JOURNAL OF ANHUI SCIENCE AND TECHNOLOGY UNIVERSITY学报

中国高校优秀科技期刊

全 国 优 秀 农 业 期 刊

安徽省高等院校优秀学报

ISSN 1673-8772

CN 34-1300/N

第 1 期

2024年2月 第38卷

安 徽 科 技 学 院 学 报

第38卷 第1期 (总第176期) 2024年2月

目 次

动物科学

鸭源多杀性巴氏杆菌的分离鉴定及药敏试验 ………………… 郭伟娜, 王紫苇, 马佰贺, 王 旋(1)

河北省圈养貉子隐孢子虫流行现状调查…………… 陈东前, 张玉瑾, 王建秋, 王明星, 祝玉巧,

罗 辉, 王秋悦, 刘欣超, 李文超(7)

根皮素对热应激肉鸡腿肌肉品质和抗氧化性能的影响

……………………………………… 王昆平, 徐可行, 白 晰, 胡 洪, 潘洪彬, 闻爱友(13)

镉诱导雏鸡肝脏的损伤作用………………………… 顾成霞, 王 艳, 张 宇, 唐中齐, 叶瑞旗,

汪梦杰, 刘 畅, 曹迷霞, 李 磊(18)

植物科学·江淮粮仓

基于植被指数与连续小波变换的玉米叶片Cu2+ 含量反演……………… 郭 辉, 戴志林, 石 海(24)

基于 ArcGISEngine和IDL的冬小麦生长动态监测系统 ……………… 李 霞, 王 泓, 鲁立江(32)

植物激素对铝胁迫下番茄根生长的影响 ………… 蔡家辉, 王乾坤, 吴 越, 刘华彬, 祝嫦巍(39)

水稻愈伤组织诱导及不定芽分化培养体系建立

……………………………………… 唐靖雯, 钱晶晶, 王 宁, 曹柳晴, 洪文静, 张从宇(47)

18种化学杀菌剂及混配组合对高粱附球菌的抑制效果

………………………………………………… 杨胜雨, 段海明, 孟祥涛, 陈 甦, 周 慧(52)

叶面喷施亚硒酸钠对基质栽培辣椒产量和品质的影响

………………………… 赵丹丹, 周沪生, 陈 鹏, 裴文霞, 袁先福, 汪建飞, 邢素芝(58)

生防菌代谢产物与化学杀菌剂对棉花枯萎病菌的抑制活性研究

……………………………………………………………… 周 慧, 段海明, 杨胜雨, 张 健(65)

密度和钾肥及其互作对小麦茎秆形态特征与抗倒性的影响

………………………………………………… 陶庭余, 王荣圆, 魏 鹏, 闫素辉, 李文阳(71)

食品药品科学

大豆磷脂酶D的固定化及其催化功能 …………… 孙红叶, 朱梦男, 姚改芳, 张 华, 金日生(77)

沙棘中黄酮类化合物提取及抗氧化活性

……………………………………… 吴翠芳, 刘雅宣, 李宇辉, 郝奇奇, 何旭豪, 王俊钢(88)

工程技术

基于 YOLOv5s的母猪基础行为识别 …………… 陈敏权, 陈 丰, 钟金鹏, 刘士静, 孟凡盛(97)

基于 AnsysWorkbench的手动火灾报警按钮仿真分析和结构优化

………………………………………………… 王一鸣, 乔印虎, 袁枝亭, 魏广智, 贾 茹(104)

基于机器学习的网络异常流量检测……………………………………………………………… 沈徳松(111)

(本期执行编辑:顾文亮)

期刊基本参数: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)

安徽科技学院学报,2024,38(1):1-6

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-07-25

基金项目:安徽省高校自然科学研究项目(KJ2020A0087);安徽科技学院稳定人才项目(DKWD201801);安徽省大学生创新创业训练

计划项目(S202210879187)。

作者简介:郭伟娜(1982-),女,河南内黄人,博士,副教授,主要从事动物病原微生物的分离鉴定及致病性研究,E-mail:weina0925@126.com。

鸭源多杀性巴氏杆菌的分离鉴定及药敏试验

郭伟娜1,2, 王紫苇1, 马佰贺1, 王 旋1

(1.安徽科技学院 动物科学学院,安徽 凤阳 233100;

2.动物营养调控与健康安徽省重点实验室,安徽 凤阳 233100)

摘 要:目的:从疑似禽霍乱的4只病死鸭的病料中分离并鉴定多杀性巴氏杆菌(Pasteurellamultocida,

Pm),并通过药敏试验筛选敏感药物用于治疗。方法:无菌采集肝脏组织病料,接种至普通营养琼脂、麦康

凯及血琼脂培养基上进行病原菌的培养、分离纯化;对纯化后的分离菌进行革兰染色、镜检,提取其核酸作

为模板,进行16SrRNA基因的PCR鉴定;圆纸片扩散试验测定分离菌株对18种抗菌药物的敏感程度。

结果:在血琼脂培养基上分离菌株表现为稍微隆起、表面光滑、湿润、灰白色、露珠样、半透明的圆形菌落,

但在普通营养琼脂和麦康凯培养基上不生长。革兰染色镜检显示分离菌为一种革兰染色阴性、菌体两端

着色深、中间着色较浅的球状短小杆菌。PCR扩增16SrRNA出现1500bp的目的条带,其序列分析与

Pm菌株 Q的16SrRNA基因的相似性为99.86%;药敏试验表明,分离菌株对米诺环素敏感性最高,抑

菌圈直径达19mm,对四环素、强力霉素、庆大霉素、氨苄西林、头孢哌酮表现中度敏感,其他药物均为耐

药。结论:本研究从一例疑似禽霍乱的病死鸭中分离鉴定出1株多杀性巴氏杆菌,分离菌株对米诺环素较

为敏感,建议用于临床治疗。

关键词:鸭源;多杀性巴氏杆菌;分离;鉴定;药敏试验

中图分类号:S852.3 文献标志码:A 文章编号:1673-8772(2024)01-0001-06

开放科学(资源服务)标识码(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

多杀性巴氏杆菌(Pasteurellamultocida,Pm)是一种具有荚膜、没有鞭毛和芽孢的革兰阴性菌,瑞氏

染色或美蓝染色表现为明显的两极浓染现象,在世界各地分布广泛。Pm 可感染哺乳动物、鸟类、禽类、爬

行动物甚至人类,引起急性出血性败血症和慢性肺炎、萎缩性鼻炎、皮肤坏死、脑膜炎等,病死率较高,对我

国畜牧业的健康发展和公共卫生安全影响较大[1-2]。目前,Pm根据荚膜多糖抗原结构的不同,分为 A、B、

D、E、F等5个血清型;根据脂多糖结构的差异,分为16个血清型[3-4]。其中,A型、B型和E型Pm菌株主

要引起牛出血性败血症,D型Pm菌株主要引起猪传染性萎缩性鼻炎,A 型Pm 菌株能够引起猪的肺疫,

而禽霍乱多数是由 A型和F型Pm菌株引起,但也有报道分离到荚膜B型的鸡源Pm 菌株[5]。多杀性巴

氏杆菌对鸡、鸭、鹅具有高度易感性,引起的出血性败血症又称为禽霍乱,发病较为严重,病死率较高,对养

禽业造成重大的经济损失[6-7]。长期以来,抗菌药物的使用是防治禽霍乱等细菌病的常用方法之一,但是

由于临床上不规范的药物使用或滥用导致常用药物效果降低,所产生的耐药性非常严重[8-9]。研究表明,

养殖场严格的饲养管理制度以及合理的疫苗免疫是预防该病的关键措施[10]。本研究主要是从一例疑似

禽霍乱的病死鸭肝脏中进行病原菌的分离鉴定及药敏试验,为深入研究多杀性巴氏杆菌的致病机理和防

控提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料

血琼脂培养基和药敏纸片购于比克曼生物科技(湖南常德)有限公司。普通营养琼脂培养基、麦康凯

培养基购于海博生物(青岛)有限公司。PCR MasterMix预混液、50×TAE 缓冲液、DL-2000DNA

Marker等均购于生物工程(上海)有限公司。

1.2 样品采集

安徽某养鸭场送检的4只20日龄病死肉鸭,剖检后发现心冠脂肪有出血,肺脏也有出血点或出血斑,

肝脏病变最典型,肿大变脆,表面有大量针尖大小的灰白色坏死点,如图1所示。疑似禽霍乱,无菌采集其

肝脏组织进行病原的分离鉴定。

1.3 分离纯化

无菌条件下采集病死鸭的肝脏病料组织,划线接种于普通营养琼脂培养基、麦康凯培养基及血琼脂培

养基上,然后放入恒温培养箱于37℃培养24h,观察分离菌的生长状况及菌落形态;挑取符合Pm典型菌

落特点的单菌落在血琼脂培养基上进一步分离纯化,对纯化培养后的菌落进行革兰染色和显微镜观察。

2 安徽科技学院学报 2024年

图1 病死鸭的剖检病变

Fig.1 Pathologicalchangesofdeadducks

1.4 模板的制备

蘸取纯化后细菌的单个菌落放置于50μL灭菌的超纯水中,充分振荡混匀。采用煮沸法提取其核酸:

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

-20℃保存备用。

1.5 引物合成

细菌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,引物详细序列及扩

增产物大小如表1所示。

表1 引物序列及目的片段大小

Table1 Primersequencesandsizeoftargetfragments

基因名称 序列(5'~3') 目的片段大小/bp

16SrRNA

27F:AGAGTTTGATCATGGCTCAG

1525R:AAGGAGGTGATCCAACC

1500

1.6 16SrRNA的PCR扩增及测序

PCR反应体系为50μL:2μL分离菌株核酸模板、25μLPCRMasterMix、2μL上下游引物、19μL超

纯水。PCR扩增程序为:95℃5min;95℃30s,55℃30s,72℃60s,35个循环;72℃10min。取

1.25%琼脂糖进行PCR产物凝胶电泳检测,将有目的条带的PCR扩增产物回收后由通用生物(安徽)有

限公司进行分离菌株16SrRNA测序,测序结果用DNAStar软件中的 MegAlign程序进行同源性分析和

遗传进化树的构建。

1.7 药敏试验

圆纸片扩散法测定分离菌株对六大类共18种抗菌药物(四环素类:四环素、强力霉素、米诺环素;氨基

糖苷类:阿米卡星、链霉素、庆大霉素、卡那霉素;青霉素类:氨苄西林、哌拉西林;多肽类:多粘菌素B、万古

霉素;林可霉素类:林可霉素;头孢菌素类:头孢唑林、头孢哌酮、头孢氨苄、头孢曲松、头孢呋辛钠、头孢他

啶)的敏感性,用抑菌圈的大小判定其敏感程度。

2 结果与分析

2.1 病原菌的分离及染色结果

该分离菌株在血琼脂培养基上菌落特征为稍微隆起、表面光滑、湿润、灰白色、露珠样半透明的圆形菌

落(图2),但在普通营养琼脂和麦康凯培养基上不生长。该分离菌株用革兰染色镜检,可见典型的两极浓

染的红色球杆菌(图3),符合Pm的染色特征。

2.2 16SrRNA的PCR扩增及测序结果

16SrRNA的PCR扩增结果显示有1500bp左右的目的条带(图4)。PCR扩增产物的测序结果表

明,分离菌株的基因序列与Pm菌株Q(GenBank登录号:CP033597)的序列相似性为99.86%。将分离菌

第38卷第1期 郭伟娜,等:鸭源多杀性巴氏杆菌的分离鉴定及药敏试验 3

株的16SrRNA测序结果与13株参照菌株相应序列进行同源性比对分析,并进行遗传进化树的构建,如

图5~6。图中Seq1表示分离菌株序列,其他参考菌株用GenBank登录号代表。由图5可知,该分离菌株

与多杀性巴氏杆菌参照菌株具有99.3%~100%的同源性;由图6可知,分离菌株与3个参照菌株均属于

同一分支,亲缘关系较近,从而鉴定该分离菌株为多杀性巴氏杆菌。

图2 血琼脂培养基上的分离菌菌落特征

Fig.2 Colonymorphologyofisolatedbacteriaonbloodagarmedium

图3 革兰染色镜检结果(×1000)

Fig.3 Gramstainingmicroscopicresults(×1000)

图4 16SrRNA的PCR扩增结果

Fig.4 ResultsofPCRamplificationfor16SrRNA

注:M 为DL-2000Marker;1为分离菌株;2为阴性对照。

图5 16SrRNA基因序列同源性分析

Fig.5 Phylogenetictreebasedon16SrRNAsequences

2.3 药敏试验结果

Pm分离菌株对18种药物的抑菌圈测定结果如表2所示,分离菌株对米诺环素的敏感性最高,抑菌圈直径

为19mm;对四环素、强力霉素、庆大霉素、氨苄西林、头孢哌酮表现中度敏感,其他药物均为耐药。

4 安徽科技学院学报 2024年

图6 基于16SrRNA基因构建的遗传进化树

Fig.6 Homologyanalysisof16SrRNAsequence

表2 分离菌株的药敏试验结果

Table2 Resultsofdrugsusceptibilitytestoftheisolates

抗菌药物 抑菌圈直径/mm 敏感程度

四环素类 四环素 13 中度敏感

强力霉素 13 中度敏感

米诺环素 19 敏感

氨基糖苷类 阿米卡星 0 耐药

链霉素 0 耐药

庆大霉素 14 中度敏感

卡那霉素 0 耐药

青霉素类 氨苄西林 12 中度敏感

哌拉西林 9 耐药

多肽类 多粘菌素B 8 耐药

万古霉素 8 耐药

林可霉素类 林可霉素 0 耐药

头孢菌素类 头孢唑啉 0 耐药

头孢哌酮 12 中度敏感

头孢氨苄 0 耐药

头孢曲松 0 耐药

头孢呋辛钠 0 耐药

头孢他啶 0 耐药

3 结论与讨论

Pm是人兽共患病病原微生物,能够感染多种家畜、家禽、经济动物、野生动物等,导致禽霍乱、牛出血

性败血症、猪肺疫、兔多杀性巴氏杆菌病等疾病。该病多为地方流行性,不同地区、不同动物体内主要的流

行血清型有一定差异[12-13]。因此,研究Pm的致病性以及如何防控该病具有重要意义。李亚菲等[14]从贵

州省某养鸭场分离到7株Pm,所采用的病料是脑、脾脏和肝脏组织,PCR扩增的kmt1 基因序列与参考菌

株相应序列的同源性高于 99%。张小波等[15]从贵州遵义某养鸭场分离到 1 株花边鸭源 Pm,其

16SrRNA序列与Pm菌株LSBS1的同源性为99.93%。本研究从4只病死鸭的肝脏中分离鉴定到一株

未知菌,其菌落生长特征和染色特点均与Pm 相符,16SrRNA 测序结果与Pm 参考菌株 Q 的相似性为

99.86%,并且亲缘关系最近。

本研究药敏试验结果表明,Pm分离菌株对米诺环素的敏感性最高,抑菌圈直径为19mm;对四环素、

强力霉素、庆大霉素、氨苄西林、头孢哌酮表现中度敏感,其他药物均为耐药。所以,推荐养殖户及时采用

米诺环素进行治疗,后期反馈用药治疗效果不错。王红琳等[16]分离的一株蛋鸭源多杀性巴氏杆菌对头孢

类、链霉素和四环素均耐药,与本研究结果一致。王喜等[17]从云南某鸡场分离到1株鸡源多杀性巴氏杆

菌,该菌株对卡那霉素、链霉素、四环素等12种药物耐药,但对头孢氨苄、头孢他啶、氨苄西林敏感;伍澜

等[5]从湖北荆州某鸡场分离到1株荚膜B型的鸡源Pm,该菌株对头孢类、四环素类、氨基糖苷类和喹诺

第38卷第1期 郭伟娜,等:鸭源多杀性巴氏杆菌的分离鉴定及药敏试验 5

酮类等多种药物高度敏感,与荚膜 A型禽源Pm 对药物的敏感性差异较大,例如于勇等[7]分离的4株荚

膜 A型的Pm对卡那霉素、四环素等7种抗生素表现为全部或部分耐药。严专强等[18]从我国华东、华南、

西南地区的番鸭中分离鉴定了13株Pm,以及肉鸡中分离鉴定到4株Pm,这些菌株对卡那霉素、四环素、

庆大霉素和链霉素等均表现耐药,与本研究不完全相符。郑小兰等[19]分离鉴定到鸭源Pm 共3株,并且

对多粘菌素B和头孢唑林均较为敏感,本研究却表现为耐药,但对链霉素的敏感性一致,均为耐药。陈国

权等[20]从肉鸭中分离到1株Pm,同时对头孢菌素类、庆大霉素等表现敏感,本研究中却为耐药。

综上可知,不同地区各个养殖场分离的多杀性巴氏杆菌菌株对抗菌药物的敏感性有明显差异。细菌

耐药性产生的原因较多,如不同养殖户的用药习惯不同,长期不规范用药、甚至滥用抗菌药的现象较为严

重。建议养殖户在临床上如有禽霍乱发生,必须结合病原分离及药物敏感试验,筛选敏感药物尽早治疗,

注意合理用药,降低经济损失。

参考文献:

