紅外波段;RG 為綠光波段。然后利用張智韜等[19]獲取的GDVI與小麥產(chǎn)量之間的線性關(guān)

系,以小麥產(chǎn)量作為因變量,最終得到冬小麥產(chǎn)量,二者之間的關(guān)系如式(4):

y=1494.5x-385.66 (4)

其中,x 為求取的GDVI值;y 為單位面積冬小麥產(chǎn)量(kg/hm2)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

主要包括交互界面的設(shè)計(jì)和功能模塊的開發(fā),為了實(shí)現(xiàn)了更好的用戶交互體驗(yàn),本系統(tǒng)采用第三方組

件DotNetBar對系統(tǒng)界面進(jìn)行了統(tǒng)一和美化,系統(tǒng)統(tǒng)一采用 Office2007界面風(fēng)格。

系統(tǒng)主要包括任務(wù)管理、數(shù)據(jù)處理、小麥管理、成果輸出和系統(tǒng)維護(hù)等五組功能菜單。其中任務(wù)管理

主要實(shí)現(xiàn)對不同分析任務(wù)的綜合管理,如加載、修改、刪除分析任務(wù)等;數(shù)據(jù)處理主要實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)入庫、

數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等功能,通過該功能最終構(gòu)建影像、樣本和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫;小麥管理是本系統(tǒng)的核心功能,實(shí)現(xiàn)

了對小麥空間分布、長勢及產(chǎn)量的分析,在進(jìn)行各項(xiàng)分析之前首先需要設(shè)置研究區(qū)域內(nèi)物候、樣本等數(shù)據(jù)

路徑(圖4);成果輸出主要實(shí)現(xiàn)各種輸出功能,將過程數(shù)據(jù)或分析結(jié)果以圖片和表格的形式導(dǎo)出;系統(tǒng)維

護(hù)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)運(yùn)行環(huán)境的配置,如系統(tǒng)風(fēng)格、閾值等參數(shù)設(shè)置。

36 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

圖4 物候參數(shù)配置

Fig.4 Configurationofthephenologicalinformation

3.2 案例應(yīng)用

本研究以蚌埠市為研究區(qū)域,利用該系統(tǒng)對冬小麥種植面積提取、長勢評估及產(chǎn)量估測進(jìn)行了應(yīng)用研

究。由于不同地區(qū)冬小麥各生長周期階段存在明顯差異,因此在進(jìn)行實(shí)際分析前首先需明確研究區(qū)域內(nèi)

冬小麥的具體物候信息[20-22]。野外實(shí)地調(diào)研分析表明,蚌埠市一般在每年10上中旬開始播種冬小麥,

11月上旬出苗,從第2年2月進(jìn)入返青期并開始快速生長,5月達(dá)到完全成熟。在不同生育期內(nèi),冬小麥

光譜特征呈現(xiàn)出不同的特征,本研究采集了不同生育期內(nèi)冬小麥的光譜數(shù)據(jù) NDVI,結(jié)果表明蚌埠市冬小

麥從11月開始 NDVI值緩慢上升,到次年2月達(dá)到較高值并維持穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)其他植被大多處于枯黃

狀態(tài)。4—5月間,該地區(qū)冬小麥 NDVI值再次出現(xiàn)明顯增長,到6月初收割后 NDVI值降低至最低點(diǎn)。

根據(jù)上述對蚌埠市冬小麥光譜特征的分析,僅依靠單個(gè)時(shí)段提取冬小麥分布區(qū)域存在較大不確定性,

因此需要結(jié)合多個(gè)時(shí)段內(nèi)冬小麥光譜數(shù)據(jù)開展識(shí)別提取工作。該地區(qū)光譜數(shù)據(jù)具有以下幾個(gè)特征:

(1)12月初冬小麥 NDVI值明顯大于11月初。(2)冬小麥在2月中旬 NDVI值明顯大于其他地物,其值

一般大于0.525。(3)3月下旬—4月上旬 NDVI值明顯大于1月中下旬。因此,可利用不同時(shí)段光譜數(shù)

據(jù)的特征在整個(gè)區(qū)域做并運(yùn)算,這樣可明顯提高提取結(jié)果的精度。

在本案例分析中,首先在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置蚌埠市冬小麥不同生育期的起始時(shí)間(圖4),然后根據(jù)不同生育

期NDVI值之間的關(guān)系提取了蚌埠市2021年冬小麥分布數(shù)據(jù)(圖5)。系統(tǒng)分析結(jié)果表明,2021年蚌埠市

冬小麥播種面積為24.09hm2,與統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)(25.12hm2)相比準(zhǔn)確度為95.9%;2021年冬小麥長勢良

好,但整體上比前5年差;根據(jù)估產(chǎn)模型估算,2021年冬小麥總產(chǎn)量為1.3583×106t,與統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)

(1.4894×106t)相比準(zhǔn)確度為91.2%。

圖5 蚌埠地區(qū)冬小麥識(shí)別結(jié)果

Fig.5 TherecognitionresultofwheatinBengbu

第38卷第1期 王 泓,等:基于 ArcGISEngine和IDL的冬小麥生長動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 37

