基于多传感器信息融合的菠萝果茎切割点位置检测方法

夹切一体的菠萝(Ananascomosus(L.)Merr.)采摘器在进行田间采摘作业时,需要自主确定果茎切割点位置,而菠萝果茎处容易被植株叶片和苞叶遮挡,采用单一图像处理的方法难以准确识别到果茎切割点位置,为此提出一种多传感器信息融合的菠萝果茎切割点位置检测方法。将深度相机和多组光电传感器结合,利用改进的YOLOv5目标检测算法融合RGB-D深度信息,实现对菠萝冠芽顶部至果实底部长度测量,再利用光电传感器信号变化判断菠萝采摘器是否到达冠芽顶部位置,并将冠芽顶部作为起始位置,控制采摘器下降速度和时间,从而保证采摘器底部安装的切割刀准确抵达果茎切割点位置。台架试验结果表明,该方法对真实菠萝果茎切割点检测成功率达到85%,满足菠萝采摘机器人作业过程中果茎切割点检测准确性要求。

菠萝叶片色泽、色素及抗氧化活性的关系

以菠萝22个栽培品种的叶片为实验材料,测定其5种色泽参数(L*、a*、b*、c*和h*值)、5种色素(叶绿素、类胡萝卜素、花青苷、类黄酮和总酚)含量及3种抗氧化活性指标(ABTS、DPPH自由基和亚硝酸盐的清除能力),并进行相关性分析。研究结果显示,色泽参数a*和h*值可以作为菠萝叶片指示色泽、主要色素含量和抗氧化活性变化的重要指标;菠萝叶片主要色素组成是叶绿素、类黄酮和总酚,且含有少量的花青苷,几乎不含类胡萝卜素。相关性分析结果显示,菠萝叶片类黄酮和总酚含量均与3种抗氧化活性指标极显著正相关,而叶绿素含量与其它指标相关性未达到显著水平,类黄酮和总酚是菠萝叶片抗氧化活性的主要功效成分。

改良CTAB法提取菠萝DNA

采用改良CTAB法提取菠萝叶片叶基、叶尖和叶中部及幼根等部位的DNA，各个部位DNA的OD260／OD280比值为1．72～1．88；OD260／OD2301．45～2．11；提取产量为5．584—24．325μg／g（鲜重）；各个部位DNA提取产量大小排序为：叶基、心叶〉叶中部、叶尖〉幼根。本方法提取的菠萝DNA质量较高，可用作于SRAP分析。

菠萝果实发育过程中糖积累与其代谢酶的关系

以菠萝[Ananas comosus(L.)Merr."]巴厘"和"台农11号"两个品种为试验材料,测定不同发育时期果实中蔗糖、葡萄糖和果糖含量以及蔗糖代谢相关酶——酸性转化酶(AI)、中性转化酶(NI)、蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)的活性,并对果实中糖积累与酶活性的关系进行分析。结果表明:2个品种果实中糖积累动态十分相似,即果实发育前期,糖积累缓慢;进入成熟期,蔗糖迅速积累,而己糖"巴厘"果实中前期变化较少,后期稍有积累,"台农11号"果实中前期稍有积累,后期基本不变。2个品种果实中蔗糖含量与SS和SPS活性相关系数分别达到正的显著或极显著水平,NI活性与2个品种果实中蔗糖含量呈极显著负相关,蔗糖含量与AI的活性相关性品种间差异明显。

菠萝PEPC基因家族生物信息学分析

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)在C4和景天酸代谢(CAM)光合途径吸收CO2过程中发挥重要作用,并参与各种非光合作用过程,包括果实成熟、气孔开放、碳氮相互作用、种子形成和萌发以及调节植物对逆境胁迫的耐受性。菠萝为典型的景天酸代谢途径(CAM)植物,为了解磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)在菠萝景天酸代谢途径(CAM)中的作用,本研究鉴定到3个菠萝PEPC基因,按照基因描述命名为AcPEPC1、AcPEPC3和AcPEPC4,进化树分析结果AcPEPC1和AcPEPC3为植物型PEPC(PTPCs)蛋白,序列同源性较高且基因结构、保守结构域及保守基序均一致。AcPEPC4为细菌型PEPC(BTPCs)蛋白,与AcPEPC1/AcPEPC3间的序列同源性低。组织表达分析表明AcPEPC1菠萝叶片表达量较高,而AcPEPC3和AcPEPC4在菠萝花和果实表达量较高。