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(责任编辑:顾文亮)

6 安徽科技学院学报 2024年

安徽科技学院学报,2024,38(1):7-12

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-09-06

基金项目:安徽省自然科学基金(1808085MC84,1908085QC116);安徽科技学院稳定人才项目(dkwd201702);大学生创新创业训练计

划项目(202310879038,S202310879065)。

作者简介:陈东前(1997-),男,江苏盐城人,硕士研究生,主要从事动物寄生虫病研究,E-mail:1509430227@qq.com。

通信作者:李文超,教授,E-mail:liwen303@126.com。

河北省圈养貉子隐孢子虫流行现状调查

陈东前1,2, 张玉瑾1,2, 王建秋1,2, 王明星1,2, 祝玉巧1,2,

罗 辉1,2, 王秋悦3, 刘欣超1,2, 李文超1,2*

(1.安徽科技学院 动物科学学院,安徽 凤阳 233100;

2.动物营养调控与健康安徽省重点实验室,安徽 凤阳 233100;

3.河北科技师范学院 河北省预防兽医重点实验室,河北 秦皇岛 063000)

摘 要:目的:确定河北省圈养貉子隐孢子虫的流行和虫种/基因亚型分布情况。方法:从河北省多地共采

集389份新鲜圈养貉子粪便样品,采用基于隐孢子虫核糖体小亚基rRNA(SSUrRNA)基因的巢式PCR

方法进行检测,并对获得的隐孢子虫SSUrRNA 基因阳性样本进行隐孢子虫60kDa糖蛋白(gp60)基因

的扩增,对获得的隐孢子虫SSUrRNA 和gp60 基因进行测序和分析,并分别在 Mega中构建基于这2个

基因的进化树(最大似然法),进一步分析所获隐孢子虫的分子特性。结果:基于隐孢子虫SSUrRNA 基

因的巢式PCR检测显示,河北省圈养貉子中共检测出6份隐孢子虫阳性样本,隐孢子虫感染率为1.5%

(6/389)。其中,6月龄以上貉子的隐孢子虫感染率为1.2%(1/85),6月龄以下貉子的隐孢子虫感染率为

1.6%(5/304),二者无显著差异(χ

2=0.096,P=0.384)。粪便非正常的貉子隐孢子虫感染率(11.1%,

4/36)显著高于粪便正常的貉子(0.6%,2/353)(χ

2=23.18,P=0.001)。序列及进化树分析显示,本次从

河北省貉子中分离的隐孢子虫虫种均为C.canis,共鉴定出2种基因亚型,即XXa2和XXa4。结论:河北

省圈养貉子中存在2种人兽共患的C.canis基因亚型XXa2和XXa4,提示貉子可能成为人隐孢子虫感染

的潜在来源。

关键词:隐孢子虫;核糖体小亚基rRNA;貉子;河北省

中图分类号:S855.9 文献标志码:A 文章编号:1673-8772(2024)01-0007-06

开放科学(资源服务)标识码(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

隐孢子虫病(Cryptosporidiosis)是由隐孢子虫(Cryptosporidium spp.)引起的一种呈全球性分布的

人兽共患原虫病,主要感染脊椎动物,其症状表现为腹泻、营养不良、生长发育受阻等[1-3]。该虫通过粪-口

途径传播,人或动物通过摄入被隐孢子虫卵囊污染的水或食物,或直接接触隐孢子虫病患者或患病动物而

引起感染,严重会导致死亡[4-5]。

貉子(NyctereutesprocyonoidesGray)为食肉目(Carnivoraes)、犬科(Canidae)、貉属(Nyctereutes)动

物,其作为一种珍贵的毛皮动物,具有很高的经济价值。寄生虫病严重威胁貉子健康的一类疾病,尤其是

人工饲养的貉子,其饲养密度较高,活动范围窄,易引起寄生虫病流行。目前,已报道貉子可感染犬隐孢子

虫(C.canis)、微小隐孢子虫(C.parvum)和安氏隐孢子虫(C.andersoni)等3种常见人兽共患隐孢子虫

虫种,其中C.parvum 还是人最常感染的两种隐孢子虫之一[6-12]。

目前中国貉子养殖主要分布在东北三省及山东、河北等省份[13]。迄今,中国山东[6]、河南[7]、新疆维

吾尔自治区[14]、东北三省[8,15]等省份已有貉子隐孢子虫感染的相关报道,河北省作为貉子养殖大省之一,

目前仅见昌黎地区有貉子隐孢子虫感染的报道[7],因此相关研究不能很好地反映河北省貉子隐孢子虫感

染与虫种/基因型分布的真实情况。鉴于此,本研究对河北省多地人工养殖的貉子进行隐孢子虫的分子流

行病学调查,了解貉子中隐孢子虫流行情况并评估其可能蕴含的公共卫生风险,为相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2022年6—12月,分别从河北省石家庄市、邯郸市、秦皇岛市和张家口市等地区的5家貉子场共采集

389份新鲜粪便样品。上述养殖场中,貉子均饲养在联排金属笼子中,粪便直接漏到笼子下方的地面上。

成年貉子(6月龄以上)一般一笼单只饲养,幼龄貉子分窝前(45~60日龄断奶分窝)和母貉子合笼饲养,分

窝后多只合并饲养一段时间后再分笼饲养。采样时从笼具下方的粪堆上部采集新鲜粪便10~20g,每个笼

子仅采1次。粪便装入洁净自封塑料袋中,编号并记录对应采样场、貉子年龄及粪便状况等信息,放置于

8 安徽科技学院学报 2024年

4℃冰箱内冷藏待检。

1.2 主要仪器与试剂

T100型PCR仪(伯乐生命医学产品(上海)有限公司),Tanon1600凝胶成像系统(上海天能科技有限

公司)。粪便DNA提取试剂盒(天根生化科技(北京)有限公司),rTaqDNA 聚合酶(上海泽叶生物科技

有限公司);BIOWESTE琼脂糖(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 粪便基因组提取

依照产品说明书进行操作,提取的DNA保存于-20℃冰箱待检。

1.4 隐孢子虫SSUrRNA 基因扩增

参照Xiao等[16]的研究,用巢式PCR方法扩增隐孢子虫SSUrRNA 基因,引物见表1。2轮PCR反应体

系体积相同,依次加入38.55μL超纯水、5μL10×PCR缓冲液、1μLDNA模板(首轮PCR用提取的貉子粪

便基因组DNA,第2轮PCR用首轮PCR产物)、0.6μL20mol/L各正反引物、4μL1.25mmol/LdNTP和

0.25μL5U/μLrTaq 酶。首轮PCR反应参数设置为94℃5min;94℃45s,55℃45s,72℃lmin,

共35个循环;72℃10min。第2轮PCR除退火温度调整为58℃外,其余参数同首轮PCR。用感染隐孢

子虫的猪粪便基因组DNA作阳性对照,隐孢子虫阴性猪粪便DNA提取物作阴性对照。

1.5 隐孢子虫gp60 基因扩增

参照Jiang等[17]的引物与方法,对获得的隐孢子虫SSUrRNA 阳性样本进行隐孢子虫gp60 基因的

扩增,引物见表1。2轮PCR反应体系体积相同,含1μL貉子粪便基因组DNA(首轮PCR)或2μL首轮

PCR产物(第2轮 PCR)、0.6μL20mol/L各正反引物、5μL10×PCR 缓冲液、4μL1.25mmol/L

dNTP、0.3μL5U/μLrTaq酶、38.50μL超纯水。2轮PCR反应扩增反应的参数相同,为94℃5min;

94℃45s,52℃45s,72℃80s,共35个循环;72℃10min。

表1 本研究中所用引物

Table1 PCRprimersusedinthepresentstudy

靶基因 序列(5'→3') 扩增子大小/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 测序与分析

第2轮PCR扩增后,产物进行凝胶电泳分离,所获阳性扩增产物送相关公司,分别用扩增基因的

第2对引物从正方和反方进行双向测序。测序序列用 Dnaman软件进行编辑,在 GenBank数据库中经

Blast搜索。为评价所获隐孢子虫虫种/基因亚型的遗传关系,所获序列经ClustalX软件比对,采用最大

似然法(Maximum-likelihoodMethod)在 Mega软件中构建进化树,可逆取代模型用于替代率的计算,自

展值设为1000。新发现的隐孢子虫基因亚型根据既定的命名系统命名[15]。

1.7 统计分析

应用SPSS20.0软件对本研究中的数据进行Fisher's精确检验分析,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 河北省貉子隐孢子虫感染情况

389份貉子粪便样本中,基于SSUrRNA 基因的巢式PCR方法共检出6份隐孢子虫阳性样品,河北

省圈养貉子隐孢子虫感染率为1.5%(6/389)(表2)。隐孢子虫阳性样本分布在邯郸、秦皇岛和张家口貉

子养殖场,感染率分别为2.9%(3/103)、2.0%(2/100)和1.2%(1/86),石家庄未检出隐孢子虫阳性样品,

不同地区感染率差异无统计学意义(χ

2=3.059,P=0.063)。6月龄以上貉子隐孢子虫感染率为1.2%,

6月龄以下貉子隐孢子虫感染率为1.6%,二者差异不显著(χ

2=0.096,P=0.384)。粪便正常和非正常

第38卷第1期 陈东前,等:河北省圈养貉子隐孢子虫流行现状调查 9

貉子隐孢子虫感染率分别为0.6%和11.1%,差异显著(χ

2=23.18,P=0.001)(表3)。

表2 河北省圈养貉子隐孢子虫感染情况

Table2 PrevalenceofCryptosporidiumspp.inraccoondogsinHebeiProvince

采样地区 样品数/份 感染数/份 感染率/% (95%CI) P 虫种(n) 基因亚型(n)

邯郸 103 3 2.9(0,6.2)

秦皇岛 100 2 2.0(0,4.7)

石家庄 100 0 0.0

张家口 86 1 1.2(0,3.4)

总计 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 河北省圈养貉子隐孢子虫感染在不同年龄、粪便类型中的分布情况

Table3 PrevalenceofCryptosporidiumspp.amongdifferentage,andfecesformgroupsofraccoondogsinHebeiProvince

因素 样本数/份 感染数/份 感染率/% (95%CI) P

年龄

>6月 85 1 1.2(0,3.5)

<6月 304 5 1.6(0.2,3.1)

0.384

粪便类型

正常(黑色,干,呈球样或橄榄状) 353 2 0.6(0,1.4)

非正常(糊状、不成型或液体状) 36 4 11.1(0.3,21.9)

0.001

2.2 貉子隐孢子虫遗传分析情况

对所获得的6份隐孢子虫SSUrRNA 基因PCR阳性产物进行测序和比对,显示本研究中得到的

6个隐孢子虫SSUrRNA 基因序列完全一致,Blast分析显示其均为C.canisSSUrRNA 基因,与 GenBank中参考序列 AF112576有100%同源性。进化构建树显示分离得到的隐孢子虫SSUrRNA 基因与

已报道的多个C.canis分离株聚为一支,进一步表明本研究中所获得的隐孢子虫虫种为C.canis(图1)。

图1 基于SSUrRNA 基因构建的隐孢子虫进化树(最大似然法,可逆取代模型)

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

注:▲为本研究所获犬隐孢子虫SSUrRNA 基因序列。

10 安徽科技学院学报 2024年

6份隐孢子虫SSUrRNA 基因阳性样本中,5份样本gp60 基因被成功扩增和测序,序列经比对,剔

除相同序列,得到两个隐孢子虫gp60 序列,Blast分析显示其分别与C.canis基因亚型 XXa2(登录号为

MT954605)和XXa4(登录号为 MT954607)序列一致。构建进化树显示分离得到的两个隐孢子虫gp60

基因分别与已报道的C.canis基因亚型XXa2(登录号为 ON863566和 MT954605)和C.canis基因亚型

XXa4(登录号为ON863565和 MT954607)聚为一支,进一步表明本研究中所获得的两个C.canis其基因

亚型分别为XXa2和XXa4(图2)。

图2 基于gp60 基因构建的犬隐孢子虫亚型家族进化树(最大似然法,可逆取代模型)

Fig.2 PhylogeneticrelationshipofC.canisgp60nucleotidesequences

(themaximum-likelihoodmethod,andthegeneraltime-reversiblemodel)