4 結(jié)論與討論

本系統(tǒng)基于 ArcGISEngine和IDL構(gòu)建冬小麥綜合監(jiān)測分析系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對冬小麥播種面積、長勢

及產(chǎn)量估算的各項(xiàng)功能模塊。通過實(shí)際案例可以得到以下結(jié)論:

(1)利用 MODIS數(shù)據(jù)提取冬小麥種植面積及分布區(qū)域是可行的,由于 MODIS數(shù)據(jù)具有較高的時(shí)效

性和覆蓋度,基于 MODIS數(shù)據(jù)的分析方法在不同區(qū)域具有較好的適用性。充足、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是獲取精確

分析結(jié)果的基礎(chǔ)和保證,MODIS數(shù)據(jù)具有時(shí)效優(yōu)勢但分辨率較低,獲取較高分辨率冬小麥空間分布信息

存在一定困難。

(2)采用經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?結(jié)合研究區(qū)域的歷史數(shù)據(jù),可以較為準(zhǔn)確地對冬小麥長勢情

況進(jìn)行評估、對冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行估算,但在使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)應(yīng)與實(shí)際研究區(qū)域的地形、氣候及其他特征相

匹配。

(3)采用經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?結(jié)合研究區(qū)域的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和現(xiàn)勢數(shù)據(jù),可以較為準(zhǔn)確地

對冬小麥長勢情況進(jìn)行評估、對冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行估算。

參考文獻(xiàn):

[1] WANGFH,HEZH,SAYREK,etal.WheatcroppingsystemsandtechnologiesinChina[J].FieldCropsRes,

2009,111(3):181-188.

[2] QINXL,ZHANGFX,LIUC,etal.WheatyieldimprovementsinChina:pasttrendsandfuturedirections[J].

FieldCropsRes,2015,177:117-124.

[3] 吳妍潼.基于貝葉斯后驗(yàn)集合數(shù)據(jù)同化的區(qū)域冬小麥產(chǎn)量估測研究[D].成都:電子科技大學(xué),2022.

[4] 何中虎,莊巧生,程順和,等.中國小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展與科技進(jìn)步[J].農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2018,8(1):99-106.

[5] 谷洋洋,許雯雯,陳健,等.ArcGISEngine與ENVI/IDL集成開發(fā)的地理國情普查系統(tǒng)初探[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,

2015(9):44-46.

[6] 楊培.基于 ArcGISEngine的四川盆周山地區(qū)耕地質(zhì)量分等信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):以通江縣為例[D].雅安:四川農(nóng)

業(yè)大學(xué),2016.

[7] 楊延征.基于IDL和 ArcEngine的森林資源時(shí)空變化分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2012.

[8] 楊亞芳.基于 ArcGISEngine的土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].銀川:寧夏大學(xué),2021.

[9] 張賜.ENVIToolsforArcGIS的開發(fā)與應(yīng)用研究[D].上海:華東師范大學(xué),2011.

[10] ZHAOY,TANY M,XIA W.DevelopmentofChina’sindependentsatellitedatapreprocessingsystembasedon

ArcEngineandIDL[C]//2012InternationalSymposiumonGeomaticsforIntegratedWaterResourceManagement.

Lanzhou.IEEE,2012:1-4.

[11] WANGD,SHENRP,HUANGXL,etal.AnintegratedGISapplicationsystemforsoilmoisturedataassimilation

[C]//ProcSPIE9299,InternationalSymposium on OptoelectronicTechnologyand Application2014:Optical

RemoteSensingTechnologyandApplications,2014,9299:112-117.

[12] 李菲菲,湯軍,高賢君,等.基于GEE的氣候變化對豫北地區(qū)冬小麥播種面積與產(chǎn)量影響研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),

2022,51(8):150-165.

[13] 朱永基,殷飛箋,王晗,等.隨機(jī)森林方法支持下Sentinel-2A MSI多種特征的冬小麥識(shí)別分析[J].安徽科技學(xué)院學(xué)

報(bào),2022,36(1):25-31.

[14] 孫逸飛,柳平增,張艷,等.基于Sentinel-2A遙感影像的濰坊市冬小麥種植面積提取研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2022,

43(7):98-105.

[15] 徐云飛.基于無人機(jī)多光譜遙感的冬小麥參數(shù)反演及綜合長勢監(jiān)測[D].淮南:安徽理工大學(xué),2022.

[17] 吳保升.基于哨兵二號(hào)衛(wèi)星影像的冬小麥葉綠素反演研究[D].阿拉爾:塔里木大學(xué),2022.

[18] 任建強(qiáng),張寧丹,劉杏認(rèn),等.基于哨兵-2A模擬反射率及其影像的冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)估算[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2022,

53(12):231-243.

[19] 張智韜,李援農(nóng),陳俊英,等.關(guān)中西部灌區(qū)冬小麥遙感估產(chǎn)初探[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2005,23(5):187-190.