菠萝U6启动子克隆及活性分析

单链向导RNA(single guide RNA,sgRNA)是CRISPR/Cas9系统的“指挥中心”,可以引导Cas9对DNA进行定点编辑,其转录能力直接影响基因编辑效率。U6启动子常用于驱动sg RNA的表达,尤其是本物种内源U6启动子通常具有更高效的启动效率。为了筛选出菠萝内源高效转录活性U6启动子,提升菠萝CRISPR/Cas9基因编辑效率,本研究从菠萝基因组中克隆了5个内源U6启动子,选择水稻3个U6启动子,构建驱动萤火虫荧光素酶基因(firefly luciferase,LUC)的融合表达载体,瞬时转化本氏烟草叶片,通过检测生物化学发光活性,比较各个启动子的转录活性。研究结果表明:从菠萝基因组克隆出5个U6启动子分别命名为:AcU6-1P、AcU6-2P、AcU6-3P、AcU6-4P、AcU6-5P;生物化学发光信号检测发现5个AcU6均具有转录活性,其中AcU6-2P启动子驱动LUC表达的荧光信号最为强烈,其次为AcU6-5P启动子;生物化学发光活性分析发现AcU6-2P启动子驱动产生的荧光素酶活性最高,AcU6-5P仅次于AcU6-2P,结果与荧光信号一致。综上,从菠萝基因组中筛选出2个具有高效转录活性的内源U6启动子AcU6-2P和AcU6-5P,可为后续菠萝CRISPR/Cas9基因编辑系统的优化和分子育种提供了依据。

菠萝SPL基因家族全基因组鉴定及其在开花诱导中的表达分析

SQUAMOSA promoter binding-like (SPL)转录因子在植物成花转变和花发育过程中起着重要的调控作用。本研究通过生物信息学方法从菠萝全基因组中共鉴定出16个AcSPL基因,分布于12条染色体上。系统发育分析表明菠萝SPL基因家族可分为5个亚组,相对于双子叶植物拟南芥而言,菠萝的进化关系更接近于单子叶植物(水稻)。基因结构和基序分析发现菠萝SPL基因家族具有相对保守的基因结构和功能结构域。组织特异性表达分析结果显示,8个AcSPLs的最高表达量均出现在花芽中,6个AcSPLs在雌蕊中的表达量高于雄,1个AcSPL在萼片中的表达量最高,表明多数AcSPL基因与菠萝花芽分化及花发育密切相关。AcSPL成员在花芽转录组中的表达结果也暗示SPL家族的不同成员参与乙烯诱导菠萝开花的不同阶段。本研究为菠萝SPL家族重要基因的克隆提供了参考,并为深入了解菠萝SPL基因在成花中的功能提供数据依据。

菠萝AcMADS14的克隆及其在成花转变中的表达分析

MIKC型MADS-box家族成员SVP参与植物开花时间和花发育的调控。本研究从‘巴厘’菠萝中克隆到成花抑制蛋白SVP亚家族的一个同源基因AcMADS14,其开放阅读框长度为897 bp,编码299个氨基酸。序列分析发现AcMADS14蛋白包含1个高度保守的MADS-box结构域和1个半保守的K-box结构域。系统进化分析表明AcMADS14蛋白序列与油棕EgSVP和椰子CnSVP具有较高的同源性。通过RT-qPCR分析组织特异性发现AcMADS14在叶片、根等营养器官中表达较高,在花分生组织、雄蕊和雌蕊等生殖器官中表达量较低;外源喷施乙烯利抑制了AcMADS14在花芽分化阶段的表达,特别是在花器官分化期表达量显著下降。此外,转录激活活性分析表明Ac MADS14蛋白具有转录激活活性,可激活或抑制下游靶基因。综上,AcMADS14可能响应乙烯处理在菠萝营养生长转变为生殖生长的过程中发挥抑制作用,为探究菠萝成花分子机制提供了理论基础。

不同季节菠萝果实糖积累的差异

以菠萝‘无刺卡因’(Ananascomosus‘SmoothCayenne’)为试材,对栽培管理条件一致的冬季果和夏季果的糖含量及其代谢相关酶活性的变化规律进行研究。结果发现,2月份采收的冬季果发育为快—慢不典型的单‘S’型规律,而7月份采收的夏季果发育为典型的单‘S’型规律(慢—快—慢),且夏季果比冬季果发育期短40d。2月份采收的冬季果,成熟时己糖与蔗糖的比值为0.37,主要以积累蔗糖为主;而7月份采收的夏季果,成熟时己糖与蔗糖的比值为5.92,主要以积累己糖为主。不同产期菠萝果实蔗糖积累与蔗糖代谢酶的活性存在明显差异。2月份采收的果实发育过程中积累较多的蔗糖,主要与蔗糖磷酸合酶和蔗糖合酶的合成活性升高、转化酶活性降低有关;7月份采收的果实蔗糖积累较少,主要与转化酶活性的升高有关。表明不同产期的菠萝果实发育及糖代谢不同。