注:▲为本研究所获犬隐孢子虫gp60 基因序列。

2.3 貉子隐孢子虫虫种/基因亚型分布情况

本次调查在河北省圈养貉子中共发现2种C.canis基因亚型,即 XXa2和 XXa4,分别占总样本的

0.5%(2/389)和0.8%(3/389)。除石家庄未检出隐孢子虫阳性样品以及张家口貉子养殖场所获阳性样

本测序不成功外,邯郸和秦皇岛貉子养殖场均检出这2种C.canis基因亚型(表2)。

3 结论与讨论

迄今,全球有关貉子隐孢子虫的相关报道不多,且主要集中在中国、日本和波兰等国,已报道的貉子隐

孢子虫感染率为2.5%~37.7%

[6-8,10,14-15,18]。本研究中,河北省圈养貉子隐孢子虫感染率为1.5%,低于

目前相关报道,但高于王步康等[9]关于河北昌黎地区貉子的报道(感染率为0)。本研究中,6月龄以上貉

子和6月龄以下貉子隐孢子虫感染率间无显著差异(χ

2=0.096,P=0.384),这一结果与Zhang等[8]、

Qian等[14]的研究结论一致,但与 Wang等[6]、王步康等[9]的研究不一致,分析不同研究中结论不一致的原

因,可能与不同研究中所用样本量大小、采样地点、饲养管理及样本处理方法等不同有关。同时,本研究

中,粪便不正常貉子隐孢子虫感染率(11.1%)显著高于粪便正常的貉子(0.6%)(χ

2=23.18,P=0.001),

分析其差异原因可能与动物的饲养环境与卫生管理等相关。

本研究中,C.canis是河北省圈养貉子检出的唯一隐孢子虫虫种,这一结果与中国黑龙江[8]、新疆维

吾尔自治区[14]、山东[6]等地的报道一致。C.canis是对人有致病性的5种最常见的隐孢子虫虫种之一,

频繁地发生于发展中国家人群[19]。从事貉子等毛皮动物养殖、销售、加工的从业人员应了解该虫种的传

播途径等相关知识,做好自身防护,严防出现人畜共患传播。

借助于新近开发的基于gp60 基因的分型工具,分析显示河北省圈养貉子感染的C.canis共存在

2个基因亚型,即XXa2和XXa4,显示貉子源C.canis具有一定的遗传多样性[17]。此外,XXa2和 XXa4

第38卷第1期 陈东前,等:河北省圈养貉子隐孢子虫流行现状调查 11

基因亚型在美国、秘鲁、埃塞俄比亚和牙买加的人群中已有报道,进一步显示貉子源C.canis具有人畜共

患性,应引起高度重视[17]。Wang等[6]等研究显示不同的毛皮动物感染的C.canis基因亚型不同,如貉

子主要感染XXa,水貂只感染XXd和XXf,狐狸仅感染 XXg,暗示毛皮动物源C.canis如同其他人群中

常见的隐孢子虫虫种C.parvum,C.hominis和C.ubiquitum 一样,存在明显宿主适应性[20]。未来尚

需进一步加大对毛皮动物隐孢子虫流行虫种、传播模式等的研究,以积累更多流行病学数据,进而阐明其

隐孢子虫虫种遗传多样性和宿主适应性等特征。

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(责任编辑:顾文亮)

12 安徽科技学院学报 2024年

安徽科技学院学报,2024,38(1):13-17

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-07-25

基金项目:国家自然科学基金(32002223);安徽省自然科学基金面上项目(2108085MC113);安徽省高校自然科学研究重点项目

(KJ2020A0084);国家十四五重点研发计划项目(2022YFD1601905)。

作者简介:王昆平(1999-),男,安徽淮南人,硕士研究生,主要从事家禽热应激研究,E-mail:kunping1998@qq.com。

通信作者:闻爱友,教授,E-mail:aywen2008@126.com。

根皮素对热应激肉鸡腿肌肉品质和抗氧化性能的影响

王昆平1, 徐可行1, 白 晰1, 胡 洪2, 潘洪彬2, 闻爱友1*

(1.安徽科技学院 动物科学学院,安徽 凤阳 233100;

2.云南农业大学 动物科学技术学院,云南 昆明 650201)

摘 要:目的:探讨饲料中添加根皮素对热应激环境下肉鸡腿肌肉品质及其抗氧化性能的影响。方法:选

取160只体质量相近的22日龄 AA肉鸡,随机分为 NT、HT、LT和PT等4组,每组4个重复,每个重复

10只。其中,NT为对照组,饲养温度为(23.0±0.61)℃,相对湿度为50.8%±5.41%;HT、LT、PT为热

应激组,饲养温度为(30.5±0.69)℃,相对湿度为89.7%±6.70%,NT和 HT饲喂基础日粮,LT、PT分

别饲喂在基础日粮中添加100、200mg/kg根皮素的日粮。在肉鸡42日龄时每个重复随机挑选3只肉

鸡,屠宰后进行腿肌肉品质及抗氧化性能的测定。结果:与 HT相比,NT肉鸡腿肌亮度、滴水损失、失水

率、蒸煮损失、MDA水平均显著下降(P<0.05),CAT、GSH、GSH-Px、T-AOC水平均显著上升(P<0.05)。

与 HT相比,PT肉鸡腿肌亮度、肌滴水损失、失水率、蒸煮损失、MDA水平均显著下降(P<0.05),CAT、

GSH、GSH-Px、T-AOC水平均显著上升(P<0.05)。与 HT相比,LT的 T-AOC水平显著上升(P<0.05)。

结论:饲料中添加根皮素可有效改善热应激对肉鸡腿肌肉品质及抗氧化性能的影响,且以添加200mg/kg

效果较好。

关键词:根皮素;热应激;肉鸡;肉品质;抗氧化性能

中图分类号:S831.5 文献标志码:A 文章编号:1673-8772(2024)01-0013-05

开放科学(资源服务)标识码(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

在现代规模养殖条件下,热应激已成为影响家禽生产和福利的主要环境应激源[1]。肉鸡没有汗腺,全

身覆盖羽毛,主要靠呼吸散热,当环境温度过高、饲养密度过大、通风不良、饮水不足时,会导致散热困难,

出现热应激反应[2]。研究表明[3],热应激可导致动物机体细胞内线粒体发生氧化应激并产生过量的活性

氧(ROS),这些过量的ROS可直接危害机体细胞的正常代谢过程,并造成组织损伤,最终导致肉鸡生长

性能及肉品质的下降。因此,做好肉鸡热应激的预防对于肉鸡生产十分重要。

根皮素(Phloretin)作为一种植物提取物,属于黄酮类化合物,主要分布于苹果、荔枝等多种植物中。

研究表明根皮素具有抗氧化、抑制细菌、抑制肿瘤细胞增殖、抑制酪氨酸酶活性、抗炎等功能[4]。Kern

等[5]发现,根皮素是一种天然多酸化合物,可以抑制动物机体内蛋白激酶C(PKC)活性和诱导细胞凋亡,

发挥抗氧化和抗肿瘤作用。本试验通过在饲料中添加根皮素,探讨其对热应激环境下肉鸡腿肌肉品质及

抗氧化性能的影响,为肉鸡无抗养殖和根皮素作为一种绿色安全饲料添加剂的推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验分组和日粮配方

试验选取安徽科技学院畜牧场提供的160只22日龄 AA肉鸡(雌雄各半),按照体质量相近原则,随

机分为NT、HT、LT和PT 等4个组,每组4个重复,每个重复10只。其中NT为对照组,HT、LT和PT

为热应激组。依据 NRC规定配制饲料。试验分组和基础日粮配方见表1~2。

表1 饲养试验分组

Table1 Groupingoffeedingtrials

试验组别 温度/℃ 相对湿度/% 饲喂日粮

NT 23.0±0.61 50.8±5.41 基础日粮

HT 30.5±0.69 89.7±6.70 基础日粮

LT 30.5±0.69 89.7±6.70 基础日粮+100mg/kg根皮素

PT 30.5±0.69 89.7±6.70 基础日粮+200mg/kg根皮素

1.2 饲养管理

在安徽科技学院试验动物房的同一幢相邻的两间鸡舍进行肉鸡的饲养试验,其中 NT肉鸡单独一间

饲养,HT、LT、PT等3组在另一间鸡舍饲养,鸡舍内温湿度均采用空调和加湿器进行调控,对照组为:温

14 安徽科技学院学报 2024年

度为(23.0±0.61)℃,相对湿度为50.8%±5.41%;热应激组:温度为(30.5±0.69)℃,相对湿度为

89.7%±6.70%。由专人负责饲喂和卫生打扫等日常管理工作,并按照正常肉鸡防疫程序进行疫苗注射,

饲养期为21d。

1.3 试验样品采集及测定方法

42日龄时,每个重复随机挑选3只接近平均体质量的肉鸡,空腹12h后屠宰,取腿肌样品进行腿肌肉

品质和抗氧化指标的测定。肉鸡屠宰及肉鸡腿肌肉的品质测定均参照马猛等[6]、Qiao等[7]方法进行,其

中肉的pH 采用数显式pH 仪(梅特勒-托利多仪器有限公司)测定,肉的亮度(L* )、红度(a* )、黄度(b* )

等肉色指标使用色差仪(柯尼卡美能达控股公司)测定,肌肉嫩度采用数显式嫩度测定仪(东北农业大学工

程学院)进行测定;肌肉 MDA、CAT、GSH、GSH-Px、T-AOC等抗氧化指标均按照试剂盒(南京建成生物

工程研究所)说明书进行测定。

表2 基础日粮与营养水平

Table2 Basicdietandnutritionlevel

ω(组成)/% 配比/% 养分指标② 营养水平

玉米 60.0 代谢能/(MJ/kg) 12.56

豆粕 31.2 ω(粗蛋白)/% 20.10

鱼粉 2.0 ω(钙)/% 0.87

豆油 3.0 ω(Lys)/% 1.09

磷酸氢钙 1.5 ω(Met+Cys)/% 0.76

石粉 0.9 ω(有效磷)/% 0.41

食盐 0.3 ω(总磷)/% 0.49

DL-Met 0.1

预混料① 1.0

注:①添加剂预混料为每kg日粮提供:50mg锌,0.1mg硒,60mg铁,0.3mg碘,5mg铜,10000IU 维生素 A,4.0mg维生素 K,

2200IU胆钙化醇,2.0mg维生素B1,4.0mg维生素B6,4.0mg维生素B2,0.03mg维生素B12,20mg维生素E,10mg泛酸,20mg烟

酸,0.12mg生物素,400mg胆碱,1.2mg叶酸。②代谢能为计算值,其余为实测值。

1.4 数据处理与分析

试验结束后,将收集的数据利用Excel进行处理后,用SPSS18.0软件进行数据的差异显著统计分析

和多重比较,结果以“平均值±标准差”表示,P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 根皮素对热应激肉鸡腿肌肉品质的影响

由表3可知,与 HT相比,NT肉鸡腿肌亮度(L* )显著下降(P<0.05),PT肉鸡腿肌亮度(L* )显著

下降(P<0.05)。与 HT相比,NT肉鸡腿肌滴水损失、失水率、蒸煮损失显著下降(P<0.05),PT肉鸡腿

肌滴水损失、失水率、蒸煮损失显著下降(P<0.05)。与 HT相比,NT和PT肉鸡腿肌亮度(L* )、滴水损

失、失水率、蒸煮损失均显著下降(P<0.05)。说明日粮中添加根皮素可以明显改善热应激状态下肉鸡腿

肌肉的亮度(L* )和肌肉的保水能力。

表3 根皮素对热应激肉鸡腿肌肉品质的影响

Table3 Effectsofphloretinonlegmusclequalityofbroilersunderheatstress

项目

组别

NT HT LT PT

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

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

红度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

滴水损失/% 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

蒸煮损失/% 38.04±0.65b 40.56±0.6a 39.05±0.69ab 37.88±0.61b

注:同行数据肩标不同字母表示差异显著(P<0.05),无字母或相同字母表示差异不显著(P>0.05)。下同。

第38卷第1期 王昆平,等:根皮素对热应激肉鸡腿肌肉品质和抗氧化性能的影响 15

2.2 根皮素对热应激肉鸡腿肌抗氧化性能的影响

由表4可知,与 HT相比,NT肉鸡腿肌的 CAT、GSH、GSH-Px、T-AOC水平显著上升(P<0.05);

LT的T-AOC水平显著高于 HT组(P<0.05);PT的 CAT、GSH、GSH-Px、T-AOC水平显著高于 HT

(P<0.05);HT的肉鸡腿肌 MDA 水平显著高于 NT(P<0.05);PT的肉鸡腿肌 MDA 水平显著低于

HT(P<0.05)。说明日粮中添加根皮素可有效提高热应激状态下肉鸡机体的抗氧化能力。

表4 根皮素对热应激肉鸡腿肌抗氧化性能的影响

Table4 Effectsofphloretinonantioxidantpropertiesoflegmuscleinbroilersunderheatstress

项目

组别

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 结论与讨论

畜禽屠体的肉色、pH、系水力(滴水损失率、失水率、蒸煮损失率)等理化指标直接影响畜禽产品的贮

藏、加工和市场销售的货架期,是畜禽肉质评定中常规测定的指标[6]。肉的颜色主要受肌肉中肌红蛋白及

其氧合代谢的影响。通常情况下,机体组织和细胞中氧合肌红蛋白水平升高,肌肉的亮度值(L* )升高;脱

氧肌红蛋白水平升高,红度值(a* )升高;而肌肉黄度值(b* )的高低与高铁肌红蛋白水平及其氧化程度关

系密切[8]。畜禽刚屠宰后,由于肌肉中氧合肌红蛋白含量高,肌肉颜色呈现红润有光泽,之后,随着贮藏时

间的延长,机体组织和细胞中氧含量下降,肌红蛋白以脱氧肌红蛋白为主,从而导致肉色变暗、肉质下

降[9]。本试验中,热应激条件下的肉鸡腿肌L* 值均高于常温下的 NT,a* 值和b* 值与 HT相比也均有降

低的趋势,其中 HT腿肌肉的 L* 值显著高于 NT,这与孙金芝等[10]研究结果一致。通常在热应激状态

下,肉鸡肺呼吸功能增强,增加了机体组织和细胞内氧合肌红蛋白水平,同时减少了脱氧肌红蛋白和高铁

肌红蛋白含量,从而使得肌肉中L* 值升高,并在一定程度上降低了a* 和b* 值的水平。试验还观察到LT

和PT肉鸡腿肌肉的L* 值均低于 HT,这可能是因为肉鸡的肺部和组织细胞中养气的交换量的降低,有

效减少了肉鸡机体组织和细胞中氧合肌红蛋白水平,降低了腿肌的L* 值,说明日粮中添加根皮素可不同

程度地降低肉鸡的热应激反应。

家禽屠宰后,尸僵变化过程中会发生一系列的生化反应,其中肌肉组织细胞在缺氧状态下,糖原无氧

酵解会产生乳酸,大量乳酸积累是导致肌肉pH 下降的主要因素[11-12]。与适温条件相比,在长时间热应激

环境下,家禽采食量下降,机体的合成代谢率下降,分解代谢加强,从而导致机体内糖原过多的酵解供能并

生成更多的乳酸[13-14],这可能正是本试验中观察到的 HT腿肌肉中pH 相较于 NT显著下降的原因所在。

而添加根皮素的2组pH 均小于NT且大于 HT,说明添加根皮素缓解了热应激对肉鸡机体的影响。肌肉

的pH 是影响肌肉的颜色、系水力、嫩度及贮藏时间的重要因素。本试验中,热应激组比对照组滴水损失、

失水率、蒸煮损失均有所提高,而添加200mg/kg根皮素有效改善了肉鸡腿肌系水力。前人研究表明,随

着屠宰后肌肉pH 的下降,肌肉中蛋白质之间的相互作用减少,导致肌球蛋白和肌动蛋白间隙缩小,使水

分被压缩至肌浆,导致细胞质渗透压减小,水分渗透流失;此外,根皮素还可以减少肉鸡热应激条件下机体

内氧化自由基的产生,降低了自由基对肌肉组织和细胞膜的破裂损伤,减少细胞内水分流失,提高了肌肉

的保持水分的能力[14-15]。

本试验中观察到在热应激状态下肉鸡体内 MDA显著提高,这是由于长时间处于热应激环境下,畜禽

机体内会产生大量的活性氧(ROS)等具有强氧化作用的自由基,这些自由基会作用于脂质发生氧化反

应,从而产生 MDA,MDA会引起蛋白质、核酸等产生交联聚合作用,从而造成机体和组织细胞的损害和

代谢紊乱[16-17]。根皮素能够通过氧化还原信号通路(如 NF-κB/MAPKs和 LKB1/AMPK通路等)去除体

16 安徽科技学院学报 2024年

内多余的ROS,增强体内脂质过氧化的能力,减少 ROS对细胞的损伤,增加细胞抗氧化能力[18-19]。Yang

等[16]研究表明,根皮素具有降低细胞内氧化自由基和 MDA 水平、提高 GSH-Px活性的能力。这与本试

验测定结果是一致的。由于 MDA对细胞的损害,抗氧化物的合成受到影响,机体内CAT、GSH、GSH-Px

等抗氧化物含量较低[20-21]。而日粮中添加根皮素提高了机体的抗氧化能力,清除了机体内大量氧化自由

基,减少了 MDA的产生,不同程度提高了机体内CAT、GSH、GSH-Px等抗氧化物的水平,T-AOC水平

升高。

综上,饲料中添加根皮素可有效改善鸡肉系水力等肉质指标,缓解热应激对肉鸡腿肌肉品质及抗氧化

性能的影响,且以添加200mg/kg较为适宜。

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(责任编辑:顾文亮)