[20] 鄭昌玲,張蕾,侯英雨,等.基于 WOFOST模型的冬小麥產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)方法[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2022,40(6):

242-250,267.

[21] 劉劍鋒,方鵬,陳琳,等.基于 MODISNDVI的冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)遙感提取[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2022,50(13):219-225.

[22] 周西嘉,張悅,王鵬新,等.基于Sentinel的時(shí)間序列田塊尺度 LAI重建與冬小麥估產(chǎn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2022,

53(8):173-185.

(責(zé)任編輯:顧文亮)

38 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2024,38(1):39-46

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-07-25

基金項(xiàng)目:安徽省自然科學(xué)基金(2108085QC102);安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(2022AH051624);國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃

項(xiàng)目(202210879104)。

作者簡介:蔡家輝(1996—),男,安徽宿州人,碩士研究生,主要從事番茄生長發(fā)育及逆境脅迫研究,E-mail:1414607314@qq.com。

通信作者:祝嫦巍,教授,E-mail:zhucw@ahstu.edu.cn。

植物激素對鋁脅迫下番茄根生長的影響

蔡家輝1, 王乾坤2, 吳 越2, 劉華彬2, 祝嫦巍2*

(1.安徽科技學(xué)院 農(nóng)學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;2.安徽科技學(xué)院 生命與健康科學(xué)學(xué)院,安徽 鳳陽 233100)

摘 要:目的:探究植物激素對鋁脅迫下番茄根生長的影響,為增強(qiáng)番茄耐鋁能力及培育抗鋁番茄品種提

供理論依據(jù)。方法:以栽培品種番茄為試驗(yàn)材料,外源施加細(xì)胞分裂素(6-BA)、水楊酸(SA)、茉莉酸甲酯

(MeJA)、油菜素內(nèi)酯(BL)、生長素類似物(NAA),探究不同植物激素在番茄響應(yīng)鋁脅迫過程中的調(diào)控機(jī)

制。結(jié)果:細(xì)胞分裂素、水楊酸、茉莉酸甲酯增加了番茄對鋁脅迫的敏感性,加重了鋁對根生長的抑制作

用;油菜素內(nèi)酯對鋁脅迫下番茄根的生長無明顯作用。外源施加 NAA 時(shí),促進(jìn)了番茄側(cè)根發(fā)育,但明顯

加重了鋁誘導(dǎo)的主根和側(cè)根生長抑制,增加了番茄對鋁脅迫的敏感性。外源施加生長素運(yùn)輸抑制劑

(NPA和TIBA)也加重了鋁誘導(dǎo)根的生長抑制。而外源生長素合成抑制劑yucasin明顯緩解了鋁誘導(dǎo)的

根生長抑制,降低了番茄對鋁脅迫的敏感性。利用生長素響應(yīng)報(bào)告基因DR5:GUS 番茄轉(zhuǎn)基因植株,發(fā)

現(xiàn)鋁脅迫促進(jìn)生長素在根尖分生區(qū)和轉(zhuǎn)換區(qū)(分生區(qū)與伸長區(qū)之間)細(xì)胞的積累,過量的生長素抑制根的

伸長生長,而yucasin通過減少生長素在根尖的積累緩解鋁脅迫導(dǎo)致的根生長抑制。結(jié)論:通過生長素合

成途徑解析番茄響應(yīng)鋁脅迫的調(diào)控機(jī)制,應(yīng)用生長素合成抑制劑yucasin緩解番茄鋁脅迫,降低了鋁離子

和鋁誘導(dǎo)的活性氧(ROS)在番茄根尖的積累,減少了細(xì)胞死亡。

關(guān)鍵詞:番茄;鋁脅迫;植物激素;生長素;根的生長

中圖分類號(hào):S647.02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8772(2024)01-0039-08

開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID): DOI:10.19608/j.cnki.1673-8772.2024.0007

Effectsofphytohormoneontomatorootgrowthunderaluminumstress

CAIJiahui1, WANGQiankun2, WUYue2, LIU Huabin2, ZHUChangwei2*

(1.CollegeofAgriculture,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,China;

2.CollegeofLifeandHealthSciences,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,China)

Abstract:Objective:Toexploretheeffectsofplanthormonesontomatorootgrowthunderaluminum

stress,andtoprovidetheoreticalbasisforenhancingthealuminumtoleranceoftomatoandbreeding

aluminumresistanttomato varieties. Methods:Cytokinin (6-BA),salicylicacid (SA),methyl

jasmonate(MeJA),brassinolide (BL)andauxinanalogues (NAA)wereappliedtoexplorethe

regulatorymechanismsofdifferentplanthormonesintomatocultivarsresponsetoaluminumstress.

