【摘 要】
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红凤菜（Gynura bicolor DC.）是一种具有补血和除去自由基功能的保健型蔬菜,富含花青素和铁元素,常被用作食品色素添加剂和补血药剂。铁、镁、钙的缺乏会影响红凤菜的品质和产量,阻碍植株进行生物量的积累和植物色素合成。在营养缺乏胁迫下,植物根系通过分泌有机酸、氨基酸、酚酸类物质,将根际环境中的物质转化为供生长发育的养分,以减小营养缺乏胁迫对植株的伤害。根系分泌物的物质组成和含量反应了植物的
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红凤菜（Gynura bicolor DC.）是一种具有补血和除去自由基功能的保健型蔬菜,富含花青素和铁元素,常被用作食品色素添加剂和补血药剂。铁、镁、钙的缺乏会影响红凤菜的品质和产量,阻碍植株进行生物量的积累和植物色素合成。在营养缺乏胁迫下,植物根系通过分泌有机酸、氨基酸、酚酸类物质,将根际环境中的物质转化为供生长发育的养分,以减小营养缺乏胁迫对植株的伤害。根系分泌物的物质组成和含量反应了植物的营养吸收状况以及生长状态,这为根据根系分泌物诊断植物营养状态提供了可能。三维荧光光谱技术能获得不同激发与发射波长下的荧光强度信息,具有高灵敏度、高选择性、信息丰富的优点。三维荧光光谱技术能对根系分泌物中的荧光物质进行定性定量表征,具有诊断植物营养状态的潜力。本文以红凤菜为研究对象,研究了铁、镁、钙缺乏胁迫下红凤菜表型和植物色素含量的差异,分析了红凤菜根系分泌物的三维荧光光谱特征,开发了三维荧光光谱特征提取软件,建立了红凤菜铁、镁、钙缺乏胁迫鉴别模型。主要研究内容、结果和结论如下:（1）分析了正常组和缺素组（缺铁、缺镁、缺钙）红凤菜的表型和植物色素含量差异。结果表明:缺素组的红凤菜鲜重、株高均低于正常组,缺铁和缺镁会导致红凤菜新叶出现黄化现象,缺铁组和缺钙组根长的平均伸长量高于正常组;缺素组新叶中叶绿素a、b含量和花青素含量均显著降低,缺铁组和缺镁组新叶和老叶中类胡萝卜素的含量显著增加。（2）基于峰值法、荧光区域积分法、平行因子分析法提取了红凤菜根系分泌物的三维荧光光谱特征,比较了铁、镁、钙缺乏胁迫下根系分泌物三维荧光光谱特征的差异。（1）基于峰值法（Pick Peaks）提取了5个荧光峰,其中缺素组T峰（Ex/Em=275/340 nm）的荧光强度高于正常组,说明缺素组根系分泌物中类色氨酸含量相对较高。（2）基于荧光区域积分法（FRI）将根系分泌物三维荧光光谱划分为5个区域,其中缺素组在荧光区域II（Ex/Em=220～250/330～380 nm）的标准积分体积均高于正常组,说明缺素组根系分泌物中芳香蛋白类物质II的含量相对较高。（3）利用平行因子分析法（PARAFAC）将根系分泌物三维荧光光谱分解为5个荧光组分,分别为:C1（低激发色氨酸类物质,Ex/Em=200/340 nm;Ex/Em=220/340 nm）,C2（高激发色氨酸类物质,Ex/Em=275/340nm）,C3（富里酸类物质,Ex/Em=235/440 nm）,C4（低激发酪氨酸类物质,Ex/Em=200/300 nm;Ex/Em=220/300 nm）,C5（腐殖酸类物质,Ex/Em=275/440 nm;Ex/Em=360/440 nm）。结果表明:缺素组的根系分泌物中荧光组分C1+C2（色氨酸类物质）的相对贡献率和荧光强度均高于正常组;缺素组中荧光组分C3（富里酸类物质）的荧光强度均高于正常组。（3）建立了铁镁钙缺乏胁迫下红凤菜根系分泌物的三维荧光光谱鉴别模型。基于提取的根系分泌物三维荧光光谱特征,结合支持向量机（SVM）、K最近邻以及决策树等传统机器学习和卷积神经网络,建立红凤菜二分类（正常和缺素）和四分类（正常、缺铁、缺镁和缺钙）模型。结果表明:PARAFAC-SVM二分类鉴别模型性能最优,准确率为96.4%,F1值为97.7%,缺素组召回率为100%;基于卷积神经网络建立的四分类鉴别模型性能最优,准确率为90.3%,Macro-F1值为90.4%。
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