第38卷第1期 王昆平,等:根皮素对热应激肉鸡腿肌肉品质和抗氧化性能的影响 17

安徽科技学院学报,2024,38(1):18-23

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2022-11-30

基金项目:国家自然科学基金(31802242);安徽省自然科学基金(2008085QC146);安徽省高校自然科学研究重点项目(2022AH051640,

2023AH051885);安徽科技学院人才引进项目(ZRC2014447);安徽省重点研究与开发计划项目(202004a06020050);国家级大学

生创新创业训练计划项目(202110879063);安徽省大学生创新创业训练计划项目(S202110879178)。

作者简介:顾成霞(2002-),女,安徽宣城人,本科生,主要从事兽医药理和毒理学研究,E-mail:3558329467@qq.com。

通信作者:李磊,副教授,E-mail:lil@ahstu.edu.cn。

镉诱导雏鸡肝脏的损伤作用

顾成霞1, 王 艳1, 张 宇1, 唐中齐1, 叶瑞旗1,

汪梦杰1, 刘 畅1,2,3, 曹迷霞1,2, 李 磊1,2,3*

(1.安徽科技学院 动物科学学院,安徽 凤阳 233100;

2.动物营养调控与健康安徽省重点实验室,安徽 凤阳 233100;

3.农业农村部猪肉质量安全控制重点实验室,安徽 凤阳 233100)

摘 要:目的:旨在观察镉对雏鸡肝脏的损伤作用,为预防、治疗和诊断镉致雏鸡肝损伤提供依据。方法:

200只1日龄健康爱拨益加雏鸡随机分为空白对照组、CdCl2 处理组(低、中、高剂量),每组5个重复,每个

重复10只。CdCl2 处理组分别灌服35、70、140mg/kg·BW 的CdCl2 溶液。雏鸡染镉24h后,心脏采血

处死动物并分离肝组织,利用苏木精-伊红染色观察肝组织病理变化,测定血清中转氨酶活性与肿瘤坏死

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

量,比色法测定肝组织中氧化应激指标。结果:35、70mg/kgCdCl2 处理可引起雏鸡血清中转氨酶活性显

著提高(P<0.01),雏鸡肝细胞出现空泡变性、炎性浸润和细胞坏死等病理改变;GSH 含量、SOD活性显

著降低(P<0.01),MDA含量急剧升高(P<0.01),血清中炎性细胞因子IL-1β、IL-6与 TNF-α含量显著

升高(P<0.01)。结论:CdCl2 可导致雏鸡肝组织出现氧化应激,并伴随炎症反应。

关键词:镉;雏鸡;肝损伤;氧化应激

中图分类号:S859.87 文献标志码:A 文章编号:1673-8772(2024)01-0018-06

开放科学(资源服务)标识码(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

镉是毒性很强的环境污染物之一[1],为人和动物非必需元素。自然界中,镉元素主要以化合态形式存

在,常与铅、汞等元素伴生。镉是动物性食品中主要污染物之一,动物常因采食受污染饲料而富集在组织

内,随着食物链最终进入人体。中国环境中镉污染日趋严重[2],被镉污染的空气、土壤和食品对人体危害

严重,会导致人产生骨痛、自发性骨折、骨缺损等危害[3]。镉对人和其他哺乳动物所有的组织器官都具有

严重毒性,如肝、肾、睾丸等[4]。镉的毒性作用常表现为抑制 DNA 修复酶的活性、氧化应激、细胞死亡

等[5],虽然镉不能直接造成氧化应激损伤,但镉可以消耗大量谷胱甘肽(Glutathione,GSH),抑制抗氧化

酶活性,导致活性氧(ReactiveOxygenSpecies,ROS)的大量生成,并伴随丙二醛(Malondialdehyde,

MDA)等脂质过氧化产物显著增加[6],其毒性与接触的时间、物质的剂量、接触途径等有关。

肝脏具有排泄和分泌胆汁、造血等功能。作为动物机体内最重要的解毒器官,血液流经肝脏时,部分

有害的物质可被肝脏中产生的酶分解排出体外。镉进入机体,在体内形成镉-硫蛋白[7],经过血液循环选

择性地在肾脏和肝脏中蓄积。肝脏是镉的主要的靶器官之一,镉可造成严重的肝脏损伤[8]。因镉暴露时

间与剂量的差异,导致不同组织器官中镉的蓄积含量有所不同,继而产生的毒性效应存在差异。以往的研

究更多关注镉对啮齿动物肝脏及肾脏功能的毒性作用,对镉暴露引起家禽毒性的研究相对较少。本试验

以雏鸡为研究对象,观察镉暴露对雏鸡肝组织病理变化的影响,以期为预防和治疗镉致雏鸡肝损伤提供试

验依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 药品与试剂 氯化镉(CdCl2,纯度>98%)购于美国sigma公司;天门冬氨酸氨基转移酶

(AspartateTransaminase,AST)、丙氨酸氨基转移酶(AlanineTransaminase,ALT)、还原型谷胱甘肽

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

测试剂盒均购自南京建成生物工程研究所;白细胞介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)、IL-6、肿瘤坏死因子α

(TumourNecrosisFactor-α,TNF-α)试剂盒购自武汉华美生物公司,其他试剂均为分析纯。

1.1.2 试验动物 200只1日龄爱拨益加雏鸡由江苏广大畜禽有限公司提供,适应性饲养3d,期间自由

采食与饮水。

1.2 试验方法

1.2.1 试验分组与处理 将200只1日龄爱拨益加雏鸡适应性饲养3d后,随机分成4组,每组5个重

第38卷第1期 顾成霞,等:镉诱导雏鸡肝脏的损伤作用 19

复,每个重复为10只。空白对照组灌胃生理盐水,染毒组按表1一次性灌胃不同剂量的CdCl2 溶液。

表1 试验分组与处理

Table1 Groupsandtreatments

分组 动物数/只 染毒剂量/(mg/kg)

空白对照组 50 -

低剂量CdCl2 组 50 35

中剂量CdCl2 组 50 75

高剂量CdCl2 组 50 140

1.2.2 样品采集与处理 雏鸡染毒24h后,心脏采血处死动物,血液室温静置1~2h,待血液充分凝固

后,在2000r/min条件下离心10min,吸取上层血清,分装到无菌的1.5mL离心管中,置于-20℃保存

备用;迅速剖解动物,分离肝脏,在每只动物肝脏相同部位取大小适当的一份组织置于4%中性多聚甲醛

溶液进行固定处理,用于组织病理学检测,另取数份组织经液氮迅速冷冻后转入-80℃冰箱保存备用。

1.3 测定项目及分析方法

1.3.1 血清转氨酶活性测定 按照试剂盒说明操作测定血清中 ALT与 AST活性,将测定结果带入标

准曲线计算各样本中 ALT、AST活性。

1.3.2 肝脏组织病理学观察 摘取雏鸡肝脏部分叶片,置4%中性多聚甲醛进行固定,不同浓度梯度乙

醇进行脱水处理24h,肝组织快速脱水后,用二甲苯透明10min,石蜡包埋,制成5μm 厚的切片,将制好

的切片采用苏木精-伊红染色(Hematoxylin-eosinStaining,H&E),光学显微镜下观察肝细胞的病理学

变化。

1.3.3 抗氧化指标的测定取 100mg肝组织加入0.9mL生理盐水,冰浴条件下制备组织匀浆,2500r/min

离心10min,吸取上清液后按照试剂盒说明书测定SOD活性和 GSH、MDA含量,并以样品的蛋白浓度

对结果进行校正。

1.3.4 血清中细胞因子含量的检测 血清在室温下融化,2500r/min离心10min,吸取上层样品,严格

按照ELIAS试剂盒说明书步骤操作。将测定结果带入标准曲线计算各样本中TNF-α、IL-1β与IL-6质量

浓度。

1.3.5 数据处理和统计学分析 结果以“平均数±标准差”表示,采用SPSS22.0软件对试验数据进行单

因素 ANOVA分析,多重比较采用LSD检验,P<0.05表示差异显著,P<0.01表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 临床症状观察

雏鸡经适应性饲养后,给予不同剂量CdCl2,随后观察染毒雏鸡的一般状况发现,高剂量组(140mg/kg)