Results:Cytokinin,salicylicacidandmethyljasmonateincreasedthesensitivityoftomatotoaluminum

stress,andincreasedtheinhibitoryeffectofaluminumonrootgrowth.Brassinolidehadnosignificant

effectontomatorootgrowthunderaluminumstress.WhenexogenousNAA wasapplied,thelateral

rootdevelopmentoftomatowaspromoted,butthegrowthinhibitionoftaprootandlateralrootinduced

byaluminum wassignificantlyaggravated,andthesensitivityoftomatotoaluminum stress was

increased.Exogenousapplicationofauxintransportinhibitors (NPA and TIBA)alsoaggravated

aluminium-inducedrootgrowthinhibition.Exogenousauxinsynthesisinhibitoryucasinsignificantly

alleviatedthealuminium-inducedrootgrowthinhibitionanddecreasedthesensitivityoftomatoto

aluminumtoxicitystress.UsingtheauxinresponsereportergeneDR5:GUStransgenictomatoplants,

itwasfoundthataluminumstresspromotedtheaccumulationofauxincellsinthemeristemzoneandthe

transitionzone(betweenthemeristemzoneandtheelongationzone)ofroottips,andexcessiveauxin

inhibitedrootelongation growth,whileyucasin alleviatedtherootgrowthinhibition caused by

aluminumstressbyreducingtheaccumulationofauxininroottips.Conclusion:Theregulatory

mechanismoftomatoresponsetoaluminumstresswasanalyzedthroughauxinsynthesispathway,and

theapplicationofauxinsynthesisinhibitoryucasinalleviatedaluminumstressintomato,reducedthe

accumulationofaluminumionsandaluminum-inducedreactiveoxygenspecies(ROS)intomatoroot

tips,andreducedcelldeath.

Keywords:Tomato;Aluminumstress;Phytohormones;Auxin;Rootgrowth

鋁(Al)是地殼中含量最多的金屬元素,在土壤環(huán)境中常以無毒的硅酸鹽、氧化物的形式存在。在酸

性(pH<5.0)土壤中,含鋁的硅酸鹽、氧化物釋放出三價(jià)鋁離子(Al3+ ),抑制植物的根系生長發(fā)育,減少植

物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,成為抑制植物生長、限制作物產(chǎn)量的重要因素[1-2]。植物的根尖組織是鋁毒害的主

要靶位點(diǎn),根尖轉(zhuǎn)換區(qū)(分生區(qū)和伸長區(qū)之間)是植物對鋁毒脅迫最敏感的部位,Al3+ 主要通過抑制這一

組織部位細(xì)胞的分裂和伸長來抑制根的生長[3]。在受到鋁脅迫時(shí),植物在長期進(jìn)化和適應(yīng)環(huán)境的過程中

形成了內(nèi)部耐受和外部排斥機(jī)制。內(nèi)部耐受主要是通過液泡的區(qū)隔化和有機(jī)酸螯合以減弱鋁離子對植物

細(xì)胞的毒害作用;外部排斥則主要通過植物的根系分泌有機(jī)酸以螯合根際的鋁離子,減少鋁離子進(jìn)入細(xì)

胞,降低鋁對植物的毒害作用[4-5]。

激素作為重要的植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì),在植物的生長發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。

研究發(fā)現(xiàn),水楊酸、茉莉酸、乙烯、細(xì)胞分裂素和生長素均參與植物的鋁脅迫響應(yīng)過程。水楊酸(Salicylic

Acid,SA)作為內(nèi)源性信號(hào)響應(yīng)分子,參與植物的逆境脅迫響應(yīng)過程。對大豆(Glycinemax)外源施加水

楊酸可以降低植物根系對鋁的吸收,促進(jìn)根系分泌更多的檸檬酸鹽,從而緩解鋁的毒害作用,恢復(fù)根系生

長[6]。50μmol/L水楊酸可以提高葡萄(Vitisvinifera)根系活力[7]。鋁脅迫誘導(dǎo)茉莉酸合成相關(guān)基因表

達(dá)上調(diào),植物體內(nèi)茉莉酸含量升高。外源施加茉莉酸甲酯(MethylJasmonate,MeJA)會(huì)加重鋁脅迫導(dǎo)致

的根生長抑制[8]。此外,鋁脅迫還會(huì)導(dǎo)致根尖過渡區(qū)細(xì)胞分裂素信號(hào)響應(yīng)增強(qiáng),外源施加細(xì)胞分裂素

(6-Benzylaminopurine,6-BA)會(huì)增強(qiáng)鋁脅迫導(dǎo)致的根生長抑制。研究表明,鋁脅迫誘導(dǎo)的根尖細(xì)胞分裂

