【寧夏大學(xué)新聞中心訊 葡萄酒與園藝學(xué)院】近日，Plant Biotechnology Journal雜志在線發(fā)表了由寧夏大學(xué)吳龍國(guó)課題組及其合作團(tuán)隊(duì)撰寫的“A cross-scale transfer learning framework: prediction of SOD activity from leaf microstructure to macroscopic hyperspectral imaging”論文。該研究工作通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合長(zhǎng)短期時(shí)間記憶（CNN-LSTM）算法構(gòu)建了番茄葉片中超氧化物歧化酶（SOD）活性的微觀和宏觀模型。利用異質(zhì)二維相關(guān)光譜（H2D-COS）確定了與番茄葉片SOD活性相關(guān)的10個(gè)宏觀敏感吸收峰和10個(gè)微觀敏感吸收峰。進(jìn)一步，將CNN-LSTM算法與H2D-COS分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于敏感波段的微觀模型與宏觀模型之間的遷移學(xué)習(xí)。研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了微觀和宏觀高光譜之間的遷移學(xué)習(xí)及可視化，為番茄葉片中SOD活性的觀察和定量提供了新的方法，同時(shí)為番茄葉片中痕量物質(zhì)的定量檢測(cè)和H2D-COS在遷移學(xué)習(xí)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
番茄作為我國(guó)設(shè)施栽培面積最大的園藝作物之一，已成為許多地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)支柱作物。在番茄生長(zhǎng)過程中，土壤中的鹽分是影響番茄健康生長(zhǎng)和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)量的限制因素之一。在正常生長(zhǎng)情況下，植物機(jī)體活性氧的生成和消除處于平衡狀態(tài)。在鹽脅迫的情況下，平衡被打破，由于植物無法通過其防御系統(tǒng)抵御鹽脅迫，過多的活性氧在植物體內(nèi)積聚，導(dǎo)致番茄植株氧化脅迫現(xiàn)象發(fā)生。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）是三種至關(guān)重要的抗氧化酶。SOD催化O2-的歧化反應(yīng)生成H2O2和O2，H2O2隨后被POD和CAT清除。受到逆境脅迫時(shí)，番茄葉片會(huì)出現(xiàn)明顯的生理和表型變化，這與SOD的活性和分布密切相關(guān)。盡管如此，如何實(shí)時(shí)精準(zhǔn)反映SOD活性動(dòng)態(tài)變化，其背后的檢測(cè)方法仍不完全清楚。
寧夏大學(xué)吳龍國(guó)課題組及其合作團(tuán)隊(duì)提出了基于CNN-LSTM算法的H2D-COS分析與遷移學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法來研究番茄葉片的SOD活性。研究了基于敏感波長(zhǎng)的微觀模型和宏觀模型之間的遷移學(xué)習(xí)，既保留了MHSI在獲取痕量物質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)，又規(guī)避了MHSI試驗(yàn)的復(fù)雜性和有損性，極大促進(jìn)了高光譜在微量物質(zhì)的定量檢測(cè)方面的應(yīng)用，為監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)量化番茄葉片中的SOD活性開辟了全新思路與方法。
總之，這項(xiàng)研究開發(fā)的基于葉片微觀結(jié)構(gòu)到宏觀高光譜成像的SOD活性預(yù)測(cè)跨尺度遷移學(xué)習(xí)框架，不僅可以確定與SOD活性相關(guān)的微觀和宏觀敏感吸收峰，也實(shí)現(xiàn)了SOD活性預(yù)測(cè)的微觀和宏觀預(yù)測(cè)模型遷移，為番茄葉片SOD活性的監(jiān)測(cè)和量化提供了新的方法和技術(shù)，也為番茄葉片中痕量物質(zhì)的定量檢測(cè)以及H2D-COS在遷移學(xué)習(xí)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
圖1 H2D-COS光譜獲取流程
圖2番茄葉片中SOD分布的可視化。(a)微觀預(yù)測(cè)模型；(b)宏觀預(yù)測(cè)模型。
寧夏大學(xué)葡萄酒與園藝學(xué)院郝婕、中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉研究所閆妍教授、寧夏食品檢測(cè)研究院張瑤工程師為該論文共同第一作者，寧夏大學(xué)葡萄酒與園藝學(xué)院吳龍國(guó)講師、曹云娥教授為該論文共同通訊作者。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（32260798, 32372793）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題（2021YFD1600302-3）、寧夏高等學(xué)校自然科學(xué)項(xiàng)目（NYG-2024-019）、寧夏回族自治區(qū)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2024CXTD010）、第四批“寧夏青年科技人才支持項(xiàng)目”（TJGC2019065）和第六批“寧夏青年科技人才支持項(xiàng)目”（TJGC2021075）等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14484
（責(zé)任編輯：張景）
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