雏鸡染镉后,精神沉郁,反应迟钝,8h后该组试验动物陆续死亡,中、低剂量组(35、70mg/kg)试验动物精

神略显沉郁,无其他明显中毒症状。鉴于高剂量组镉毒性过大,造成多数动物直接死亡,故本研究主要测

定了中、低剂量染镉组的相关指标。

2.2 镉对肝脏组织结构的影响

正常肝组织中,肝细胞以中央静脉为中心,向周围呈现放射状的排列方式,形成细胞厚度的细胞板,称

为肝板,肝板之间以肝血窦相连。如图1所示,利用 H&E染色观察肝组织的病理变化(图1),空白对照

组雏鸡肝脏组织细胞排列整齐,染色均一,未发现明显病理变化。35mg/kgCdCl2 组处理24h中出现细

胞核成块聚集,染色不清晰,肝小梁拥挤。70mg/kgCdCl2 组处理24h中空泡增多肝窦受压变窄,伴有

出血的现象,中央静脉周围有少量炎性细胞浸润。肝细胞疏松,出现不同程度的肿胀。140mg/kgCdCl2

组处理24h中细胞局部病灶坏死明显,肝小梁排列受到破坏,细胞核皱缩加剧,有少量出血现象。肝组织

进行染镉处理后均出现明显的病理变化,如细胞边界模糊,肝细胞中出现空泡,炎症和凋亡增多。说明镉

染毒处理对肝细胞结构出现破坏作用。

20 安徽科技学院学报 2024年

图1 CdCl2 对雏鸡肝脏组织结构的影响

Fig.1 EffectsofCdCl2onthehistologicalstructureofchickenliver

注:A为空白对照组;B为35mg/kgCdCl2 处理24h;C为70mg/kgCdCl2 处理24h;D为140mg/kgCdCl2 处理24h。“→”指示

出血;“→”指示细胞坏死;“→”指示细胞核破碎。

2.3 镉对雏鸡血清中ALT/AST活性的影响

ALT和AST是存在于肝细胞内的2种转氨酶,正常情况下血液中浓度很低。当肝细胞发生损伤时,细

胞通透性发生改变,ALT和AST释放到血液中[9]。本试验中,雏鸡染镉24h后,采用赖氏比色法检测镉损

伤雏鸡肝脏血清中ALT与AST的活性,结果如图2所示。与空白对照组对比,35mg/kg与70mg/kgCdCl2

处理组雏鸡血清 ALT与 AST的活性均显著上升(P<0.01),表明CdCl2 可造成雏鸡肝脏损伤。

图2 CdCl2 对雏鸡血清转氨酶活性的影响

Fig.2 EffectsofCdCl2onserumtransaminaseactivityinchickenserum

注:**表示与空白对照比较差异极显著,P<0.01。下同。

2.4 镉对雏鸡肝脏氧化应激的影响

SOD是肝脏内重要的抗氧化酶,MDA是膜脂质过氧化中重要的产物。当机体出现镉中毒时,组织器

官内的抗氧化系统遭到破坏,其中脂质过氧化物的代谢减慢,过氧化作用增强,造成肝脏的氧化损伤[10]。

采用比色法,检测镉致雏鸡肝脏氧化应激损伤情况,结果如图3所示,同空白对照组相比,35、70mg/kg

CdCl2 处理组GSH 含量和SOD活性均显著下降(P<0.01),MDA含量显著提高(P<0.01),说明CdCl2

造成雏鸡肝脏氧化应激损伤。

图3 CdCl2 对雏鸡肝脏氧化应激损伤作用

Fig.3 EffectsofCdCl2onoxidativestressinjuryinchickenliver

第38卷第1期 顾成霞,等:镉诱导雏鸡肝脏的损伤作用 21

2.5 镉对雏鸡炎症反应的影响

IL-1β、IL-6和TNF-α能够诱导局部发生炎症反应,并调节免疫功能[11],促炎递质会刺激巨噬细胞释

放大量的IL-1β、IL-6和TNF-α等细胞因子[12]。同时,肝脏是产生和清除细胞因子的主要场所,肝脏产生

炎症可影响细胞因子代谢,对细胞因子清除作用显著降低,造成局部聚集。通过ELISA测定血清IL-1β、

IL-6与TNF-α的含量,结果如图4所示。同空白对照组相比,35mg/kg与70mg/kgCdCl2 处理组血清

的IL-1β、IL-6与TNF-α均极显著上升(P<0.01),表明镉染毒处理可以造成肝组织发生炎症反应,导致

肝脏出现损伤。

图4 CdCl2 对雏鸡血清中IL-1β、IL-6与TNF-α质量浓度的影响

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

3 结论与讨论

镉的主要毒性靶器官之一为肝脏,可以引起肝脏产生严重的损伤甚至导致肝细胞坏死。AST 和

ALT是检测肝功能损伤的重要指标[13]。ALT参与机体蛋白质代谢,可加速氨基酸的转移。AST可促进

蛋白质转氨基作用[14]。由于镉造成的肝脏损伤,导致肝细胞膜结构发生改变[15],产生一系列的损伤表

现,肝细胞膜通透性增加,ALT和 AST被释放入血液,引起血清中转氨酶的含量升高。本试验中,将雏鸡

肝脏染镉24h后进行采样处理检测,因高剂量CdCl2 组毒性剂量过大,造成多数动物死亡,故此试验主要

检测空白对照组、35mg/kgCdCl2 组、70mg/kgCdCl2 组相关数据。观察可得35mg/kgCdCl2 组、

70mg/kgCdCl2 组相较于空白对照组中血清 AST/ALT的活性显著升高(P<0.01),说明肝损伤模型建

造成功[16]。对肝组织进行 H&E染色镜下观察到35mg/kgCdCl2 组、70mg/kgCdCl2 组、140mg/kg

CdCl2 组开始出现明显的病理变化,细胞边界模糊,肝细胞中出现空泡,炎性细胞和凋亡细胞增多。说明

急性镉中毒引起雏鸡肝细胞组织结构受到损伤。

研究表明,急性镉中毒时,机体组织器官内抗氧化系统遭到破坏[17],对体内脂质过氧化物的清除能力

降低,导致细胞膜脂质的过氧化作用增强,进而造成肝脏的氧化损伤[18]。SOD作为体内重要的抗氧化

酶,能够特异地清除体内有毒自由基等物质,缓解自由基对机体的严重损害[19],本试验中35mg/kgCdCl2

组、70mg/kgCdCl2 组中SOD活性同空白对照组相比显著降低(P<0.01),活力明显受到抑制,说明染

镉使肝细胞的抗氧化能力受到一定的抑制作用。GSH 作为重要的抗氧化剂,能够维持机体正常的免疫作

用,并具有解毒、抗氧化的功能。GSH 在体内可以通过拮抗氧自由基的毒性作用,清除体内超氧阴离子及

其他自由基,防止肝细胞受损。镉可导致肝细胞内 GSH 消耗增加[20],在本试验中,与空白对照组相比,

35mg/kg和70mg/kgCdCl2 处理组GSH 水平显著降低(P<0.01),说明镉导致了肝细胞的氧化损伤。

膜脂质过氧化最重要的产物是 MDA

[21],通过 MDA含量的变化可了解膜脂质过氧化的程度,其含量的高

低间接表达出细胞损伤的程度。本试验中,35mg/kg和70mg/kgCdCl2 处理组中雏鸡肝脏 MDA含量

显著高于空白对照组(P<0.01),表明急性镉染毒促进肝脏脂质的过氧化,这与何亚兰等[20]、Andjelkovic

等[22]的研究结果一致。

炎症细胞因子参与并介导炎症反应,是通过一系列化学因子的作用来实现的,主要直接损伤血管内

皮,导致血管通透性增加,使肝脏内的单核细胞释放出大量IL-6、IL-1β、TNF-α等其他有关炎症因子[23],

引起体温升高、疼痛、白细胞渗出、血管扩张、通透性增加、过敏反应等主要炎症反应,严重的可导致多组织

器官急性衰竭或死亡等。肝脏作为清除和产生细胞因子的主要场所,炎症反应会影响相关炎症因子的代

谢作用,对细胞因子的清除作用减弱,而使血清中的细胞因子增多。本试验结果表明,35mg/kgCdCl2 组

22 安徽科技学院学报 2024年

和70mg/kgCdCl2 组雏鸡血清中IL-1β、TNF-α和IL-6均呈现显著增加(P<0.01),说明镉进入体内到达肝

脏造成机体产生损伤,引起组织中的单核巨噬细胞产生大量的细胞因子,细胞因子在肝脏内进行细胞免疫调

节反应,诱导急性期反应蛋白产生,从而引起肝脏组织发生炎性反应[24],同时伴随临床症状的出现。

综上,肝脏作为急性镉中毒重要的靶器官之一,进入机体内可以使肝脏的抗氧化系统遭到破坏,体内

脂质代谢增加,进而造成肝脏的氧化损伤。本试验对于重金属镉暴露的机制研究提供试验数据支持,为更

好地预防家禽肝脏镉中毒提供了参考。

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(责任编辑:顾文亮)

第38卷第1期 顾成霞,等:镉诱导雏鸡肝脏的损伤作用 23

安徽科技学院学报,2024,38(1):24-31

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-04-17

基金项目:矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室(KLM201801)。

作者简介:郭辉(1979-),男,湖南常德人,博士,副教授,主要从事高光谱弱信息反演研究,E-mail:150869850@qq.com。

基于植被指数与连续小波变换的

玉米叶片Cu2+ 含量反演

郭 辉1,2,3, 戴志林2,3, 石 海2,3

(1.矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室,河南 焦作 454003;

2.矿山空间信息技术河南省重点实验室,河南 焦作 454003;

3.安徽理工大学 空间信息与测绘工程学院,安徽 淮南 232001)

摘 要:目的:确定Cu2+ 污染胁迫下玉米叶片Cu2+ 含量最优反演模型。方法:以室内盆栽玉米为研究对

象,在采集不同胁迫梯度下玉米叶片光谱以及同期叶片Cu2+ 含量的基础上,通过遍历计算出两波段原始

光谱植被指数,并将其与叶片 Cu2+ 含量进行相关性分析;利用0.1~0.9阶、1.1~1.9阶与1~4阶共

22种光谱微分预处理重采样后的光谱数据,经连续小波变换后分析小波系数与叶片Cu2+ 含量之间的相

关性;根据相关性分析提取最优植被指数与最优小波系数,建立反演模型。结果:植被指数与叶片Cu2+ 含

量显著相关,最优波段组合分别为:DI(621.5nm,1889.2nm)、RI(482.2nm,1418.5nm)、NDVI(666.3nm,

1917.2nm)、RNDVI(621.5nm,1889.2nm),其光谱特征均集中在可见光与近红外波段附近;小波系数

也与叶片Cu2+ 含量之间具有良好的相关性,其敏感波段位于400、600、900、1200、2400nm 附近,与最优

植被指数敏感波段一致。经0.9阶光谱微分预处理后得到的小波系数与叶片Cu2+ 含量相关系数最大,为

0.88;通过相关性分析提取最优植被指数和最优小波系数,以植被指数与不同阶微分变换的连续小波变换

提取的小波系数为自变量,建立线性反演模型,其中利用最优植被指数建立的反演模型精度最高,模型最

稳定,RMSE为4.97μg/g。结论:植被指数和连续小波变换两种方法在农作物重金属污染监测方面具有

重要的参考价值,应用前景广阔。

关键词:高光谱遥感;铜污染胁迫;植被指数;连续小波变换;反演模型

中图分类号:X87 文献标志码:A 文章编号:1673-8772(2024)01-0024-08

开放科学(资源服务)标识码(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

中国年产铜量位居世界前列,是铜消费大国[1]。由此产生的铜污染物以气体、液体、固体的形式释放

到土壤中,造成土壤重金属铜含量超过正常指标[2]。铜是农作物生长发育的必需微量元素,但在重金属铜

污染胁迫下农作物会产生多种应对机制,在农作物体内以Cu2+ 的形式累积[3],不仅影响农作物产品质量,

而且会通过食物链进入人体诱发疾病[4]。因此,快速、有效、准确地反演农作物体内Cu2+ 含量具有重要

意义。

高光谱遥感技术不仅可以提供精细光谱以识别农作物健康状况,并且可以大面积动态无损监测农作

物污染程度[5]。光谱微分技术在光谱预处理方面具有广泛的应用。Tian等[6]利用分数微分显著提高光

谱反射率与土壤含盐量的相关性。刘来等[7]发现二阶微分比一阶微分处理的油菜叶片镉反演模型拟合度

效果更佳。但对比整数阶微分与分数阶微分的研究较少。同时,植被指数通过不同波段相互组合以增强

光谱特征;连续小波变换可以探测光谱中隐藏的信息。在农作物重金属污染监测中这两种方法具有广泛

的应用。Zhang等[8]结合归一化差异植被指数(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)和归一

化差分水指数(NormalizedDifferenceWaterIndex,NDWI)构建的相对表相指数(RelativePhenophase

Index,RPI)在水稻区域重金属污染方面取得较好应用。张静静等[9]发现红边位置(RedEdgePosition,

REP)、绿波段归一化差异指数(GreenBandNormalizedDifferenceVegetationIndex,GNDVI)、比值植被

第38卷第1期 郭 辉,等:基于植被指数与连续小波变换的玉米叶片Cu2+ 含量反演 25

指数(RatioVegetationIndex,RVI)、Vogelmann红边指数(VogelmannRedEdgeIndex,VOGI)和地面叶

绿素指数(MerisTerrestrialChlorophyllIndex,MTCI)均可作为水稻叶片铜含量敏感指数。Liu等[10]通

过与小波变换耦合,发现可以隔离水稻Cd胁迫的影响与其他突发胁迫源。李梦洁等[11]证明经过连续小

波变换后得到的小波系数与芦苇叶片总汞含量的相关系数与构建的反演模型拟合效果均有所提高。

本研究以盆栽玉米为研究对象,首先经遍历计算得到两波段光谱植被指数;然后采用光谱微分技术对

重采样后的光谱进行预处理,利用连续小波变换得到小波系数;最后讨论不同阶光谱微分在光谱预处理中

的效果,并通过相关性分析提取最优植被指数与最优小波系数。以最优植被指数与最优小波系数为自变

量,建立单因素变量回归模型,筛选一个高度稳健的监测反演模型,为受重金属污染胁迫的农作物反演其

叶片重金属含量提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

以‘中糯一号’玉米品种作为研究对象,优选籽粒饱满、大小均匀的种子进行重金属胁迫土培试验。用

CuSO4 溶液作为玉米Cu2+ 胁迫源,并以逐层喷洒、翻土混合的方式加入培育的土壤中。2016年5月将完

成催芽后的玉米种子浅埋于不透水花盆的土壤中。设置4个 CuSO4 浓度梯度,分别为0、100、300、

500μg/g。每个浓度梯度设置3组平行试验,分别标记为 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。玉米培育期间保持每天通风换气,出苗后定期浇灌 NH4NO3、KH2PO4 和 KNO3 营养液。除了

土壤中的Cu2+ 浓度不同,所有盆栽玉米均在同一室内条件下培育。

1.2 玉米叶片光谱采集及Cu2+ 含量测定

使用美国SVC公司生产的SVCHR-1024I全波段地物光谱仪,在室内密闭的环境下采集玉米在不同

Cu2+ 胁迫下的叶片光谱数据,光谱范围为350~2500nm。以50W 卤素灯为光源置于平台两侧,使用4°

视场角的探头垂直于玉米叶片表面,探头距离叶片表面50cm。为了避免因光源强度分布不均匀导致暗

电流噪声影响光谱数据质量,每次测量玉米叶片光谱前,先用白板进行标准化处理,然后使用光谱仪连续

测量玉米叶片反射光谱3次,由内置软件自动平均3次测量值并平滑后得到每种Cu2+ 胁迫浓度的玉米叶

片光谱。

将采集完光谱的玉米叶片洗净后放至烘箱烘烤至质量恒定,用剪刀剪成小块装入样品袋并贴上标签。

预处理后,采用 WFX-120原子吸收分光光度计测定玉米叶片样品 Cu2+ 含量,每份叶片样品平均分成

3份,将测出的Cu2+ 含量取平均值,得到玉米叶片样品Cu2+ 含量。

1.3 植被指数构建

通过不同光谱波段组合运算所构建的植被指数,可以增强光谱波段的某些隐藏信息。目前,植被指数

是监测农作物重金属污染的常用方法[12-13]。本研究通过遍历算法,计算在340~2500nm 波段范围内任

意2个波段组合的常用植被指数:差值指数(DifferenceIndex,DI)、比值指数(RatioIndex,RI)、归一化植

被指数(NormalizedVegetationIndex,NDVI)、重新归一化差异植被指数(Re-normalizeDifferenceVegetationIndex,RNDVI)。计算公式如式(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 为任意两波段光谱反射率。

26 安徽科技学院学报 2024年

1.4 光谱变换

光谱预处理在光谱分析中占有非常重要的地位。微分变换是一种常用的光谱预处理技术,具有细化

光谱信息、放大光谱吸收特征的作用[15]。本研究将原始光谱反射率重采样为1nm采样间隔,使用常用的

Grunwald-Letnikov微分变换进一步处理。计算公式如式(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 为Gamma函数;n为常数参数;α为任意阶数。

连续小波变换可以抑制光谱噪声、提取微弱光谱信号,是通过平移和缩放的母小波函数与光谱数据进

行卷积运算,得到不同尺度下的小波系数[17]。本研究利用Db5小波将微分处理的光谱进行分解,选取第

5层小波系数用以提取和增强叶片光谱中重金属污染弱信息[18]。通过与叶片Cu2+ 含量进行相关性分析,

确定微分变换中最优变换阶数。连续小波变换公式如式(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 分别为光谱反射率的起始和终止波段;Ψa,b(λ)为平移和缩放后的母小波函数;a 为缩放因

子;b为平移因子;WFa,b 为小波系数。

1.5 模型构建及评价方法

通过分析植被指数和小波系数与玉米叶片Cu2+ 含量的相关性,将选取的最优植被指数和最优小波系

数作为自变量,玉米叶片Cu2+ 含量作为因变量,构建线性回归模型。采用决定系数(R2)和均方根误差

(RootMeanSquareError,RMSE)对回归模型精度进行评价。即R2 值越大,模型的稳定性越好;RMSE

值越小,模型的准确性越高。计算公式如式(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为样本数量;yi、yj 为实测值和预测值;yi、yj 为实测值和预测值的均值。