素信號(hào)響應(yīng)受到生長素的調(diào)控[9]。因此,生長素不僅直接參與調(diào)控植物鋁脅迫響應(yīng)過程,還可以通過下游

的細(xì)胞分裂素信號(hào)途徑進(jìn)一步影響植物根的生長。

生長素(Auxin)是植物響應(yīng)鋁脅迫過程中的關(guān)鍵信號(hào)調(diào)控分子。鋁脅迫誘導(dǎo)生長素在根尖分生區(qū)和

轉(zhuǎn)換區(qū)的合成增加,過度積累的生長素進(jìn)而抑制根的伸長生長[10]。但是,生長素在不同的植物種類中有

著不同的調(diào)控機(jī)制。在擬南芥的生長中,鋁脅迫通過影響生長素在根尖的極性運(yùn)輸和本地合成,導(dǎo)致生長

素在根尖分生區(qū)和轉(zhuǎn)換區(qū)細(xì)胞的過量積累,高濃度的生長素進(jìn)而抑制主根的伸長生長[11]。但是在玉米

(Zeamays)的生長中,鋁處理會(huì)使根尖生長素含量降低,抑制玉米根系生長,但外源施加 NAA可緩解鋁

脅迫導(dǎo)致的玉米根生長抑制[12]。鋁脅迫下生長素在擬南芥和玉米根系生長中起到截然不同的作用,這可

能是由于生長素在雙子葉植物和單子葉植物響應(yīng)鋁毒脅迫過程中發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)機(jī)制。

本試驗(yàn)以番茄(Solanumlycopersicum)為研究材料,探究不同植物激素和植物生長調(diào)節(jié)劑對鋁脅迫

40 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

下番茄根生長的影響,利用生長素報(bào)告基因DR5:GUS 探究番茄根部生長素對鋁脅迫的響應(yīng)機(jī)制,同時(shí)

通過活性氧和細(xì)胞死亡檢測研究根部細(xì)胞與鋁脅迫之間的相互作用,為在酸性土壤環(huán)境下番茄耐鋁種植

提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試材料為栽培品種矮生番茄,由甘肅甘益農(nóng)種業(yè)有限公司生產(chǎn);本試驗(yàn)所用 Micro-Tom 背景的

DR5:GUS 轉(zhuǎn)基因番茄是由DR5:GUS 轉(zhuǎn)基因番茄(VF36背景,由齊明芳教授提供)通過與 Micro-Tom

回交4次獲得[13]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 植物培養(yǎng) 番茄種子使用1%NaClO溶液消毒10min,無菌水沖洗5遍,播種在1/2MS培養(yǎng)基上

避光萌發(fā)。萌發(fā)后選取生長一致、根長為(35±5)mm 的番茄幼苗轉(zhuǎn)移至1/5Hogland營養(yǎng)液中,放置在

人工氣候培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),光照16h/24℃,黑暗8h/20℃,相對濕度為70%,光照強(qiáng)度為10000lx。

1.2.2 AlCl3 處理 每組處理挑取10株生長一致的番茄幼苗,在0.5mmol/LCaCl2 溶液中預(yù)處理

12h,轉(zhuǎn)移到含不同濃度 AlCl3(0、25、50、75、100μmol/L)的1/5Hogland營養(yǎng)液中培養(yǎng),每2天更換1次

營養(yǎng)液,并保證每次所換溶液pH 為5.0。第6天使用掃描儀掃描拍照,用ImageJ軟件測定根長。

1.2.3 激素處理 每組處理挑取10株生長一致的番茄幼苗,在0.5mmol/LCaCl2 溶液中預(yù)處理12h,

轉(zhuǎn)移到含有50μmol/L AlCl3 和不同植物生長調(diào)節(jié)劑(6-BA、BL、SA、MeJA、NAA、yucasin、NPA 或

TIBA)的1/5Hogland營養(yǎng)液中培養(yǎng),營養(yǎng)液每2天更換1次,并保證每次所換溶液pH 為5.0。培養(yǎng)至

第6天時(shí)使用掃描儀掃描拍照,用ImageJ軟件測定根長。

1.2.4 GUS染色 量取5mL無菌水和5mL磷酸鹽緩沖液(pH=7.0),加入100μLX-Gluc、50μL鐵

鹽及10μLTritonX-100,混勻,避光儲(chǔ)存,獲得GUS染液。將鋁脅迫處理3h后的番茄幼苗放入GUS染

液中,37℃避光染色12h,使用透明劑(水合氯醛∶無菌水∶甘油=8∶3∶1,V∶V∶V)透明,高級正置熒

光顯微鏡拍照。

1.2.5 蘇木精染色 稱取0.5g蘇木精、0.05gKI,溶于100mL蒸餾水,配制蘇木精染液。將番茄幼苗

在含0.5mmol/LCaCl2 溶液中預(yù)處理12h,轉(zhuǎn)移到1/5Hogland營養(yǎng)液中,設(shè)置對照組(CK),處理組分

別設(shè)置25μmol/LAlCl3(Al)、25μmol/LAlCl3+50nmol/LNAA (Al+NAA)、25μmol/LAlCl3+

4μmol/LNPA(Al+NPA)、25μmol/L AlCl3 +4μmol/L TIBA (Al+TIBA)、25μmol/L AlCl3 +

10μmol/Lyucasin(Al+yucasin),處理30min,處理后的番茄幼苗經(jīng)過無菌水沖洗干凈,放入蘇木精染液

中染色5min,蒸餾水中沖洗5遍后使用顯微鏡觀察拍照。

1.2.6 活性氧檢測 配制1 mg/mLDAB 染液。取生長一致的番茄幼苗經(jīng)過50μmol/L AlCl3、

50μmol/LAlCl3+10μmol/Lyucasin共同處理2h,無菌水沖洗干凈,放入 DAB 染液中避光染色

10min,使用透明劑進(jìn)行透明,高級正置熒光顯微鏡拍照。

1.2.7 細(xì)胞凋亡檢測 稱取10g苯酚,分別量取甘油、乳酸、無菌水各10mL,混勻,稱取10mg臺(tái)盼藍(lán)

