基于光学相干断层扫描的白三叶草叶片臭氧胁迫无损评估新方法

《Scientific Reports》：OCT analysis of white clover leaves affected by regional ozone stress

本研究针对传统植物环境胁迫检测方法存在的破坏性取样、定量困难等问题，开发了便携式光学相干断层扫描(OCT)技术，通过对臭氧指示植物白三叶草叶片进行原位测量，成功实现了臭氧胁迫导致的组织结构变化无损检测。研究发现臭氧暴露会使栅栏组织厚度增加、图像对比度改变、能量值升高，且与水分胁迫呈现相反变化趋势，证实OCT可通过纹理分析(GLCM)区分不同胁迫类型，为农作物环境监测提供了新型生物传感技术。

　　

随着城市化进程加速，大气臭氧污染已成为威胁农作物安全生产的重要环境因素。当臭氧浓度超过0.1 ppm时，会对动植物造成显著危害。在工业区和城市区域，臭氧浓度常常超标，通过植物气孔进入叶片内部，破坏栅栏组织结构，抑制植物生长并降低作物产量。传统环境监测主要依靠气体测量仪器，但这些设备无法反映长期、累积的污染效应。而作为生物监测器的指示植物，虽然能综合反映环境胁迫，但常规的目视检查和显微镜观察方法存在明显局限：前者缺乏定量分析能力，后者需要破坏性取样，且难以识别特定胁迫类型。

正是在这样的背景下，日本千叶大学的研究团队独辟蹊径，将医学领域广泛应用的光学相干断层扫描技术(OCT)创新性地应用于植物环境胁迫研究。这种非破坏性、非接触的成像技术，能够像给植物做"CT扫描"一样，层层揭示叶片内部微观结构的变化。研究人员选择对臭氧敏感的白三叶草(Trifolium repens)作为指示植物，通过自主研发的便携式OCT设备，开展了一系列突破性实验。

为验证技术的可靠性，研究团队首先在实验室可控条件下模拟臭氧胁迫环境。他们将白三叶草置于0.2 ppm臭氧浓度的培养箱中，在14天内持续跟踪同一叶片的结构变化。与此同时，为区分运输过程中可能产生的水分胁迫效应，还专门设置了茎秆切割实验，模拟采样后水分蒸腾造成的影响。通过对比两种胁迫条件下OCT图像的差异，研究人员成功建立了臭氧胁迫的特异性识别标志。

关键技术方法包括：自主研发的便携式时域光学相干断层扫描系统，采用1320 nm光源避免叶绿素吸收；通过峰值检测算法定量分析栅栏组织厚度和信号强度；利用灰度共生矩阵(GLCM)进行纹理特征提取，计算对比度、相关性和能量值；样本来自日本千叶县四个臭氧浓度不同地区(0.04-0.08 ppm)的白三叶草叶片。

应力在叶片OCT图像上的表现

健康叶片与臭氧暴露后的OCT信号特征呈现显著差异。正常叶片信号在组织边界处呈现明显峰值，而臭氧胁迫后栅栏层信号衰减，表明细胞结构遭到破坏。通过峰值检测算法计算的栅栏组织厚度显示，臭氧暴露10天内厚度逐渐增加，14天后因植株枯萎而减少。GLCM纹理分析表明，臭氧暴露导致对比度增加、相关性升高，而水分胁迫则使能量值降低，证实两种胁迫在OCT图像上具有不同"指纹特征"。

不同臭氧浓度区域的OCT图像变化

对四个不同臭氧浓度区域采集的叶片分析发现，最高臭氧浓度区域(0.08 ppm)的叶片呈现较低的对比度、较高的相关性和能量值，这与实验室臭氧实验结论一致。尽管个体差异存在，但纹理参数的变化趋势与臭氧浓度呈现相关性，证明OCT能够检测出不同环境条件下植物内部结构的细微差异。

研究结论表明，光学相干断层扫描技术能够通过定量分析植物内部结构变化来评估环境胁迫。特别值得注意的是，臭氧胁迫与水分胁迫在OCT图像上呈现相反的变化规律：臭氧导致组织广泛破坏而增加图像能量值，水分胁迫则因局部收缩而降低能量值。这种特异性识别能力使得OCT技术在农作物环境监测领域具有广阔应用前景。该研究为开发基于植物生理状态的环境评估新方法奠定了理论基础，通过实时、无损的植物"健康体检"，可实现农田环境的精准监控和早期预警。未来通过进一步研究温度、湿度等多重环境因子复合胁迫的响应规律，将有望建立完整的植物环境胁迫OCT诊断体系。