2 结果与分析

2.1 植被指数与叶片Cu2+ 含量的相关性

将计算的植被指数与玉米叶片Cu2+ 含量进行相关性分析以筛选敏感波段,结果如图1所示。其中,

比值指数(RI)相关性最优,其次为归一化植被指数(NDVI)与重新归一化差异植被指数(RNDVI),差值指

数(DI)相关性较差。DI中组合较好的波段为340~760nm与1790~2050nm;RI中组合较好的波段为

340~760nm与750~1450nm;NDVI中组合较好的波段为400~1780nm与1780~2050nm;RNDVI

中组合较好的波段为340~750nm与750~2500nm。构建的4种植被指数中,与玉米叶片Cu2+ 含量相

关性最好的波段组合分别为DI(621.5nm,1889.2nm)、RI(482.2nm,1418.5nm)、NDVI(666.3nm,

1917.2nm)、RNDVI(621.5nm,1889.2nm)均为可见光与近红外波段的组合。RI与玉米叶片Cu2+ 含

量的相关系数为0.97,其他植被相关系数均在0.90以上。为构建最佳反演模型选取比值指数(RI)用于

模型构建。

2.2 光谱变换曲线

为了便于对光谱数据进行微分处理,将玉米叶片原始光谱重采样为1nm 采样间隔。对重采样的叶

第38卷第1期 郭 辉,等:基于植被指数与连续小波变换的玉米叶片Cu2+ 含量反演 27

片光谱作0.1~0.9阶、1.1~1.9阶与1~4阶共22种光谱微分处理后,发现0.9阶微分处理后的光谱与

玉米叶片Cu2+ 含量相关性最优。随后使用Daubechies小波系中的“Db5”小波基函数对Cu2+ 污染胁迫下

的玉米叶片光谱进行异常信号探测[21]。结果如图2所示,从上至下依次为玉米叶片光谱反射率、0.9阶光

谱微分处理和连续小波变换。玉米叶片光谱反射率具有典型农作物叶片光谱特征:在550nm 附近因光

合色素对绿光的强烈反射形成绿峰;在650nm附近因叶绿素对红光的吸收形成红谷;在750nm 附近因

反射率急剧上升形成农作物叶片光谱最明显的红边特征;在760~1250nm 附近受叶片细胞内部结构影

响形成一个高反射平台;在1300、1900nm附近呈现2个明显的水吸收带[22]。经过0.9阶光谱微分处理

的叶片光谱在500、700、1350、1900nm 附近有明显的吸收特征,与植被指数中与玉米叶片Cu2+ 含量相

关性较好的波段组合一致,但仍存在较多噪音。使用连续小波变换可以平滑噪声,进一步突出叶片反射光

谱局部细节信息,增强叶片反射光谱特征[23]。与0.9阶光谱微分处理相较增加400、600、900、1200、2400nm

特征波段。

图1 植被指数与玉米叶片Cu2+ 含量的相关性

Fig.1 CorrelationbetweenvegetationindexandCu2+ contentincornleaves

2.3 敏感小波系数筛选

经过22种光谱微分处理的光谱曲线进行连续小波变换,将得到的小波系数与玉米叶片Cu2+ 含量进

行相关性分析,根据相关系数的大小筛选最优光谱微分的阶数与最优小波系数。如图3所示,不同阶数的

光谱微分处理得到的小波系数与玉米叶片Cu2+ 含量相关系数具有明显的规律。敏感小波系数主要集中

在400、750、1300、1900nm附近。随着光谱微分阶数的增加敏感波段会向红光波段偏移,出现“红移”现

象。其中,经0.9阶光谱微分处理得到的小波系数与玉米叶片Cu2+ 含量具有最优的相关性,相关系数达

0.88,对应的波段为829nm。将筛选得到的最优小波系数用于模型构建。

2.4 玉米叶片Cu2+ 含量反演模型的构建

通过相关性分析发现,最优植被指数和最优小波系数与叶片 Cu2+ 含量的相关系数分别为0.97和

28 安徽科技学院学报 2024年

0.88。因此,可以认为,最优植被指数和最优小波系数均可以用于玉米叶片Cu2+ 含量的高精度反演,且植

被指数效果更优。选取试验中第1和第2组数据用于模型的构建,将玉米叶片Cu2+ 含量作为因变量,最

优植被指数和最优小波系数分别进行单因素和双因素变量回归建模。反演建模结果如表1所示,反演模

型中单因素植被指数模型与双因素模型的稳定性相当,单因素小波系数反演模型稳定性较差,但R2 均在

0.70以上,具备较强的反演潜力。

图2 叶片光谱特征

Fig.2 Bladespectralreflectance

图3 不同阶数微分后的小波系数与玉米叶片Cu2+ 含量的相关性

Fig.3 CorrelationbetweenthewaveletcoefficientsofdifferentorderdifferentiationsandCu2+ contentincornleaves

表1 玉米叶片Cu2+ 含量反演模型

Table1 InversionmodelofCu2+ contentincornleaves

自变量 反演模型 R2

V Y=859.72V-677.76 0.92

W Y=589.70W+43.70 0.73

注:V 为最优植被指数;W 为最优小波系数;Y 为叶片Cu2+ 含量。

为了验证构建模型的可靠性和准确度,利用试验所测的第3组数据对构建的反演模型进行验证。将

最优植被指数和最优小波系数应用于相应的反演模型,计算出玉米叶片Cu2+ 含量的预测值。图4为玉米

第38卷第1期 郭 辉,等:基于植被指数与连续小波变换的玉米叶片Cu2+ 含量反演 29

叶片Cu2+ 含量的预测值与实测值的关系图,可以看出,反演模型的预测值与实测值之间存在较强的线性

关系,说明植被指数与小波系数在农作物叶片重金属Cu2+ 含量反演方面具有较好的效果。其中,建立的

最优植被指数单因素模型准确度最高,RMSE为4.97μg/g,表明该反演模型预测的叶片Cu2+ 含量数值

最接近真实值。

图4 玉米叶片Cu2+ 含量实测值与预测值关系

Fig.4 RelationshipbetweenmeasuredandpredictedCu2+ contentincornleaves

3 结论与讨论

利用最优植被指数和最优小波系数构建的单因素反演模型,模型稳定性较强、精度较高,具有一定的

现实可行性。通过遍历计算的植被指数可以增强重金属Cu2+ 污染胁迫下玉米叶片的光谱特征;结合光谱

微分处理和连续小波变换能够有效提取隐藏在光谱中的微弱突变信息。在农作物重金属污染监测方面具

有重要的参考价值,应用前景广阔。本研究以玉米盆栽试验为例,利用采集的叶片光谱提取的植被指数与

小波系数,构建玉米叶片Cu2+ 含量反演模型。

提取的4种植被指数中与玉米叶片 Cu2+ 含量相关性最高的波段组合分别为 DI(621.5nm,

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

谱特征均集中在可见光与近红外波段附近。而小波系数与叶片 Cu2+ 含量敏感波段位于400、600、900、

1200、2400nm附近,与最优植被指数敏感波段一致。微分变换常用于光谱数据的预处理中,可以充分挖

掘高光谱数据的有用信息。通过对玉米叶片光谱数据作0.1~0.9阶、1.1~1.9阶与1~4阶共22种光

谱微分处理,对比了分数阶微分与整数阶微分在提取叶片重金属Cu2+ 含量方面的效果。结果表明,分数

阶微分更能挖掘光谱数据中的潜在信息。其中,由0.9阶微分处理得到的小波系数与叶片Cu2+ 含量相关

性最优。建立的反演模型中,利用最优植被指数建立的单因素回归模型反演精度最高,RMSE 为

4.97μg/g;而最优小波系数建立的单因素回归模型精度较低,RMSE为9.07μg/g。

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(责任编辑:顾文亮)

第38卷第1期 郭 辉,等:基于植被指数与连续小波变换的玉米叶片Cu2+ 含量反演 31

安徽科技学院学报,2024,38(1):32-38

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-06-08

基金项目:国家重点研发项目(2022YFD2301402);安徽省高校自然科学研究项目(2023AH051878;2023AH040280)。

作者简介:李霞(1989-),女,山东烟台人,硕士研究生,主要从事植物入侵机制与防治及农田温室气体减排研究,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的冬小麦

生长动态监测系统

李 霞, 王 泓* , 鲁立江

(安徽科技学院 资源与环境学院,安徽 凤阳 233100)

摘 要:目的:为快速便捷地掌握大范围冬小麦播种、长势及产量信息,及时为农业管理部门的分析决策提

供基础数据。方法:基于C#语言集成 ArcGISEngine组件和IDL函数库,设计冬小麦识别、长势监测及

产量估算等功能模块,研发冬小麦生长动态监测系统。结果:该系统可较为快速地建立冬小麦空间数据

库,便捷地提取冬小麦播种、生长和收获等各个生育期冬小麦农情信息,同时具有功能强大的时空分析和

预测决策辅助功能。结论:实现了包括冬小麦在内的农作物的动态生长监测,可以为管理者提供数据及强

有力的决策支持。

关键词:冬小麦;动态监测;ArcGISEngine;IDL;农作物;产量估算;长势

中图分类号:S852.3 文献标志码:A 文章编号:1673-8772(2024)01-0032-07

开放科学(资源服务)标识码(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

小麦是中国主要粮食作物之一,其播种面积约占粮食作物播种总面积的五分之一,其中冬小麦产量约

占小麦总产量的80%,在中国北方地区,小麦生产占有更重要的地位,其播种面积占总播种面积的二分之

一,因此小麦在中国粮食生产中有着重要的地位。随着中国粮食生产的市场化,农作物的种植面积呈现年

际变化大的特点,及时、准确获取小麦种植面积、空间分布、长势及产量估算信息,可为政府有关部门合理、

快速地制定农业生产管理措施、粮食估产等提供基础数据,已经成为政府及各级管理部门的迫切需求。在

全球经济化时代,农业基础信息不仅关系到中国农业耕地资源的合理利用、农村产业结构的战略调整及农

民生产收入的提高,还关系到粮食生产安全和社会可持续发展问题。

传统的抽样调查、逐级统计上报的工作方法时效性较差、经济成本较高且获取的结果存在较大不确定

性。遥感技术是近些年发展起来的新技术,可以在较短时间内获取较大区域内的地物信息,快速且较为准

确地获取小麦种植各生育期数据。随着遥感数据种类和数量的丰富,它已经成为提取各种作物种植面积

及长势信息的有效手段之一。但是,当前在利用多源遥感数据对小麦进行综合监测和管理的工作仍存在

不足[1-4]:遥感数据量较大,依靠人工手段进行数据处理效率较低;由于操作人员理论基础和实践经验不

同,基于多人协作方式的遥感数据处理标准和规范不能得到有效执行,最终得到的数据处理结果在质量上

存在差异;遥感数据处理流程专业性要求高,非遥感专业人员进行遥感数据处理和实际应用存在困难,缺

乏简单、便捷且自动化程度高的方式。

本研究基于 ArcGISEngine组件和IDL函数库,设计并开发了自动化程度较高、操作较为简捷的冬

小麦监测综合管理系统,开发了冬小麦作物识别、种植面积提取、作物长势信息反演、作物产量估算等模型

和算法,实现了冬小麦管理的若干模块,并在蚌埠地区进行了应用验证和分析。总体而言,本系统可以有

效提高冬小麦种植各环节的数字化管理,并为管理人员提供数据和决策支持。

1 系统设计思路

1.1 ArcGISEngine和IDL集成开发

InteractiveDataLanguage(IDL)是ENVI软件平台下的交互式开发语言,该语言拥有丰富的、面向矩

阵预算的数据分析工具,在图像处理与分析方面具有天然的优势,已广泛应用于地理学、医学、信号学等诸

多领域。IDL语言具有较好的耦合性,对外提供内置函数及功能的COM 开发组件,可快速实现与其他语

言和组件的集成开发[5-6]。

ArcGISEngine是 ArcInfo软件平台提供的 GIS组件库,基于此组件库开发的 GIS软件可完全脱离

ArcGISDesktop独立运行在其他环境下。ArcGISEngine组件包含若干组件和功能类库,可实现对各种

空间数据的处理、存储、显示和分析[7-8]。

本系统基于IDLCOM 组件和ArcGISEngineCOM 组件进行集成开发,该方法可明显减少系统开发

的工作量和周期,为RS和GIS的集成开发提供了最优的解决方案(图1)。系统整体上由主程序和控件组

成,利用C#.NET构建程序的基本界面,通过标准的COM 接口耦合 ArcGISEngine和IDL控件[9-10]。

其中 ArcGISEngine负责空间数据入库、显示、存储及分析等,IDL负责实现遥感数据的处理和栅格运

算[11],所有开发工作在 VisualStudio2012开发环境中进行。

1.2 系统框架

本系统采用3层架构,即应用层、逻辑业务层和数据层。其中,数据层主要负责空间数据和属性数据

的输入输出处理;逻辑业务层主要负责具体业务的逻辑处理,如冬小麦空间分布识别、作物长势反演、冬小

麦产量估算、数据裁剪、拓扑检查、统计输出等业务;应用层针对具体功能和流程设计与用户的交互界面。

总体上的框架设计如图2所示。

第38卷第1期 王 泓,等:基于 ArcGISEngine和IDL的冬小麦生长动态监测系统 33

图1 ArcGISEngine和IDL集成开发

Fig.1 IntegrateddevelopmentofArcGISEngineandIDL

图2 系统基本框架

Fig.2 Theframeworkofthesystem

1.3 系统功能设计

针对冬小麦在不同生育期的特点和主要关注的问题,本系统设计了7个核心功能模块。

数据入库:主要功能是导入各类遥感影像数据、统计数据及样点数据,并将其按照行政区划裁剪、存储

到空间数据库中,同时将属性数据存入到属性数据库中。数据可用性分析:根据用户选择的研究区域及数

据质量要求,在数据库中检索数据是否覆盖研究区域、数据质量是否达到要求(如云量占比)及样点数据是

否已录入等,并给出分析结果和文字报告。识别及面积统计:在数据可用性已完成的情况下,根据研究区

域内冬小麦各生育期的波谱特征,对数据库中的遥感数据进行波段计算,提取用户指定区域内的冬小麦图

斑,利用野外实地采样数据对识别结果进行精度验证和分析,并自动生成分析结果和文字报告。长势信息

提取:在数据可用的条件下,提取研究时段内冬小麦的 NDVI指数,与近5年提取的 NDVI指数和长势参

数相对比,最终得到用户指定区域内的冬小麦长势信息,并自动生成分析结果和文字报告。产量估算:在

统计数据可用的条件下,通过提取的GDVI值和经验模型,计算研究区域内冬小麦的产量,利用研究区域

冬小麦产量统计数据对估算结果进行精度验证和分析,并自动生成分析结果和文字报告。统计分析:结合

冬小麦种植面积、长势信息及冬小麦产量估算结果,给出统计结果和分析决策建议。成果输出:将分析结

果输出为图或表,并打印为纸质材料。系统总体功能模块流程如图3所示。

图3 主要功能模块流程图

Fig.3 Mainmodulesinthesystemandtheoverallflowchart

34 安徽科技学院学报 2024年

1.4 数据库设计

数据库设计主要包括空间数据库和属性数据库,空间数据库主要存储具有空间信息的矢量和遥感数

据,属性数据库主要包含遥感影像元数据(表1)、统计信息(表2)和物候信息(表3)等。

遥感影像元数据主要描述数据库中遥感数据的基本信息,为数据可用性分析模块提供基本信息,提取

研究区域内遥感影像数据覆盖度、质量等信息,判断数据是否满足下一步操作要求。

表1 遥感影像元数据

Table1 Themetadataofremotesensingdataset

字段名称 字段代码 字段类型 字段长度

影像编号 ImgID String 100

分辨率 Resolution Double 50

最大X坐标 Xmax Double 50

最小X坐标 Xmin Double 50

最大 Y坐标 Ymax Double 50

最小 Y坐标 Ymin Double 50

影像质量 Quality Double 10

过境时间 Time Date -

年度冬小麦统计信息主要为近5年冬小麦的年鉴数据,包括冬小麦播种面积、长势及产量统计等信

息,这部分数据主要用于构建冬小麦长势及产量估算模型。

表2 年度冬小麦统计信息

Table1 Theannualstatisticsofwinterwheat

字段名称 字段代码 字段类型 字段长度

时间 Year Int 4

行政区划 Location String 50

区划代码 Lnum Long 6

面积 Area Double 50

长势 Gmom Double 50

长势描述 GmomDes String 10

产量 Yield Double 50

物候信息主要用于存储研究区域冬小麦各生育期的起始时间,该数据主要用于冬小麦播种面积及分

布提取分析。由于不同区域冬小麦各生育期的时段存在明显差异,在进行分析时应根据当地的物候信息

相应调整冬小麦返青期、成熟期等对应的时段。

表3 物候信息表

Table3 Thephenologicalinformation

字段名称 字段代码 字段类型 字段长度

行政区划 Location String 50

区划代码 Lnum Long 6

播种期开始时间 SowSTime Date 8

播种期结束时间 SowETime Date 8

返青期开始时间 RegSTime Date 8

返青期结束时间 RegETime Date 8

灌浆期开始时间 GroutSTime Date 8

灌浆期结束时间 GroutETime Date 8

收获期开始时间 HarvSTime Date 8

收获期结束时间 HarvETime Date 8

2 系统核心算法

归一化植被指数(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)是衡量地表覆盖情况及植被生长

情况的重要指标,已经被广泛用于地表植被分类、环境监测及农作物识别等领域。在本系统中,冬小麦作

物识别、长势信息提取及产量估算等核心模块都用到了该指数,其计算方法如式(1):