溶于混勻液配制成臺(tái)盼藍(lán)染色液。選取生長一致的番茄幼苗經(jīng)過50μmol/LAlCl3、50μmol/LAlCl3+

10μmol/Lyucasin共同處理12h,臺(tái)盼藍(lán)染色5min,使用透明劑進(jìn)行透明,顯微鏡拍照觀察。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有處理均進(jìn)行至少3次獨(dú)立生物學(xué)重復(fù)試驗(yàn),使用 GraphPadPrism9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖(平

均值±標(biāo)準(zhǔn)差),使用SPSS22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,使用AdobeIllustratorCC2017進(jìn)行組圖,采

用Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行各處理間顯著性差異分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁脅迫抑制番茄根的生長

為探究鋁脅迫對番茄幼苗根生長的影響,外源施加不同濃度的 AlCl3 進(jìn)行處理,分析番茄幼苗根長。

番茄幼苗在不同鋁脅迫處理下培養(yǎng)6d(圖1A),結(jié)果顯示,低濃度的鋁脅迫(10、25μmol/LAlCl3)處理對

第38卷第1期 蔡家輝,等:植物激素對鋁脅迫下番茄根生長的影響 41

番茄根的生長沒有明顯抑制作用,當(dāng)濃度達(dá)到50μmol/L時(shí),番茄幼苗主根生長明顯受到抑制,且隨著鋁

濃度的增加,鋁誘導(dǎo)的根生長抑制越嚴(yán)重(圖1B)。

圖1 不同濃度AlCl3 對番茄根生長的影響

Fig.1 EffectsofdifferentconcentrationsofAlCl3ontomatorootgrowth

注:比例尺=10mm;不同字母代表具有顯著性差異(P<0.05)。下同。

2.2 不同激素對鋁脅迫下番茄根生長的影響

為探究不同激素對鋁脅迫下番茄根生長的影響,外源施加細(xì)胞分裂素(6-BA)、油菜素內(nèi)酯(BL)、水楊

酸(SA)、茉莉酸甲酯(MeJA)分別與50μmol/LAlCl3 共同處理番茄幼苗,分析不同的植物激素在番茄鋁

脅迫過程中的作用。結(jié)果表明,低濃度(0.5、1、2nmol/L)的6-BA 處理對鋁脅迫下根的生長沒有明顯影

響,較高濃度(5nmol/L)的6-BA加重鋁脅迫誘導(dǎo)的根生長抑制(圖2A、B)。盡管較低濃度(0.1nmol/L)

的BL對鋁脅迫誘導(dǎo)的根生長抑制有所緩解,但是外源施加BL并不能顯著緩解鋁脅迫對番茄的抑制作用

(圖2C、D)。低濃度(5、10μmol/L)的外源 SA 對鋁脅迫下根的生長沒有明顯影響,較高濃度(20、

40μmol/L)的SA加重鋁脅迫誘導(dǎo)的根生長抑制(圖2E、F)。低濃度的外源 MeJA不影響番茄根對鋁脅

迫的敏感性,隨著 MeJA濃度的增加,番茄響應(yīng)鋁脅迫的敏感性增強(qiáng),鋁誘導(dǎo)的根生長抑制出現(xiàn)加重的現(xiàn)

象(圖2G、H)。

圖2 不同激素處理對鋁脅迫下番茄根生長的影響

Fig.2 Effectsofdifferenthormonesontomatorootgrowthunderaluminumstress

42 安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2024年

2.3 生長素在番茄鋁脅迫響應(yīng)過程中的作用

為探究生長素在番茄鋁脅迫過程中的作用機(jī)制,通過外源施加生長素類似物(NAA)、生長素合成抑

制劑(yucasin)、生長素運(yùn)輸抑制劑(NPA、TIBA),分析其對鋁脅迫下番茄根生長的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)外

源施加 NAA時(shí),鋁脅迫誘導(dǎo)的番茄根生長受到明顯影響,隨著外源 NAA濃度的增加而加重(圖3A、B)。

當(dāng)外源施加生長素合成抑制劑yucasin時(shí),鋁脅迫誘導(dǎo)的根生長抑制現(xiàn)象得到明顯緩解,且較低濃度即可

有效減弱鋁脅迫對番茄根的毒害作用(圖3C、D)。當(dāng)外源施加生長素運(yùn)輸抑制劑 NPA或 TIBA時(shí),鋁脅

迫誘導(dǎo)的根生長抑制現(xiàn)象也明顯隨著外源抑制劑濃度的增加而加重(圖3E~H)。

圖3 生長素對鋁脅迫下番茄根生長的影響

Fig.3 Effectsofauxinontomatorootlengthunderaluminumstress

2.4 鋁誘導(dǎo)根尖生長素含量的增加

為進(jìn)一步探究生長素合成途徑如何參與番茄鋁脅迫響應(yīng)過程,試驗(yàn)利用生長素報(bào)告基因DR5:GUS

分析鋁脅迫對番茄根尖生長素響應(yīng)的影響。結(jié)果顯示,鋁(25μmol/LAlCl3)處理誘導(dǎo)生長素在番茄根尖

分生區(qū)、轉(zhuǎn)換區(qū)和側(cè)根冠積累,外源施加yucasin處理明顯減少鋁脅迫誘導(dǎo)的生長素在根尖的積累(圖4)。

結(jié)果表明,鋁脅迫通過誘導(dǎo)根尖生長素的積累抑制根的伸長生長,而外源yucasin可以通過減少生長素的

積累緩解鋁脅迫導(dǎo)致的生長抑制。

2.5 外源yucasin減少鋁在根部的積累

為分析yucasin在番茄鋁脅迫下的作用,試驗(yàn)進(jìn)一步檢測了鋁離子在根部的積累情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與

CK相比,25μmol/LAlCl3 處理后番茄根尖組織染色較深,表明有大量的鋁離子積累(圖5)。外源施加

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50nmol/LNAA、4μmol/LNPA 和4μmol/LTIBA分別與25μmol/LAlCl3 共同處理后,染色加深,表

明根尖組織積累更多的鋁離子(圖5)。外源施加10μmol/Lyucasin與25μmol/LAlCl3 共同處理后,染

色明顯減弱,表明鋁離子在根尖組織的積累減少(圖5)。結(jié)果表明,外源生長素或生長素運(yùn)輸抑制劑均可

增加鋁離子在根尖的積累,從而加重鋁脅迫對根的毒害作用;而生長素合成抑制劑可以減少鋁離子在根尖

的積累,從而緩解鋁脅迫對根的毒害。

圖4 外源yucasin對鋁脅迫下番茄根尖生長素響應(yīng)的影響

Fig.4 Effectsofexogenousyucasinonauxinresponsetoaluminumstressintomatoroottips

注:比例尺=200μm。

圖5 外源生長素及相關(guān)抑制劑對番茄根尖鋁離子積累的影響

Fig.5 EffectsofexogenousauxinandrelatedinhibitorsonAlaccumulationintomatoroottips

注:比例尺=100μm。

2.6 鋁脅迫對番茄根部活性氧和細(xì)胞死亡的影響

活性氧(ROS)的產(chǎn)生是植物響應(yīng)逆境脅迫的重要信號(hào)分子,為分析生長素合成途徑對鋁脅迫下ROS產(chǎn)

生的影響,通過外源施加yucasin檢測鋁脅迫下ROS的積累情況。結(jié)果表明,與CK相比,50μmol/LAlCl3

處理導(dǎo)致ROS在番茄根尖分生區(qū)和轉(zhuǎn)換區(qū)積累,特別是轉(zhuǎn)換區(qū)組織細(xì)胞中有大量的ROS積累,這也表明轉(zhuǎn)

換區(qū)是根對鋁脅迫更為敏感的區(qū)域(圖6A)。外源施加yucasin可以明顯減少ROS在根尖的積累,減弱鋁脅

迫對根尖組織的傷害(圖6A)。通過臺(tái)盼藍(lán)染色觀察發(fā)現(xiàn),鋁脅迫處理導(dǎo)致根尖組織細(xì)胞染色明顯加深,yucasin可以減弱根尖的染色,表明yucasin可以緩解鋁脅迫導(dǎo)致的根尖組織細(xì)胞的死亡(圖6B)。

3 結(jié)論與討論

植物激素在植物的生長發(fā)育和鋁脅迫響應(yīng)過程中起到重要調(diào)控作用[14]。研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞分裂素響應(yīng)

基因ARR3 和ARR4 受到鋁脅迫的誘導(dǎo),鋁處理會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞分裂素在根尖組織過多積累[9]。本研究發(fā)現(xiàn)

外源施加細(xì)胞分裂素(6-BA)會(huì)進(jìn)一步加重鋁脅迫導(dǎo)致的番茄根生長抑制(圖2A)。外源施加油菜素內(nèi)酯

(BL)會(huì)加重鋁脅迫誘導(dǎo)的根生長抑制,而油菜素內(nèi)酯合成抑制劑(PPZ)則可以緩解鋁脅迫導(dǎo)致的根生長

抑制[15-16]。本試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)低濃度的BL對鋁脅迫導(dǎo)致的根生長抑制有所緩解,而隨著BL濃度的增加,鋁

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脅迫導(dǎo)致的根生長抑制并沒有得到緩解,且側(cè)根數(shù)明顯減少(圖2C),這表明低濃度的外源BL可以提高

番茄的耐鋁能力,而高濃度的BL會(huì)加重鋁脅迫對植物的傷害。水楊酸是植物響應(yīng)逆境脅迫的關(guān)鍵信號(hào)