第38卷第1期 王 泓,等:基于 ArcGISEngine和IDL的冬小麦生长动态监测系统 35

NDVI=

ρNIR -ρRED

ρNIR +ρRED

(1)

其中,ρNIR 和ρRED 分别表示近红外波段和红光波段的反射率。

2.1 冬小麦识别算法

小麦不同生育期内 NDVI会不断变化,因此 NDVI可很好地反应植被的覆盖区域、生长状况及物候

信息。本系统采用 MODIS时序数据,通过提取冬小麦在出苗、分蘖、返青、成熟等生育期的 NDVI,获取

冬小麦种植面积、分布区域及生长状况等信息。通过对 MODIS-NDVI时间序列曲线的特征分析,对地表

覆盖类型及植被生长情况进行监测和统计[12]。

由于受前期数据处理过程的影响,NDVI中包含一定的噪音,造成 MODIS-NDVI时间序列曲线出现

异常波动,影响冬小麦物候信息的提取[13-14]。本系统在利用 NDVI提取冬小麦相关信息时,采用

Savitzky-Golay滤波方法对冬小麦时间序列曲线进行了预处理,滤波后的时间序列曲线不仅去除了噪声

的干扰,而且保留着曲线原有的基本形状,使得曲线的形状特征更加突出。

2.2 冬小麦长势信息提取算法

基于上述模型提取冬小麦种植面积及空间分布后,可进行冬小麦长势监测分析。本系统利用 NDVI

年际差值模型提取冬小麦长势信息[15-16]。具体而言,主要包括以下几个步骤:首先,在冬小麦不同生育

期,求取近5年同一时段 NDVI均值;然后利用年际差值模型,用当前年度同一时段的 NDVI值减去前

5年 NDVI均值。计算方法如式(2):

G=NDVInow -NDVI5mean (2)

其中,NDVInow 为当前年度不同生育期提取的 NDVI值,NDVI5mean 为前5年求取的同一生育期内冬小麦

NDVI均值。获取所有生育期G值后,对求取结果进行重新分类,将较前5年冬小麦长势分为“好于”“持

平”“差于”等3个等级,最终实现对当前冬小麦长势的评价。

2.3 冬小麦产量估算算法

叶绿素含量及变化是衡量冬小麦光合作用强度的重要标志,准确提取叶绿素含量及变化信息是冬小

麦遥感估产的关键。在光谱特征分析中,叶绿素a、叶绿素b在近红外和绿光波段反射率有2个突出的峰

值,本系统基于上述2个波段构建了冬小麦产量估算模型[17-18]。具体而言,首先求取 GDVI值,具体计算

方法如式(3):

GDVI=

RNR -RG

RNR +RG

(3)

其中,RNR 为近红外波段;RG 为绿光波段。然后利用张智韬等[19]获取的GDVI与小麦产量之间的线性关

系,以小麦产量作为因变量,最终得到冬小麦产量,二者之间的关系如式(4):

y=1494.5x-385.66 (4)

其中,x 为求取的GDVI值;y 为单位面积冬小麦产量(kg/hm2)。

3 系统实现与应用

3.1 系统实现

主要包括交互界面的设计和功能模块的开发,为了实现了更好的用户交互体验,本系统采用第三方组

件DotNetBar对系统界面进行了统一和美化,系统统一采用 Office2007界面风格。

系统主要包括任务管理、数据处理、小麦管理、成果输出和系统维护等五组功能菜单。其中任务管理

主要实现对不同分析任务的综合管理,如加载、修改、删除分析任务等;数据处理主要实现各种数据入库、

数据质量检查等功能,通过该功能最终构建影像、样本和统计数据库;小麦管理是本系统的核心功能,实现

了对小麦空间分布、长势及产量的分析,在进行各项分析之前首先需要设置研究区域内物候、样本等数据

路径(图4);成果输出主要实现各种输出功能,将过程数据或分析结果以图片和表格的形式导出;系统维

护实现各项运行环境的配置,如系统风格、阈值等参数设置。

36 安徽科技学院学报 2024年

图4 物候参数配置

Fig.4 Configurationofthephenologicalinformation

3.2 案例应用

本研究以蚌埠市为研究区域,利用该系统对冬小麦种植面积提取、长势评估及产量估测进行了应用研

究。由于不同地区冬小麦各生长周期阶段存在明显差异,因此在进行实际分析前首先需明确研究区域内

冬小麦的具体物候信息[20-22]。野外实地调研分析表明,蚌埠市一般在每年10上中旬开始播种冬小麦,

11月上旬出苗,从第2年2月进入返青期并开始快速生长,5月达到完全成熟。在不同生育期内,冬小麦

光谱特征呈现出不同的特征,本研究采集了不同生育期内冬小麦的光谱数据 NDVI,结果表明蚌埠市冬小

麦从11月开始 NDVI值缓慢上升,到次年2月达到较高值并维持稳定状态,此时其他植被大多处于枯黄

状态。4—5月间,该地区冬小麦 NDVI值再次出现明显增长,到6月初收割后 NDVI值降低至最低点。

根据上述对蚌埠市冬小麦光谱特征的分析,仅依靠单个时段提取冬小麦分布区域存在较大不确定性,

因此需要结合多个时段内冬小麦光谱数据开展识别提取工作。该地区光谱数据具有以下几个特征:

(1)12月初冬小麦 NDVI值明显大于11月初。(2)冬小麦在2月中旬 NDVI值明显大于其他地物,其值

一般大于0.525。(3)3月下旬—4月上旬 NDVI值明显大于1月中下旬。因此,可利用不同时段光谱数

据的特征在整个区域做并运算,这样可明显提高提取结果的精度。

在本案例分析中,首先在系统内设置蚌埠市冬小麦不同生育期的起始时间(图4),然后根据不同生育

期NDVI值之间的关系提取了蚌埠市2021年冬小麦分布数据(图5)。系统分析结果表明,2021年蚌埠市

冬小麦播种面积为24.09hm2,与统计年鉴数据(25.12hm2)相比准确度为95.9%;2021年冬小麦长势良

好,但整体上比前5年差;根据估产模型估算,2021年冬小麦总产量为1.3583×106t,与统计年鉴数据

(1.4894×106t)相比准确度为91.2%。

图5 蚌埠地区冬小麦识别结果

Fig.5 TherecognitionresultofwheatinBengbu

第38卷第1期 王 泓,等:基于 ArcGISEngine和IDL的冬小麦生长动态监测系统 37

4 结论与讨论

本系统基于 ArcGISEngine和IDL构建冬小麦综合监测分析系统,实现了对冬小麦播种面积、长势

及产量估算的各项功能模块。通过实际案例可以得到以下结论:

(1)利用 MODIS数据提取冬小麦种植面积及分布区域是可行的,由于 MODIS数据具有较高的时效

性和覆盖度,基于 MODIS数据的分析方法在不同区域具有较好的适用性。充足、准确的数据是获取精确

分析结果的基础和保证,MODIS数据具有时效优势但分辨率较低,获取较高分辨率冬小麦空间分布信息

存在一定困难。

(2)采用经过实际应用验证的经验模型,结合研究区域的历史数据,可以较为准确地对冬小麦长势情

况进行评估、对冬小麦产量进行估算,但在使用经验模型时应与实际研究区域的地形、气候及其他特征相

匹配。

(3)采用经过实际应用验证的经验模型,结合研究区域的历史统计数据和现势数据,可以较为准确地

对冬小麦长势情况进行评估、对冬小麦产量进行估算。

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(责任编辑:顾文亮)

38 安徽科技学院学报 2024年

安徽科技学院学报,2024,38(1):39-46

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-07-25

基金项目:安徽省自然科学基金(2108085QC102);安徽省高校自然科学研究项目(2022AH051624);国家级大学生创新创业训练计划

项目(202210879104)。

作者简介:蔡家辉(1996—),男,安徽宿州人,硕士研究生,主要从事番茄生长发育及逆境胁迫研究,E-mail:1414607314@qq.com。

通信作者:祝嫦巍,教授,E-mail:zhucw@ahstu.edu.cn。

植物激素对铝胁迫下番茄根生长的影响

蔡家辉1, 王乾坤2, 吴 越2, 刘华彬2, 祝嫦巍2*

(1.安徽科技学院 农学院,安徽 凤阳 233100;2.安徽科技学院 生命与健康科学学院,安徽 凤阳 233100)

摘 要:目的:探究植物激素对铝胁迫下番茄根生长的影响,为增强番茄耐铝能力及培育抗铝番茄品种提

供理论依据。方法:以栽培品种番茄为试验材料,外源施加细胞分裂素(6-BA)、水杨酸(SA)、茉莉酸甲酯

(MeJA)、油菜素内酯(BL)、生长素类似物(NAA),探究不同植物激素在番茄响应铝胁迫过程中的调控机

制。结果:细胞分裂素、水杨酸、茉莉酸甲酯增加了番茄对铝胁迫的敏感性,加重了铝对根生长的抑制作

用;油菜素内酯对铝胁迫下番茄根的生长无明显作用。外源施加 NAA 时,促进了番茄侧根发育,但明显

加重了铝诱导的主根和侧根生长抑制,增加了番茄对铝胁迫的敏感性。外源施加生长素运输抑制剂

(NPA和TIBA)也加重了铝诱导根的生长抑制。而外源生长素合成抑制剂yucasin明显缓解了铝诱导的

根生长抑制,降低了番茄对铝胁迫的敏感性。利用生长素响应报告基因DR5:GUS 番茄转基因植株,发

现铝胁迫促进生长素在根尖分生区和转换区(分生区与伸长区之间)细胞的积累,过量的生长素抑制根的

伸长生长,而yucasin通过减少生长素在根尖的积累缓解铝胁迫导致的根生长抑制。结论:通过生长素合

成途径解析番茄响应铝胁迫的调控机制,应用生长素合成抑制剂yucasin缓解番茄铝胁迫,降低了铝离子

和铝诱导的活性氧(ROS)在番茄根尖的积累,减少了细胞死亡。

关键词:番茄;铝胁迫;植物激素;生长素;根的生长

中图分类号:S647.02 文献标志码:A 文章编号:1673-8772(2024)01-0039-08

开放科学(资源服务)标识码(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

铝(Al)是地壳中含量最多的金属元素,在土壤环境中常以无毒的硅酸盐、氧化物的形式存在。在酸

性(pH<5.0)土壤中,含铝的硅酸盐、氧化物释放出三价铝离子(Al3+ ),抑制植物的根系生长发育,减少植

物对营养物质的吸收,成为抑制植物生长、限制作物产量的重要因素[1-2]。植物的根尖组织是铝毒害的主

要靶位点,根尖转换区(分生区和伸长区之间)是植物对铝毒胁迫最敏感的部位,Al3+ 主要通过抑制这一

组织部位细胞的分裂和伸长来抑制根的生长[3]。在受到铝胁迫时,植物在长期进化和适应环境的过程中

形成了内部耐受和外部排斥机制。内部耐受主要是通过液泡的区隔化和有机酸螯合以减弱铝离子对植物

细胞的毒害作用;外部排斥则主要通过植物的根系分泌有机酸以螯合根际的铝离子,减少铝离子进入细

胞,降低铝对植物的毒害作用[4-5]。

激素作为重要的植物生长调节物质,在植物的生长发育和逆境胁迫响应过程中发挥重要的调控作用。

研究发现,水杨酸、茉莉酸、乙烯、细胞分裂素和生长素均参与植物的铝胁迫响应过程。水杨酸(Salicylic

Acid,SA)作为内源性信号响应分子,参与植物的逆境胁迫响应过程。对大豆(Glycinemax)外源施加水

杨酸可以降低植物根系对铝的吸收,促进根系分泌更多的柠檬酸盐,从而缓解铝的毒害作用,恢复根系生

长[6]。50μmol/L水杨酸可以提高葡萄(Vitisvinifera)根系活力[7]。铝胁迫诱导茉莉酸合成相关基因表

达上调,植物体内茉莉酸含量升高。外源施加茉莉酸甲酯(MethylJasmonate,MeJA)会加重铝胁迫导致

的根生长抑制[8]。此外,铝胁迫还会导致根尖过渡区细胞分裂素信号响应增强,外源施加细胞分裂素

(6-Benzylaminopurine,6-BA)会增强铝胁迫导致的根生长抑制。研究表明,铝胁迫诱导的根尖细胞分裂

素信号响应受到生长素的调控[9]。因此,生长素不仅直接参与调控植物铝胁迫响应过程,还可以通过下游

的细胞分裂素信号途径进一步影响植物根的生长。

生长素(Auxin)是植物响应铝胁迫过程中的关键信号调控分子。铝胁迫诱导生长素在根尖分生区和

转换区的合成增加,过度积累的生长素进而抑制根的伸长生长[10]。但是,生长素在不同的植物种类中有

着不同的调控机制。在拟南芥的生长中,铝胁迫通过影响生长素在根尖的极性运输和本地合成,导致生长

素在根尖分生区和转换区细胞的过量积累,高浓度的生长素进而抑制主根的伸长生长[11]。但是在玉米

(Zeamays)的生长中,铝处理会使根尖生长素含量降低,抑制玉米根系生长,但外源施加 NAA可缓解铝

胁迫导致的玉米根生长抑制[12]。铝胁迫下生长素在拟南芥和玉米根系生长中起到截然不同的作用,这可

能是由于生长素在双子叶植物和单子叶植物响应铝毒胁迫过程中发挥着不同的调节机制。

本试验以番茄(Solanumlycopersicum)为研究材料,探究不同植物激素和植物生长调节剂对铝胁迫

40 安徽科技学院学报 2024年

下番茄根生长的影响,利用生长素报告基因DR5:GUS 探究番茄根部生长素对铝胁迫的响应机制,同时

通过活性氧和细胞死亡检测研究根部细胞与铝胁迫之间的相互作用,为在酸性土壤环境下番茄耐铝种植

提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料为栽培品种矮生番茄,由甘肃甘益农种业有限公司生产;本试验所用 Micro-Tom 背景的