分子[17]。水楊酸過量積累的擬南芥突變體snc1 表現(xiàn)出對鋁脅迫的高敏感性,而水楊酸積累減少的擬南

芥轉(zhuǎn)基因植株NahG 則對鋁脅迫有一定的耐受性[18]。當(dāng)外源施加水楊酸時(shí),鋁脅迫誘導(dǎo)的根生長抑制更

加嚴(yán)重(圖2E),表明SA在植物的鋁脅迫過程中發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用。盡管如此,在對大豆幼苗外源施加水

楊酸則緩解了鋁對植株的毒害作用,降低了大豆根尖的鋁含量,提高了大豆的鋁毒抗性[6]。因此,可以推

測這可能是由于在不同植物中水楊酸參與植物鋁脅迫的調(diào)控機(jī)制存在差異導(dǎo)致的。茉莉酸是植物應(yīng)對生

物及非生物脅迫的重要調(diào)節(jié)因子[19]。COI1是茉莉酸信號(hào)途徑中的關(guān)鍵受體,與野生型擬南芥相比,

coi1-2 功能缺失突變體對鋁脅迫的敏感性降低,外源施加茉莉酸甲酯則加重鋁脅迫導(dǎo)致的根生長抑制[8]。

與此一致的是,外源施加茉莉酸甲酯同樣增加番茄對鋁脅迫的敏感性,加重鋁脅迫導(dǎo)致的根生長抑制

(圖2G),表明茉莉酸在植物的鋁脅迫響應(yīng)過程中發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用。

研究表明生長素參與調(diào)控植物鋁脅迫響應(yīng)過程,生長素在不同的植物中發(fā)揮不一樣的調(diào)控功

能[11-12]。鋁脅迫處理導(dǎo)致玉米根尖生長素的積累減少,根的伸長生長受到抑制,外源施加 NAA后根的生

長得到顯著緩解[12]。然而,外源施加 NAA會(huì)加重鋁脅迫下擬南芥根的抑制,生長素積累過量的相關(guān)突

變體yucca、sur2 和sur1-3 在鋁處理后也出現(xiàn)了嚴(yán)重的根生長抑制[20]。與此一致的是,本研究也發(fā)現(xiàn)外

源施加 NAA會(huì)加重鋁脅迫對番茄主根的生長抑制(圖3A)。當(dāng)施加生長素合成抑制劑(yucasin)處理時(shí),

鋁脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生的根生長抑制得到顯著緩解(圖3C)。進(jìn)一步研究表明yucasin處理減少了鋁脅迫誘導(dǎo)的

生長素在根尖的積累(圖4),這與對擬南芥的研究結(jié)果一致[15]。生長素運(yùn)輸抑制劑NPA和TIBA處理均

會(huì)加重鋁誘導(dǎo)的番茄根生長抑制(圖3E、G)。而對玉米的研究則表明生長素極性運(yùn)輸途徑相關(guān)突變體

zmpgp1 表現(xiàn)出對鋁毒脅迫的不敏感[12]。通過蘇木精染色,表明鋁誘導(dǎo)的根伸長生長與鋁離子在植物根

尖的積累有關(guān)。在玉米中,zmpgp1 突變體或 NAA處理后的根尖鋁離子積累明顯減少[21]。在番茄中,外

源施加 NPA、TIBA或 NAA處理均會(huì)導(dǎo)致鋁離子在根尖的積累增加而加重鋁脅迫對植物的傷害,外源施

加yucasin可以降低鋁離子在根尖的積累而減輕鋁脅迫傷害(圖5)。以上結(jié)果也表明,在不同的植物種類

中,生長素的調(diào)控機(jī)制也不盡相同。然而,其中深入的分子機(jī)制還需要進(jìn)一步的研究。

ROS是植物響應(yīng)逆境脅迫的重要信號(hào)分子,植物體內(nèi) ROS的產(chǎn)生及清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在植

物受到鋁脅迫時(shí),ROS的產(chǎn)生和積累增加,從而引發(fā)細(xì)胞程序性死亡等級聯(lián)反應(yīng)[22]。本研究中,鋁脅迫

導(dǎo)致番茄根尖ROS積累增加,細(xì)胞死亡增多,外源施加yucasin可以明顯減少 ROS的積累和細(xì)胞死亡,

緩解鋁脅迫對植物根尖造成的傷害(圖6)。本研究通過生長素合成途徑探究植物響應(yīng)鋁脅迫的調(diào)控機(jī)

制,從鋁離子的積累、ROS的產(chǎn)生和細(xì)胞死亡等方面解析生長素參與調(diào)控植物鋁脅迫的途徑,以期為提高

番茄的耐鋁能力提供理論依據(jù)。

圖6 外源yucasin對鋁脅迫下番茄根尖細(xì)胞活性氧產(chǎn)生(A)和細(xì)胞死亡(B)的影響

Fig.6 Effectofexogenousyucasinonreactiveoxygenspeciesproduction(A)andcelldeath(B)intomatoroottipcellsunderaluminumstress

注:比例尺=200μm。

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