DR5:GUS 转基因番茄是由DR5:GUS 转基因番茄(VF36背景,由齐明芳教授提供)通过与 Micro-Tom

回交4次获得[13]。

1.2 试验方法

1.2.1 植物培养 番茄种子使用1%NaClO溶液消毒10min,无菌水冲洗5遍,播种在1/2MS培养基上

避光萌发。萌发后选取生长一致、根长为(35±5)mm 的番茄幼苗转移至1/5Hogland营养液中,放置在

人工气候培养箱内培养,光照16h/24℃,黑暗8h/20℃,相对湿度为70%,光照强度为10000lx。

1.2.2 AlCl3 处理 每组处理挑取10株生长一致的番茄幼苗,在0.5mmol/LCaCl2 溶液中预处理

12h,转移到含不同浓度 AlCl3(0、25、50、75、100μmol/L)的1/5Hogland营养液中培养,每2天更换1次

营养液,并保证每次所换溶液pH 为5.0。第6天使用扫描仪扫描拍照,用ImageJ软件测定根长。

1.2.3 激素处理 每组处理挑取10株生长一致的番茄幼苗,在0.5mmol/LCaCl2 溶液中预处理12h,

转移到含有50μmol/L AlCl3 和不同植物生长调节剂(6-BA、BL、SA、MeJA、NAA、yucasin、NPA 或

TIBA)的1/5Hogland营养液中培养,营养液每2天更换1次,并保证每次所换溶液pH 为5.0。培养至

第6天时使用扫描仪扫描拍照,用ImageJ软件测定根长。

1.2.4 GUS染色 量取5mL无菌水和5mL磷酸盐缓冲液(pH=7.0),加入100μLX-Gluc、50μL铁

盐及10μLTritonX-100,混匀,避光储存,获得GUS染液。将铝胁迫处理3h后的番茄幼苗放入GUS染

液中,37℃避光染色12h,使用透明剂(水合氯醛∶无菌水∶甘油=8∶3∶1,V∶V∶V)透明,高级正置荧

光显微镜拍照。

1.2.5 苏木精染色 称取0.5g苏木精、0.05gKI,溶于100mL蒸馏水,配制苏木精染液。将番茄幼苗

在含0.5mmol/LCaCl2 溶液中预处理12h,转移到1/5Hogland营养液中,设置对照组(CK),处理组分

别设置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),处理30min,处理后的番茄幼苗经过无菌水冲洗干净,放入苏木精染液

中染色5min,蒸馏水中冲洗5遍后使用显微镜观察拍照。

1.2.6 活性氧检测 配制1 mg/mLDAB 染液。取生长一致的番茄幼苗经过50μmol/L AlCl3、

50μmol/LAlCl3+10μmol/Lyucasin共同处理2h,无菌水冲洗干净,放入 DAB 染液中避光染色

10min,使用透明剂进行透明,高级正置荧光显微镜拍照。

1.2.7 细胞凋亡检测 称取10g苯酚,分别量取甘油、乳酸、无菌水各10mL,混匀,称取10mg台盼蓝

溶于混匀液配制成台盼蓝染色液。选取生长一致的番茄幼苗经过50μmol/LAlCl3、50μmol/LAlCl3+

10μmol/Lyucasin共同处理12h,台盼蓝染色5min,使用透明剂进行透明,显微镜拍照观察。

1.3 数据分析

所有处理均进行至少3次独立生物学重复试验,使用 GraphPadPrism9.0进行数据处理和作图(平

均值±标准差),使用SPSS22.0软件进行单因素方差分析,使用AdobeIllustratorCC2017进行组图,采

用Duncan检验法进行各处理间显著性差异分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 铝胁迫抑制番茄根的生长

为探究铝胁迫对番茄幼苗根生长的影响,外源施加不同浓度的 AlCl3 进行处理,分析番茄幼苗根长。

番茄幼苗在不同铝胁迫处理下培养6d(图1A),结果显示,低浓度的铝胁迫(10、25μmol/LAlCl3)处理对

第38卷第1期 蔡家辉,等:植物激素对铝胁迫下番茄根生长的影响 41

番茄根的生长没有明显抑制作用,当浓度达到50μmol/L时,番茄幼苗主根生长明显受到抑制,且随着铝

浓度的增加,铝诱导的根生长抑制越严重(图1B)。

图1 不同浓度AlCl3 对番茄根生长的影响

Fig.1 EffectsofdifferentconcentrationsofAlCl3ontomatorootgrowth

注:比例尺=10mm;不同字母代表具有显著性差异(P<0.05)。下同。

2.2 不同激素对铝胁迫下番茄根生长的影响

为探究不同激素对铝胁迫下番茄根生长的影响,外源施加细胞分裂素(6-BA)、油菜素内酯(BL)、水杨

酸(SA)、茉莉酸甲酯(MeJA)分别与50μmol/LAlCl3 共同处理番茄幼苗,分析不同的植物激素在番茄铝

胁迫过程中的作用。结果表明,低浓度(0.5、1、2nmol/L)的6-BA 处理对铝胁迫下根的生长没有明显影

响,较高浓度(5nmol/L)的6-BA加重铝胁迫诱导的根生长抑制(图2A、B)。尽管较低浓度(0.1nmol/L)

的BL对铝胁迫诱导的根生长抑制有所缓解,但是外源施加BL并不能显著缓解铝胁迫对番茄的抑制作用

(图2C、D)。低浓度(5、10μmol/L)的外源 SA 对铝胁迫下根的生长没有明显影响,较高浓度(20、

40μmol/L)的SA加重铝胁迫诱导的根生长抑制(图2E、F)。低浓度的外源 MeJA不影响番茄根对铝胁

迫的敏感性,随着 MeJA浓度的增加,番茄响应铝胁迫的敏感性增强,铝诱导的根生长抑制出现加重的现

象(图2G、H)。

图2 不同激素处理对铝胁迫下番茄根生长的影响

Fig.2 Effectsofdifferenthormonesontomatorootgrowthunderaluminumstress

42 安徽科技学院学报 2024年

2.3 生长素在番茄铝胁迫响应过程中的作用

为探究生长素在番茄铝胁迫过程中的作用机制,通过外源施加生长素类似物(NAA)、生长素合成抑

制剂(yucasin)、生长素运输抑制剂(NPA、TIBA),分析其对铝胁迫下番茄根生长的影响。试验发现,当外

源施加 NAA时,铝胁迫诱导的番茄根生长受到明显影响,随着外源 NAA浓度的增加而加重(图3A、B)。

当外源施加生长素合成抑制剂yucasin时,铝胁迫诱导的根生长抑制现象得到明显缓解,且较低浓度即可

有效减弱铝胁迫对番茄根的毒害作用(图3C、D)。当外源施加生长素运输抑制剂 NPA或 TIBA时,铝胁

迫诱导的根生长抑制现象也明显随着外源抑制剂浓度的增加而加重(图3E~H)。

图3 生长素对铝胁迫下番茄根生长的影响

Fig.3 Effectsofauxinontomatorootlengthunderaluminumstress

2.4 铝诱导根尖生长素含量的增加

为进一步探究生长素合成途径如何参与番茄铝胁迫响应过程,试验利用生长素报告基因DR5:GUS

分析铝胁迫对番茄根尖生长素响应的影响。结果显示,铝(25μmol/LAlCl3)处理诱导生长素在番茄根尖

分生区、转换区和侧根冠积累,外源施加yucasin处理明显减少铝胁迫诱导的生长素在根尖的积累(图4)。

结果表明,铝胁迫通过诱导根尖生长素的积累抑制根的伸长生长,而外源yucasin可以通过减少生长素的

积累缓解铝胁迫导致的生长抑制。

2.5 外源yucasin减少铝在根部的积累

为分析yucasin在番茄铝胁迫下的作用,试验进一步检测了铝离子在根部的积累情况。结果发现,与

CK相比,25μmol/LAlCl3 处理后番茄根尖组织染色较深,表明有大量的铝离子积累(图5)。外源施加

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50nmol/LNAA、4μmol/LNPA 和4μmol/LTIBA分别与25μmol/LAlCl3 共同处理后,染色加深,表

明根尖组织积累更多的铝离子(图5)。外源施加10μmol/Lyucasin与25μmol/LAlCl3 共同处理后,染

色明显减弱,表明铝离子在根尖组织的积累减少(图5)。结果表明,外源生长素或生长素运输抑制剂均可

增加铝离子在根尖的积累,从而加重铝胁迫对根的毒害作用;而生长素合成抑制剂可以减少铝离子在根尖

的积累,从而缓解铝胁迫对根的毒害。

图4 外源yucasin对铝胁迫下番茄根尖生长素响应的影响

Fig.4 Effectsofexogenousyucasinonauxinresponsetoaluminumstressintomatoroottips

注:比例尺=200μm。

图5 外源生长素及相关抑制剂对番茄根尖铝离子积累的影响

Fig.5 EffectsofexogenousauxinandrelatedinhibitorsonAlaccumulationintomatoroottips

注:比例尺=100μm。

2.6 铝胁迫对番茄根部活性氧和细胞死亡的影响

活性氧(ROS)的产生是植物响应逆境胁迫的重要信号分子,为分析生长素合成途径对铝胁迫下ROS产

生的影响,通过外源施加yucasin检测铝胁迫下ROS的积累情况。结果表明,与CK相比,50μmol/LAlCl3

处理导致ROS在番茄根尖分生区和转换区积累,特别是转换区组织细胞中有大量的ROS积累,这也表明转

换区是根对铝胁迫更为敏感的区域(图6A)。外源施加yucasin可以明显减少ROS在根尖的积累,减弱铝胁

迫对根尖组织的伤害(图6A)。通过台盼蓝染色观察发现,铝胁迫处理导致根尖组织细胞染色明显加深,yucasin可以减弱根尖的染色,表明yucasin可以缓解铝胁迫导致的根尖组织细胞的死亡(图6B)。

3 结论与讨论

植物激素在植物的生长发育和铝胁迫响应过程中起到重要调控作用[14]。研究发现,细胞分裂素响应

基因ARR3 和ARR4 受到铝胁迫的诱导,铝处理会诱导细胞分裂素在根尖组织过多积累[9]。本研究发现

外源施加细胞分裂素(6-BA)会进一步加重铝胁迫导致的番茄根生长抑制(图2A)。外源施加油菜素内酯

(BL)会加重铝胁迫诱导的根生长抑制,而油菜素内酯合成抑制剂(PPZ)则可以缓解铝胁迫导致的根生长

抑制[15-16]。本试验中,发现低浓度的BL对铝胁迫导致的根生长抑制有所缓解,而随着BL浓度的增加,铝

44 安徽科技学院学报 2024年

胁迫导致的根生长抑制并没有得到缓解,且侧根数明显减少(图2C),这表明低浓度的外源BL可以提高

番茄的耐铝能力,而高浓度的BL会加重铝胁迫对植物的伤害。水杨酸是植物响应逆境胁迫的关键信号

分子[17]。水杨酸过量积累的拟南芥突变体snc1 表现出对铝胁迫的高敏感性,而水杨酸积累减少的拟南

芥转基因植株NahG 则对铝胁迫有一定的耐受性[18]。当外源施加水杨酸时,铝胁迫诱导的根生长抑制更

加严重(图2E),表明SA在植物的铝胁迫过程中发挥负调控作用。尽管如此,在对大豆幼苗外源施加水

杨酸则缓解了铝对植株的毒害作用,降低了大豆根尖的铝含量,提高了大豆的铝毒抗性[6]。因此,可以推

测这可能是由于在不同植物中水杨酸参与植物铝胁迫的调控机制存在差异导致的。茉莉酸是植物应对生

物及非生物胁迫的重要调节因子[19]。COI1是茉莉酸信号途径中的关键受体,与野生型拟南芥相比,

coi1-2 功能缺失突变体对铝胁迫的敏感性降低,外源施加茉莉酸甲酯则加重铝胁迫导致的根生长抑制[8]。

与此一致的是,外源施加茉莉酸甲酯同样增加番茄对铝胁迫的敏感性,加重铝胁迫导致的根生长抑制

(图2G),表明茉莉酸在植物的铝胁迫响应过程中发挥负调控作用。

研究表明生长素参与调控植物铝胁迫响应过程,生长素在不同的植物中发挥不一样的调控功

能[11-12]。铝胁迫处理导致玉米根尖生长素的积累减少,根的伸长生长受到抑制,外源施加 NAA后根的生

长得到显著缓解[12]。然而,外源施加 NAA会加重铝胁迫下拟南芥根的抑制,生长素积累过量的相关突

变体yucca、sur2 和sur1-3 在铝处理后也出现了严重的根生长抑制[20]。与此一致的是,本研究也发现外

源施加 NAA会加重铝胁迫对番茄主根的生长抑制(图3A)。当施加生长素合成抑制剂(yucasin)处理时,

铝胁迫诱导产生的根生长抑制得到显著缓解(图3C)。进一步研究表明yucasin处理减少了铝胁迫诱导的

生长素在根尖的积累(图4),这与对拟南芥的研究结果一致[15]。生长素运输抑制剂NPA和TIBA处理均

会加重铝诱导的番茄根生长抑制(图3E、G)。而对玉米的研究则表明生长素极性运输途径相关突变体

zmpgp1 表现出对铝毒胁迫的不敏感[12]。通过苏木精染色,表明铝诱导的根伸长生长与铝离子在植物根

尖的积累有关。在玉米中,zmpgp1 突变体或 NAA处理后的根尖铝离子积累明显减少[21]。在番茄中,外

源施加 NPA、TIBA或 NAA处理均会导致铝离子在根尖的积累增加而加重铝胁迫对植物的伤害,外源施

加yucasin可以降低铝离子在根尖的积累而减轻铝胁迫伤害(图5)。以上结果也表明,在不同的植物种类

中,生长素的调控机制也不尽相同。然而,其中深入的分子机制还需要进一步的研究。

ROS是植物响应逆境胁迫的重要信号分子,植物体内 ROS的产生及清除处于动态平衡状态。在植

物受到铝胁迫时,ROS的产生和积累增加,从而引发细胞程序性死亡等级联反应[22]。本研究中,铝胁迫

导致番茄根尖ROS积累增加,细胞死亡增多,外源施加yucasin可以明显减少 ROS的积累和细胞死亡,

缓解铝胁迫对植物根尖造成的伤害(图6)。本研究通过生长素合成途径探究植物响应铝胁迫的调控机

制,从铝离子的积累、ROS的产生和细胞死亡等方面解析生长素参与调控植物铝胁迫的途径,以期为提高

番茄的耐铝能力提供理论依据。

图6 外源yucasin对铝胁迫下番茄根尖细胞活性氧产生(A)和细胞死亡(B)的影响

Fig.6 Effectofexogenousyucasinonreactiveoxygenspeciesproduction(A)andcelldeath(B)intomatoroottipcellsunderaluminumstress

注:比例尺=200μm。

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